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Partie 3 : Atmosphère, hydrosphère et climats

Diapo_climat2019

Introduction

Nous disposons de différentes preuves directes des changements climatiques qui ont affecté la Terre depuis quelques centaines d’années, telles que les différences dans les dates des vendanges ou des peintures de paysages témoignant de périodes de grand froid. Des changements plus anciens, comme les grandes glaciations survenues il y a plusieurs centaines de milliers d’années, sont maintenant clairement établis. Pourtant, la mise en évidence de ces modifications climatiques est une science récente (milieu 19ème).

Aujourd’hui, ces variations climatiques sont expliquées par plusieurs facteurs et en particulier des changements de la composition atmosphérique, essentiellement celle des gaz à effet de serre. La compréhension des interactions atmosphère/climat et l’influence des activités humaines font l’objet à la fois de nombreuses études mais aussi d’interrogations et d’interprétations différentes. Les travaux menés actuellement doivent nous permettre d’envisager avec plus de précisions l’évolution future des conditions climatiques terrestres et donc les conséquences de nos activités sur le fonctionnement de la planète.

Nous envisagerons donc l’étude des variations climatiques d’un passé « récent » (- de 800000 ans), puis celle des variations plus anciennes en précisant les outils qui sont utilisés pour reconstituer les climats passés et les facteurs principaux à l’origine de ces variations. Nous aborderons également les scénarios envisagés pour les climats futurs. Nous nous intéresserons enfin à certaines modifications de la composition de l’atmosphère passée pour tenter de comprendre certaines étapes de l’évolution de la vie.

Il ne faut pas oublier que reconstituer les climats à partir de marqueurs passés repose sur le principe d’actualisme, selon lequel, « les lois qui régissent les phénomènes géologiques actuels étaient également valables dans le passé ». C’est donc l’utilisation de nos connaissances des mécanismes actuels qui rend possible la détermination des phénomènes passés (diapo 4).

I. Les variations climatiques récentes et leurs origines

A. les changements climatiques récents

Au cours des derniers 800000 ans, le climat terrestre a été marqué par une alternance de périodes de refroidissement (appelées glaciations) et de périodes de réchauffement. La dernière glaciation (Würm) a débuté il y a environ 100000 ans et s’est achevée il y a 12000 ans (maximum glaciaire : – 21000 ans) (diapo 5). Depuis 15000 ans environ, le climat s’est réchauffé et s’est traduit par une forte réduction de la surface des glaciers (diapo 6).

On peut mettre en évidence que les phases de refroidissement se répètent régulièrement avec une période de 100000 ans. Entre deux glaciations, on peut déterminer des cycles climatiques moins marqués (réchauffement – refroidissement).

B. les marqueurs de ces changements climatiques

La détermination de ces variations climatiques a été effectuée en utilisant différents marqueurs climatiques, comme les grains de pollen, la teneur isotopique des glaces ou le contenu fossilifère de dépôts sédimentaires récents.

1. les rapports isotopiques dans les cristaux de glace (TP2) (diapo 7)

Dans les cristaux de glace qui se forment actuellement, on peut montrer une corrélation entre les rapports isotopiques de l’oxygène (δ18O) et de l’hydrogène (δD) et la température de formation des cristaux : plus la température est faible, plus la valeur du δ18O et du δD est faible (diapos 8 et 9).

A partir des rapports isotopiques mesurés dans des cristaux de glace anciens (prélevés dans des carottes de glace) et en utilisant le principe de l’actualisme, on peut donc estimer les variations climatiques passées (diapos 10 et 11).

CEA Thermomètre isotopique

Information CNRS  – Les glaces : archives des gaz à effet de serre

2. les grains de pollens (TP1) (diapo 12)

Les grains de pollens sont des structures végétales ; or, la végétation est intimement dépendante des conditions climatiques. L’analyse des pollens constitue donc un outil performant pour caractériser les climats du passé.

