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Certitudes des paléoclimatologues

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Bases scientifiques du changement climatique
1 Les certitudes des paléoclimatologues
Le climat de la Terre a fortement changé dans le passé. Et il est tout à fait
normal qu’il changera dans le futur.
Dernier maximum glaciaire (18 ka BP)
DT = – 5°C
D niveau de la mer = –130 m
D volume glace = +52 106 km3
CO2 préindustriel = 280 ppmv
CO2 2000 AD = 370 ppmv
CO2 18 ka BP = 200 ppmv
(Joussaume, 1993)
La calotte glaciaire il y a 18000 ans
Évolution du niveau de l’océan modial à
la sortie de la glaciation
Valeurs en mètres par siècle
Source: IPCC
Source: IPCC
Température de l’air
Température de l’air
Températures annuelles moyennes à Luxembourg-ville
11.0
10.5
10.0
9.5
9.0
8.5
8.0
7.5
7.0
6.5
1838
1848
1858
1868
1878
1888
1898
1908
1918
1928
1938
1948
1958
1968
1978
1988
1998
2008
Archives climatiques naturelles
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•
•
Carottes glaciaires,
Carottes de sédiments océaniques et lacustres,
Carottes de loess
Dépôts coralliens
Cernes des arbres
Pollen
Roches sédimentaires
Extraction d’une carotte de glace à Dome C
Formation de la calotte glaciaire
bulles d’air emprisonnées
à partir de 70 m de profondeur
Source:
http://eesc.columbia.edu/courses/ees/slides/climate/firn.gif
Carottes de glace
Extraction de carottes de sédiments marins
Evolution des glaciers
Dépôts coralliens
Dendroclimatologie
Dépôt de loess en Chine
Analyses des archives
• Composition des bulles d’air enfermées dans
les carottes de glace
• Charge en aérosols des carottes de glace
• Analyses isotopiques des carottes glaciaires,
sédimentaires, coralliennes
• Analyse des pollens et des microorganismes
des carottes sédimentaires
• Analyse de la susceptibilité magnétique des
loess
• Analyse dendroclimatologique des cernes des
arbres
• Localisation des dépôts coralliens
Méthodes d’analyse
• Diversité de la faune océanique
• Analyse du rapport 18O/16O des isotopes de
l’oxygène: thermomètre isotopique
• ...
• Méthodes de datation
Analyse du rapport 18O/16O des isotopes
de l’oxygène: thermomètre isotopique
Deux isotopes de l’oxygène: 16O et 18O
R apport isotopique (en ‰ ):  O 
18
 18 O    18 O 

 éch 
 SM OW
 O

 SM OW
18
 1000
Animation: Fractionnement isotopique de l’oxygène
(lien pour tétécharger l’animation:
http://pedagogie.ac-toulouse.fr/svt/serveur/lycee/perez/clindex/clindex.htm)
Fractionnement isotopique de l’oxygène
Au dessus de l’océan tropical, l’eau contenant l’isotope léger 16O s’évapore
préférentiellement.
Lorsque la vapeur d’eau condense, celle contenant l’isotope lourd 18O condense
préférentiellement.
Au cours du déplacement vers les hautes latitudes, l’air se refroidit de plus en
plus et la vapeur d’eau condense de plus en plus. Les précipitations
successives s’appauvrissent de plus en plus en 18O.
Fractionnement isotopique de l’oxygène
La neige qui tombe aux très hautes latitudes, et la glace de la calotte qui s’y forme,
sont appauvries en 18O d’environ 4% par rapport à l’eau de mer.
Fractionnement isotopique de l’oxygène
Plus il fait froid aux Pôles,
•moins la teneur en vapeur d’eau dans l’atmosphère est grande
•plus la proportion de vapeur d’eau condensée est grande
•plus les précipitations aux très hautes latitudes sont appauvries en 18O
•plus la glace des calottes glaciaires est appauvrie en 18O
Thermomètre isotopique de l’oxygène
Archives sédimentaires
Le calcaire des coquilles des foraminifères lie préférentiellement le 18O.
