Origine des variations climatiques du Quaternaire

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Le Quaternaire est caractérisé par des cycles climatiques rapides et de grande amplitude liés aux paramètres de Milankovitch, avec une période de 100 000 ans très marquée. Ces cycles sont associés à une variation du volume des glaces polaires et donc à une variation du niveau de la mer.

I Une origine astronomique 

La théorie astronomique du climat de l’astronome Milankovitch suppose que les variations climatiques quaternaires sont la conséquence des variations cycliques de différents paramètres orbitaux terrestres. Milankovitch distingue trois niveaux de périodicité :

1) La variation de l’excentricité de l’orbite terrestre

L'orbite de la Terre est une ellipse dont le Soleil occupe l'un des foyers. L'excentricité de l'ellipse est une mesure de la différence entre cette ellipse et le cercle correspondant. La forme de l'orbite terrestre varie dans le temps entre une forme quasi-circulaire et une forme plus elliptique. La principale composante de cette variation fluctue sur une période de 413 000 ans. L'excentricité actuelle de l'orbite de la Terre est assez faible. L’excentricité est nulle quand l’orbite est parfaitement circulaire ( e=0 ci-desssous).

Différentes excentricités :

OrbitalEccentricityDemo.svg, par ScottAlanHill via wikimedia commons, CC-BY-SA-3.0-migrated https://commons.wikimedia.org/wiki/File:OrbitalEccentricityDemo.svg

L'excentricité est l'un des facteurs les plus importants dans les changements climatiques naturels puisque, lorsqu'elle est maximale, la Terre au périhélie (point de la trajectoire le plus proche du Soleil) peut recevoir du Soleil jusqu'à 26 % d'énergie de plus qu'à l'aphélie (point de la trajectoire le plus éloigné du soleil).

Document 1 : Périhélie (2) et aphélie (1) de la Terre sur son orbite

399px-Aphelion_(PSF).svg par via wikimedia commons, domaine publique, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aphelion_(PSF).svg

2) Variation de l’obliquité de l’axe de rotation de la Terre 

L’obliquité (ou inclinaison de l’axe de rotation) est une grandeur qui donne l’angle entre l’axe de rotation de la planète et la perpendiculaire au plan de l’orbite terrestre autour du soleil ou plan de l’écliptique.

L'obliquité terrestre varie entre 22,1° et 24,5° sur une période d'environ 41 000 ans. Quand l'obliquité croît, chaque hémisphère reçoit plus de radiations du soleil en été et moins en hiver.

Ainsi quand l’inclinaison est plus forte (proche de 24,5°), les étés sont plus chauds et les hivers plus froids, mais quand l’inclinaison est plus faible (proche de 22,1°), les saisons sont moins tranchées au niveau des températures : les étés sont moins chauds et les hivers plus doux. 

Document 2 : Obliquité de la Terre par rapport au plan de l’écliptique

Obliquite_plan_ecliptique par via Wikimédia Commons, CC-BY-3.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Obliquite_plan_ecliptique.png

3) La précession des équinoxes 

La Terre ne tourne pas sur elle-même comme un ballon parfaitement sphérique mais plutôt comme une toupie car elle est soumise à la précession. La précession est le nom donné au changement graduel d'orientation de l'axe de rotation d'un objet. Il s’agit du déplacement sur lui-même de l’axe de rotation de la Terre qui décrit une surface conique selon une période de 19 000 à 23 000 ans (moyenne 21 000 ans). La variation de la précession des équinoxes est responsable d’un raccourcissement d’une année de 20 minutes, modifiant la position de la Terre aux solstices et aux équinoxes, modifiant de fait les saisons.

Document 3 : Précession de l’axe de rotation de la Terre

526px-Earth_precession.svg, par NASA, Mysid,  via Wikimédia Commons, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Earth_precession.svg

Document 4 : Modifications des saisons en raison de la précession des équinoxes

Precession_and_seasons.svg, par via wikimedia commons, CC-BY-SA-3.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Precession_and_seasons.svg

Ces trois paramètres ont une influence sur la quantité d’énergie solaire reçue par la Terre au cours de l’année et également sur le contraste entre les saisons. Ils seraient responsables des variations climatiques cycliques appelées cycles de Milankovitch.