La résistance de l’enveloppe externe des grains de pollen ainsi que leur abondance permettent souvent de disposer d’une quantité importante de ces structures. Enfin, l’identification de l’espèce d’origine des grains de pollen est aisée car ils présentent généralement des aspects variés. En utilisant les aires de répartition actuelles des végétaux (exemple : chênes en régions chaudes, résineux et graminées en régions plus froides) et selon le principe de l’actualisme, il est possible de reconstituer les conditions climatiques passées des régions dans lesquelles des grains de pollen ont été récupérés (diapos 13 et 14).

3. les microfossiles marins (diapo 15)

Les observations actuelles montrent que la répartition de certains microfossiles (ex : foraminifères planctoniques) est dépendante des conditions climatiques locales (diapo 16). L’utilisation de ces données actuelles permet, à partir d’échantillons de sédiments marins anciens, de reconstituer les conditions climatiques passées. Cette reconstitution est basée sur l’étude de l’évolution au cours du temps des proportions de différentes espèces « repères » dans une carotte sédimentaire (diapo 17).

L’analyse des microfossiles contenus dans les dépôts sédimentaires fournit donc également des informations sur les conditions climatiques passées dans les zones de prélèvement de ces dépôts.

Remarque : il est également possible d’étudier le δ18O et le δD mesuré dans certains microfossiles marins pour déterminer les variations climatiques océaniques. Attention, dans ce cas-là, une diminution des deux rapports isotopiques δ18O et δD traduira une augmentation de la température !

D’autres marqueurs peuvent également être utilisés comme les variations de largeur des cernes des arbres, également représentatifs des conditions climatiques contemporaines au développement des arbres (diapo 18).

La détermination des conditions climatiques passées sera d’autant plus fiable que le nombre de marqueurs utilisés sera important. Par ailleurs, l’exploitation actuelle de ces différents marqueurs permet de constater l’évolution climatique qui affecte aujourd’hui les différentes régions du globe.

Les marqueurs présentés ici ne peuvent être exploités que pour des variations récentes car ces marqueurs ne sont présents que dans des terrains récents ; dans des formations géologiques plus âgées, ces marqueurs ont disparu (glaces, pollens …).

 C. les origines des changements climatiques

1. l’effet de serre : un phénomène naturel de réchauffement, amplifié par les activités humaines

L’effet de serre est un phénomène naturel de réchauffement de la température terrestre ; en effet, en absence d’effet de serre, la température de la surface terrestre serait d’environ -18°C alors qu’elle atteint +15°C en moyenne. L’effet de serre est donc responsable d’un réchauffement moyen de + 33°C.

L’effet de serre est la conséquence des propriétés de certains gaz de l’atmosphère (H2O, CO2, CH4) – appelés Gaz à Effet de Serre (GES). Ces derniers sont perméables aux UV d’origine solaire mais imperméables aux rayons infra-rouges émis par la surface terrestre (celle-ci est en effet « chauffée » par les rayonnements solaires reçus et émet alors des rayons IR). Les GES absorbent donc les IR émis par la surface terrestre ; cela provoque le réchauffement de l’atmosphère qui émet à son tour des IR dont certains atteignent la surface terrestre, provoquant le réchauffement de la Terre.

Des mesures du taux de CO2 atmosphérique (réalisées dans les bulles d’air emprisonnées dans les glaces – cf TP2) montrent clairement une augmentation de la concentration atmosphérique en CO2 qui peut être mise en relation avec les activités humaines. D’autres études révèlent l’augmentation du taux atmosphérique d’autres polluants d’origine anthropique (= humaine) comme le CH4 par exemple. Ces augmentations sont responsables d’une partie du réchauffement climatique mesuré aujourd’hui.

2. les autres facteurs à l’origine des variations climatiques : paramètres orbitaux, albédo ….

D’autre facteurs peuvent agir sur les conditions climatiques et indépendamment de l’effet de serre :

les paramètres orbitaux qui affectent la quantité d’énergie solaire reçue par la Terre et donc la température moyenne à la surface du globe. On distingue 3 paramètres orbitaux différents (inclinaison de l’axe de rotation, excentricité de l’orbite terrestre et orientation de l’axe de rotation). Ces paramètres varient de manière cyclique avec des périodes qui pourraient expliquer certaines des variations climatiques cycliques récentes.