Ces coquilles s’enrichissent donc en 18O par rapport à l’eau de mer.
Pour les foraminifères benthiques (qui vivent au fond où la température est
constante et égale à 1°C), l’enrichissement est d’environ 2,8%.
Archives sédimentaires
Résultat: Plus il fait froid aux Pôles, plus les coquilles des
foraminifères sont enrichies en 18O.
En période glaciaire, l’accumulation de glace appauvrie en 18O est énorme,
donc l’eau de mer est enrichie en 18O d’environ 0,15% par rapport à la valeur
actuelle.
Par conséquent l’enrissement des coquilles des foraminifères benthiques est
de 2,95%!
Corrélation 18O carotte glaciaire et
carotte sédimentaire
Archives du Groenland
Archives d’Antarctique
Comparaison Groenland et Antarctique
Comparaison Groenland et Antarctique
Teneur en poussières des bulles d’air
emprisonnées dans la glace
Causes des variations climatiques
• Evolution du Soleil et transparence du milieu
interplanétaire
• Composition chimique de l’atmosphère
• Diatrophisme, tectonique des plaques, activité
volcanique
• Variation des paramètres liés à l’orbite terrestre
autour du Soleil et à l’axe terrestre
• Activité solaire
Composition de l’atmosphère
Variation du CO2 atmosphérique
Variation du CO2 atmosphérique
Variation du CO2 atmosphérique
Variation du CO2 atmosphérique
Variation du CO2 atmosphérique
Variation du CO2 et de l’O2 atmosphérique
La courbe rose vient de mesures effectuées à Alert,
Canada (82°N) et la courbe bleu clair de mesures
effectuées à Cape Grim, Australie (41°S).
La tectonique des plaques comme l’une des
causes des variations climatiques
Il y a 30 millions d’années, l’Amérique du Sud était reliée à l’Antarctique: les
courants marins chauds amenaient beaucoup de chaleur jusque vers
l’Antarctique sur laquelle il n’y avait pas encore de calotte glaciaire.
Il y a 15 millions d’années, le passage entre les deux continents s’ouvrit et
un courant marin froid s’installa autour de l’Antarctique. La calotte glaciaire
commença à se former.
Théorie astronomique de Milankovic (1941)
La théorie explique la succession
des cycles glaciaire-interglaciaire
du Quaternaire.
Le rayonnement solaire total reçu par les
hautes latitudes de l’hémisphère N varie.
Il dépend de paramètres astronomiques
terrestres: excentricité de l’orbite,
obliquité de l’axe, mouvements de
précession.
Les glaciations correspondent aux
périodes durant lesquelles les
hautes latitudes de l’hémisphère
Nord reçoivent un minimum de
rayonnement solaire pendant l’été.
Excentricité de l’orbite
L’excentricité de l’orbite
terrestre varie entre une
ellipse plus allongée et un
cercle, avec des périodes
de 400 000 et 100 000 ans
Animation
Obliquité de l’axe: les saisons
Les saisons sont dues au fait que l’axe
terrestre est incliné par rapport à
l’écliptique (= plan de l’orbite terrestre).
Hémisphère Nord: en hiver elle est détournée du Soleil, et en été elle est
tournée vers le Soleil.
Les saisons
Les saisons
Obliquité de l’axe
L’inclinaison de l’axe
terrestre varie entre
22° et 25°, avec une
période de 41000 ans
Obliquité de l’axe
L’inclinaison de l’axe
terrestre varie entre
22° et 24,5°, avec une
période de 41000 ans
Animation
Précession du périhélie
La trajectoire elliptique de la
Terre tourne avec une
période de 120000 ans.
Animation
Précession astronomique
L’axe terrestre décrit un
cône avec une période de
26000 ans.
Résultat des deux précessions: la position de la Terre du début du
printemps passe tous les 22000 ans par le même point de l’orbite.
