Atmosphère, hydrosphère et climats : du passé à l’avenir

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, par Pascal COMBEMOREL

Déterminer les climats passés, comprendre le climat actuel, et prévoir le climat futur, tels sont les enjeux de ce chapitre.

Le but de ce cours est de comprendre comment font les scientifiques pour reconstituer les climats passés, et ce à des échelles de temps variées : la dernière centaine d’années, le dernier million d’années, et même sur plusieurs centaines de millions d’années.

 Reconstituer les températures passées

Pour ces différentes périodes, les scientifiques n’utilisent pas les mêmes outils pour reconstituer les températures passées :

  • pour la centaine d’années écoulée, on va tout simplement consulter les archives : les températures ont été régulièrement mesurées à l’aide de thermomètres par de nombreux scientifiques, à différents endroits du globe ;
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Évolution de la température mondiale entre 1880 et 2010
L’axe des ordonnées indique la différence de température des points de mesure par rapport à la moyenne des températures entre 1951 et 1980. Les points noirs correspondent aux températures moyennes mondiales mesurées chaque année. La courbe rouge est une moyenne mobile des températures sur 5 ans.
Source : Glockenklang1 depuis Wikimedia Commons d’après des données de la NASA

Exercice : Décrire le document ci-dessus. (Cliquez pour afficher le corrigé)

Ce document montre que la température moyenne mondiale augmente entre 1880 et 2010. L’amplitude de l’augmentation est d’environ 1°C entre 1910 et 2010.
Dans le détail, on remarque que cette augmentation n’est pas continue, il y a des périodes de baisse de température, par exemple entre 1900 et 1910 ou entre 1940 et 1950.

  • pour le dernier million d’années, on utilise deux types d’indices :
    • les données de la palynologie : on réalise des carottes de tourbe et on mesure, pour chaque niveau de tourbe (qui correspond à une période donnée), les pourcentages de pollen des différentes espèces végétales. Comme chaque espèce végétale pousse dans des conditions climatiques particulières, on peut ainsi reconstituer le climat.
    • les données de la glaciologie : on réalise des carottes de glace et on mesure, pour chaque niveau de glace (qui correspond à une période donnée), les proportions relatives de deux isotopes de l’oxygène : 18O et 16O. Ces valeurs permettent de calculer un rapport nommé δ18O. L’intérêt de ce calcul est que la valeur du δ18O dépend de la température : δ18O est faible (très négatif) quand la température est faible, et élevé (proche de 0 pourmille) quand la température est plus importante. On peut également calculer un δD à partir des proportions des isotopes de l’hydrogène 1H et 2H (2H étant appelé deutérium, d’où la notation δD). Les variations de δD se font dans le même sens que celles de δ18O et permettent donc elles aussi de déterminer les températures passées.

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Les données glaciologiques du forage de Vostok, en Antarctique
Les résultats sont obtenus à partir du forage d’une carotte de glace. La profondeur est convertie en âge (axe des abscisses) par datation isotopique. La mesure du δD réalisée sur la glace permet de déduire le ΔT (écart de température par rapport à la période actuelle). La concentration en CO2 est mesurée dans les bulles d’air contenues dans la glace.
Sources : NOAA modifié par Autopilot, depuis Wikimedia Commons et Wikimedia Commons

Exercice : Décrire le document ci-dessus. (Cliquez pour afficher le corrigé)

δD varie au cours du temps. Il atteint au maximum environ -430‰ ce qui correspond à une différence de +2°C par rapport aux températures actuelles, et au minimum -480‰ ce qui correspond à une différence de -8°C par rapport aux températures actuelles.
Les variations de δD sont périodiques ; la périodicité est d’environ 100 000 ans avec des périodes de réchauffement rapides, de 10 000 ans environ, et des périodes de refroidissement lentes, de 90 000 ans environ.
Enfin, on remarque que ces variations de températures sont corrélées à des variations de la concentration en CO2 de l’atmosphère : les périodes froides correspondent à des périodes où la teneur en CO2 est faible (180 ppm), les périodes chaudes à des périodes où la teneur en CO2 est élevée (280 ppm).

  • pour des périodes de temps plus longues, on peut utiliser différents éléments :
    • l’analyse des fossiles : certains fossiles correspondent à des espèces supposées avoir vécu dans un climat chaud (par exemple : fossiles d’espèces ressemblant aux crocodiles ou aux palmiers actuels) tandis que d’autres sont supposées avoir vécu dans un climat froid (fossiles ressemblant aux ours actuels par exemple).
    • l’analyse des roches sédimentaires : on constate actuellement que certaines roches sédimentaires se forment en climat chaud (bauxite, latérite,…), d’autres en climat froid (tillite). Donc si l’on retrouve en France de la bauxite dont on date la formation à -70 Ma, on peut en déduire qu’à cette période le climat était chaud à cet endroit là. Ce type de raisonnement utilise le principe d’actualisme : on considère que la Terre fonctionnait de la même manière dans le passé qu’actuellement.
      Dans les roches sédimentaires carbonatées (calcaire), on peut reconstituer le climat en calculant le δ18O de ces roches. Le δ18O des roches carbonatées est faible en période chaude, et élevé en période froide (c’est donc l’inverse de l’évolution du δ18O des glaces).