Pour comprendre les origines de variations glaciaires-interglaciaires, nous pouvons envisager deux cas extrêmes, parmi de nombreuses configurations possibles :

  • Pour la période glaciaire : excentricité faible (donc orbite de la Terre presque circulaire), faible inclinaison et 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 : forte excentricité (l’orbite de la Terre est une ellipse), inclinaison forte et une faible distance Terre-Soleil en été. Il en résulterait des saisons très contrastées.

l’albédo  qui est définie comme le rapport entre énergie réfléchie et énergie reçue. Lorsque l’albédo augmente, cela signifie que davantage d’énergie est réfléchie. En période froide, le développement des banquises et des glaciers provoque une augmentation de l’albedo, amplifiant de nouveau le refroidissement.

la solubilité du CO2 diminue lorsque la température augmente ; ainsi, en période chaude, le CO2 se dissout moins dans l’eau, provoquant une augmentation de la concentration atmosphérique en CO2, ce qui amplifie le réchauffement.

Ces deux phénomènes (albedo et solubilité du CO2) sont donc des mécanismes amplificateurs des variations climatiques.

II. les scénarios d’évolution climatique future

Les études menées sur les variations climatiques récentes ont permis de mettre en évidence que ces changements pouvaient s’expliquer par les effets conjugués de très nombreux facteurs (paramètres orbitaux, volcanisme, albédo et surtout effet de serre, donc teneur en gaz à effet de serre). On a en particulier pu montrer l’impact majeur des activités humaines, essentiellement par l’intermédiaire du taux de CO2 rejeté par nos activités.

En tenant compte de ces différents facteurs et de leur impact relatif, les membres de différents organismes dont le GIEC (Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’Evolution des Climats) établissent différents scénarios d’évolution des conditions climatiques de la Terre, scénarios qui peuvent varier selon l’évolution de l’impact de l’Homme, en particulier selon l’importance des émissions en GES. Ces modélisations sont complexes à mettre en œuvre compte tenu de la multiplicité des facteurs impliqués, de leur impact relatif et des interactions entre certains de ces facteurs. Quelque soit le scénario suivi, il existe une majorité d’individus pour reconnaître que l’Homme doit réfléchir à son impact sur la planète et qu’il doit mettre en place une gestion raisonnée des ressources terrestres.

III. Les variations climatiques de longue durée

Des variations du climat ont été également été identifiées sur des périodes beaucoup plus longues (des dizaines de millions d’années) et beaucoup plus anciennes. L’ampleur de ces variations ne pouvant s’expliquer par des modifications des paramètres orbitaux (trop rapides), il faut donc rechercher des changements ayant affectés l’effet de serre et/ou l’albédo.

Un exemple de changement climatique ancien : le réchauffement du Crétacé

1. des indices d’un climat chaud au Crétacé (période comprise entre 145 et 65 MA).

Les climats très anciens sont essentiellement déterminés par le contenu des roches sédimentaires (selon le principe d’actualisme) :

  • des fossiles caractéristiques de climats chauds : coraux, microfossiles (Coccolithophoridés), dents de requins .. L’étude de l’indice stomatique sur les feuilles de Ginkgo révèle également un taux élevé de CO2 pendant le Crétacé.
  • des minéraux et des roches se formant en zones tropicales : oxydes de fer (dans bauxites), évaporites, charbons …

Remarque : pendant cette période, on ne trouve aucun indice de l’existence de glaciers continentaux pendant cette période.

2. des hypothèses sur les mécanismes à l’origine de ce réchauffement

Cette phase de réchauffement s’expliquerait par un taux de CO2 atmosphérique très élevé (presque 3 fois le taux actuel) et donc à une amplification de l’effet de serre. La production importante de CO2 dans l’atmosphère serait liée au dégazage associée à une augmentation de l’activité volcanique au niveau des dorsales et des points chauds. Des mécanismes amplificateurs ont pu contribuer également à l’enrichissement de l’atmosphère en CO2 : limitation de l’érosion et de l’altération, formation importante de roches carbonatées (calcaires).