L’hypothèse astronomique de Milankovitch a été validée scientifiquement notamment en ce qui concerne la périodicité de 100 000 ans qui se retrouve dans les stades glaciaires et interglaciaires des derniers 800 000 ans. Si on compile les données des trois paramètres précédents avec celles de la variation de puissance de l’énergie solaire et les δ ¹⁸0 des glaces, on obtient le document suivant :

Document 5 : Combinaison cycles de Milankovitch

Milankovitch_Variations, par  Robert A. Rohde  vvia wikimedia commons, CC-BY-SA-3.0-migré, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Milankovitch_Variations.png

Couplée aux cycles de Milankovitch, on remarque une variation de la puissance solaire reçue à 65° de latitude Nord. Cette variation est une conséquence de la variation des paramètres orbitaux terrestres. 

Pour comprendre les origines des variations glaciaires-interglaciaires, deux cas extrêmes, parmi de nombreuses configurations possibles, sont représentés :

• Pour la période glaciaire, l'orbite de la Terre est quasi circulaire (excentricité faible) et on a choisi d'y ajouter une faible inclinaison et une grande distance Terre-Soleil en été. Il en résulte un faible contraste saisonnier et une configuration favorable à l'apparition d'une période glaciaire.
• Pour l'apparition d'une période interglaciaire, une configuration orbitale extrême est de considérer une forte excentricité (l'orbite de la Terre est une ellipse), une inclinaison forte et une faible distance Terre-Soleil en été. Il en résulterait des saisons très contrastées.

Document 6 : Représentation des trois variables de Milankovitch et conséquences sur le climat terrestre

II Des mécanismes amplificateurs

Quand on calcule les variations de températures que devraient engendrer les variations astronomiques précédentes, on trouve des amplitudes bien inférieures à celles qui sont réellement observées. C’est donc qu’il doit y avoir d’autres paramètres qui influencent la température et donc les climats.

1) L’albédo terrestre

Le rayonnement absorbé par la Terre est constitué, entre autres, de rayons infrarouges qui réchauffent les surfaces. Plus le rayonnement absorbé est important, plus le réchauffement sera important. Le rayonnement réfléchi est d’autant plus faible que le rayonnement absorbé est important.

Document 7 : Principe de l’albédo

L’albédo, c’est le rapport entre l’énergie solaire réfléchie par une surface et l’énergie incidente. Sa valeur varie entre 0 (pour une surface noire) et 1 (pour une surface blanche). On peut mesurer l’albédo d’une surface terrestre grâce à des radiomètres utilisés sur le terrain mais aussi en laboratoire.

Document 8 : Valeur de l’albédo pour différences surfaces

Selon la surface, l’albédo est différent. Un albédo faible tel que celui de l’océan signifie que la quantité de rayonnement réfléchi est faible donc que celle du rayonnement absorbé est importante. La surface concernée va donc s’échauffer davantage que dans le cas inverse d’une surface à albédo élevé.

En période glaciaire, les surfaces neigeuses ou glacées très étendues ont un albédo élevé. Ceci implique qu’une grande partie du rayonnement solaire est réfléchie. En conséquence, la surface terrestre se réchauffe moins puisqu’elle absorbe moins de rayonnement ce qui va donc amplifier le refroidissement.

À l’inverse en période de réchauffement climatique, les surfaces à fort albédo telles que les glaces polaires sont moins étendues et c’est donc l’inverse qui se produit. Le rayonnement incident est davantage absorbé par la surface terrestre (forêts, sables, roches…) qui va donc se réchauffer davantage.

2) La solubilité du dioxyde de carbone

La solubilité du CO₂ dans l’eau de mer diminue lorsque la température de l’eau et donc de l’atmosphère augmente. À l’inverse lors d’une chute de température comme en période de glaciation, la solubilité du CO₂ sera plus importante qu’en période de climat plus chaud ce qui favorisera sa dissolution.

Document 9 : Solubilité du CO₂ dans l’eau salée

©RS.2020

Plus il fera chaud, moins le CO₂ se dissoudra dans l’eau de mer ce qui augmentera sa concentration dans l’atmosphère. Comme le CO₂ est un gaz à effet de serre, ce dernier sera accentué augmentant alors de la température de l’atmosphère.

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