 Reconstituer les concentrations en gaz à effet de serre

Les gaz à effet de serre (GES) sont des gaz présents dans l’atmosphère et qui contribuent à réchauffer la Terre en retenant une partie de l’énergie d’origine solaire. Ces gaz sont notamment la vapeur d’eau H2O, le dioxyde de carbone CO2 et le méthane CH4.

Pour reconstituer les concentrations passées des GES, différentes méthodes sont utilisées selon la période considérée :

  • pour la centaine d’années écoulée, on va tout simplement consulter les archives : les concentrations en GES ont été régulièrement mesurées par de nombreux scientifiques, à différents endroits du globe ;
  • pour le dernier million d’années écoulées, on va mesurer les concentrations en gaz à effet de serre dans les bulles d’air contenues dans les carottes de glace (revoir le document sur le forage de Vostok).

Les résultats donnés par ces techniques pour le CO2 sont présentés sur la figure suivante.

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Évolution de la teneur en CO2 atmosphérique depuis 400 000 ans
L’évolution de la concentration en CO2 est déduite des mesures dans les glaces, et de mesures directes pour la dernière centaine d’années.
Source : NASA, depuis Wikimedia Commons

Exercice : Décrire et interpréter le document ci-dessus. (Cliquez pour afficher le corrigé)

De -400 000 ans à un peu avant 1950, les variation de la concentration en CO2 atmosphérique sont cycliques d’une périodicité d’environ 100 000 ans. Les valeurs maximales sont de 280 ppm, les minimales de 180 ppm.
Les causes de ces variations ne sont pas au programme de terminale S. Il s’agit en fait de variations des paramètres de l’orbite terrestre au cours du temps.

À partir de 1950, on constate que la concentration en CO2 atmosphérique dépasse les valeurs maximales atteintes depuis 400 000 ans (et même 650 000 ans d’après la légende) pour atteindre presque 400 ppm.
Cette augmentation est due aux activités humaines qui rejettent de nombreux gaz à effet de serre : transports, agriculture,…

 Reconstituer l’évolution de la composition de l’atmosphère

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Évolution de la composition de l’atmosphère terrestre
Les teneurs en gaz sont indiquées de manière relative (c’est-à-dire qu’on donne les proportions des gaz les uns par rapport aux autres).
Les diagrammes du haut donnent la composition de l’atmosphère à 4 moments différents de l’histoire de la Terre. L’évolution de la composition en gaz entre ces périodes est incertaine.
Source : Pascal COMBEMOREL

Différents indices permettent de reconstituer la composition de l’atmosphère depuis que la Terre existe :

  • la composition initiale (4,5 Ga) est notamment déduite de l’étude des gaz contenus dans les météorites. La formation de la Terre résulterait en effet de la collision de nombreuses météorites ;
  • suite au refroidissement progressif de la Terre, l’eau atmosphérique s’est liquéfiée pour donner de l’eau liquide. Cela est attesté par le fait que les plus anciennes roches sédimentaires connues soient datées à 4 Ga. En effet, les roches sédimentaires nécessitent de l’eau liquide pour se former. L’eau liquide piège une partie du CO2 atmosphérique qui s’y dissout ;
  • l’apparition des premiers êtres vivants photosynthétiques (des cyanobactéries vivant en milieu aquatique et formant des constructions appelées stromatolites) fait diminuer la concentration en CO2 et augmenter la concentration en O2. En effet la photosynthèse consomme du CO2 et produit de l’O2 ;
  • dans un premier temps, l’O2 produit reste piégé dans les océans puisqu’il va participer à l’oxydation de grandes quantités de fer présentes dans l’eau. Une fois tout le fer oxydé, l’O2 passe en milieu aérien : la concentration en O2 atmosphérique augmente.

On voit donc que la composition de l’atmosphère a grandement évolué au cours des temps géologiques. Comme l’on sait que la composition de l’atmosphère (et notamment la teneur en gaz à effet de serre) a une influence sur le climat, on peut en déduire que le climat de la Terre a évolué depuis sa formation.

 Prévoir l’évolution du climat

Prévoir l’évolution du climat est difficile car cela nécessite de prévoir l’évolution des différents facteurs qui influent sur le climat. Seuls les gaz à effet de serre sont évoqués au programme de terminale S. Il faut cependant aussi considérer les variations de l’activité solaire ou encore les variations des paramètres de l’orbite terrestre par exemple.

Pour en revenir aux GES, l’évolution de leurs concentrations dans l’atmosphère dépend de nombreux paramètres, comme par exemple :

  • la croissance démographique ;
  • les choix politiques en matière de production d’énergie, de transports ;
  • le développement de nouvelles technologies moins polluantes.

Différents scénarios sont donc envisagés par le GIEC (Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Évolution du Climat) qui vont d’une diminution par 2 à une multiplication par 3 de nos émission annuelles de CO2 !

L’impact sur la température moyenne mondiale serait alors très différent avec des hausses de températures très modérées (+0,5°C) ou au contraire très élevées (+3,5°C).

 Exercices

Testez votre connaissance du cours en répondant à ce questionnaire.

Entraînez-vous également à l’aide des sujets de bac S des années passées.