IV. L’évolution de l’atmosphère

A. Les caractéristiques de l’atmosphère primitive

Différents indices mettent en évidence une évolution de la composition atmosphérique au début de l’histoire de la Terre. Les données les plus récentes montrent que l’atmosphère primitive de la Terre s’est mise en place durant les 150 premiers millions d’années à partir des gaz émis par l’activité magmatique (phénomène de dégazage). Cette atmosphère primitive était dépourvue d’O2 mais très riche en N2, H2O et CO2, avec également du CO et du CH4.

L’absence d’O2 et donc d’oxydation est confirmée par la présence de roches contenant des minéraux réduits, aussi bien en domaine continental qu’océanique (ex : galets avec Pyrite d’Afrique du Sud – datés de -2.9 GA) .

Remarque : des données récentes (2014) tendraient à montrer que l’O2 était présent en très faible quantité dans l’atmosphère un peu avant 3 GA.

B. L’évolution de l’atmosphère primitive.

1. Diminution du taux de H20 puis de CO2

La diminution de la température terrestre aurait permis la condensation de la vapeur et donc la formation des océans (environ 200 MA après la formation de la Terre). Puis, le taux de CO2 atmosphérique aurait fortement diminué à la fois en raison de la précipitation de carbonates (phénomène consommant du CO2) et aussi car la libération de CO2 aurait diminué (peut-être à cause d’un ralentissement de l’activité magmatique).

2. Apparition du O2 océanique, puis atmosphérique

Les fers rubanés (également appelés BIF : Banded Iron Formations) sont les premières formations de roches avec des constituants oxydés (= hématite : Fe2O3 : oxydes ferriques) ; ces roches se sont formées en milieu océanique et ont toutes un âge compris entre 3.5 et 1.9 GA.

Plusieurs hypothèses tentent aujourd’hui d’expliquer l’oxydation des ces roches océaniques et donc la présence de O2 dans les océans. L’une des hypothèses proposée est l’apparition de la photosynthèse dans des zones particulières (formant des « oasis de vie photosynthétique »).

L’apparition de l’O2 atmosphérique est prouvée par la formation de roches continentales oxydées (Red Beds – les plus vieilles sont datées de – 2.3 GA … – 3 GA ???).

Le décalage entre la production d’O2 dans les océans et l’apparition d’O2 dans l’atmosphère fait également l’objet de plusieurs hypothèses. L’une d’elle propose le scénario suivant : l’O2 produit aurait été « piégé », dans un 1er temps, sous la forme d’oxydes ferriques. Ensuite, la concentration en O2 dans l’océan aurait augmenté, permettant à ce gaz de diffuser secondairement dans l’atmosphère.

Cette évolution du taux d’O2 dans l’eau est donc à mettre en relation avec l’apparition et le développement de la vie et plus précisément d’organismes photosynthétiques (TD6). Les formes de vie les plus anciennes sont estimées à 3.8 GA mais les fossiles les plus anciens sont datés de – 3.5 GA. Il s’agit de formations calcaires appelées stromatolithes qui ont été élaborées par des cyanobactéries photosynthétiques. Les plus anciennes datent d’environ 3.5 GA (ce qui est cohérent avec le début de formation des BIF).

Par ailleurs, la mise en place de la photosynthèse a probablement contribué à fixer le CO2 et donc réduire sa concentration dans l’atmosphère.

Ainsi, le développement de la vie a été un facteur prépondérant dans l’évolution de la composition de l’atmosphère au cours de l’histoire de la Terre.

TP1 Palynologie_2019

TP1-Clé détermination pollen

TP1 Palynologie_2019_correction

TP2 ClimatGlaces_2019

Thermomètre isotopique (document CEA)

Forage glaciaire_Jouzel

Secret des glaces

TP2 Climat glaces_correction2

TP3 Boues océaniques_climat_correction_2019

TP4 – Changements climatiques_correction

Paramètres orbitaux

DS_Pingouins_2019_Corrige

TD5_Conditions climatiques anciennes_correction

TD6_EvolutionAtmospheric

Ressources : évolution atmosphère

Début de respiration chez les cyanobactéries

Oxygène atmosphérique

Fers rubanés – Planet Terre