Précession des équinoxes
Précession des équinoxes
Précession des équinoxes
Précession des équinoxes
Précession des équinoxes
Animation 1: cycles de Milancovic
Animation 2: cycles de Milancovic
Théorie astronomique de Milankovic
Les signaux indiquent la variation de l’insolation, aux hautes latitudes Nord,
en été.
Théorie astronomique de Milankovic
Le climat interglaciaire s’installe
aux maxima de l’insolation reçue
par les hautes latitudes Nord, en
été.
Dans ces conditions la neige
tombée en hiver peut entièrement
fondre en été.
Le climat glaciaire s’installe
lorsque l’insolation reçue par les
hautes latitudes Nord, en été, est
moindre.
Dans ces conditions la neige
tombée en hiver ne fond plus en
été, et une calotte glaciaire peut
croître (le sol couvert de neige
réfléchissant les rayons solaires).
Théorie astronomique de Milankovic
Preuves de la théorie astronomique de
Milankovic
La courbe donnant le volume de glace de la calotte glaciaire sur
l’hémisphère Nord est bien corrélée avec l’insolation reçue par les hautes
latitudes Nord, en été.
Archives d’Antarctique
Preuves de la théorie astronomique de
Milankovic
L’analyse des fréquences
contenues dans les courbes
obtenues à partir des
analyses en 18O fait bien
ressortir les fréquences des
paramètres orbitaux et
axiaux de la Terre.
Rétroaction positive du CO2 et du méthane
Animation: Vostok
L’analyse des bulles d’air enfermés dans la glace permet de reconstituer la
composition de l’atmosphère dans le passé.
Surprise: Lorsqu’il faisait plus chaud, l’atmosphère contenait plus de gaz à
effet de serre (CO2 et CH4) que lorsqu’il faisait froid. Ceci renforçait le
réchauffement au cours des périodes interglaciaires et le refroidissement au
cours des périodes glaciaires.
Cette corrélation reste encore inexpliquée de nos jours!
Rétroaction du plancton?
Corrélation CO2 et température mondiale
Accroissement actuel du CO2
L’accroissement actuel du CO2 est bien corrélée avec l’échauffement actuel
du climat!
On sait pertinemment qu’une atmosphère contenant plus de gaz à effet de
serre va provoquer un réchauffement au sol et dans la basse atmosphère, et
un refroidissement dans la haute atmosphère (effet de serre).
Est-ce qu’il y a une relation de cause à effet, c. à d., est-ce que
l’échauffement terrestre observé au cours des 30 dernières années est dû à
l’accroissement de la teneur par l’atmosphère en gaz à effet de serre?
Aujourd’hui, la grande majorité des scientifiques pensent qu’il y en est ainsi.
Le système climatique est un système
chaotique
Peu de choses
peuvent influencer le
dinosaure à prendre
l’une des vallées au
lieu de l’autre.
Une fois entré dans
la vallée il sera
difficile de revenir
dans l’autre.
De faibles causes
peuvent avoir des
effets importants.
Le système climatique est un système
chaotique
Il semble qu’une telle situation se soit
produite au Sahel: le climat
régulièrement assez humide est
devenu tout à coup très sec.
Bases scientifiques du changement climatique (I)
Testez vos connaissances et votre compréhension...
1) Quelles ont été les changements climatiques les plus importants au
cours de l’existence de la Terre ?
2) Comment a-t-on acquis des informations sur les climats du passé?
3) Quelles sont les causes naturelles des changements climatiques?
4) Comment peut-on expliquer la succession des cycles glaciaireinterglaciaire à l’aide de la théorie astronomique de Milancovic?
5) Comment les concentrations atmosphériques du CO2 et du CH4 ontt-elles influencé les cycles glaciaire-interglaciaire?
7) Expliquer la méthode du thermomètre isotopique.
8) Comment expliquer la variation périodique annuelle du CO2 dans
l’air?
Fin de la 1re partie
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