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LE SYSTÈME CLIMATIQUE ET SON ÉVOLUTION À L’ÉCHELLE GÉOLOGIQUE

par Sebastian Weissenberger

module 2

2 ENV 1110|CHANGEMENTSCLIMATIQUES

SOMMAIRE

1. La circulation atmosphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1 Lacirculationlatitudinale

1.1.1 LescellulesdeHadley

1.1.2 LescellulesdeFerrel

1.1.3 Lescellulespolaires

1.2 Lacirculationlongitudinale

1.2.1 Lesventsthermiques

1.2.2 LescellulesdeWalker

2. La circulation océanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.1 Lacirculationthermohaline

2.2 Lerôledelacirculationthermohalinedanslarégulationduclimat

2.3 Lesvariationsdelacirculationthermohalinedanslepassé

2.4 LeDryasrécent

3. Les cycles climatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.1 Lescyclesclimatiquesàlongterme

3.2 Lescyclesàcourttermeetlesoscillationsclimatiques

4. L’évolution du climat à l’échelle géologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5. L’hypothèse de la Terre blanche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6. Les outils utilisés pour reconstruire le climat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

6.1 Lesforagesdeglaciers

6.2 Lesforagesdesédimentsmarinsetlacustres

6.3 L’analysedesisotopes

6.3.1 Ladatationàl’aided’isotopesradioactifs

6.3.2 Lesisotopesducarbone

6.3.3 Lesisotopesdel’oxygèneetdel’hydrogène

6.3.4 Lesisotopesradiogéniques

6.4 Lesautresméthodes

6.4.1 Lapalynologie

6.4.2 Ladendrochronologie

6.4.3 L’étudedescoraux

6.4.4 L’analysedestempératuresdansdespuitsdeforage

6.4.5 Latélédétection

MODULE 2|LESFONDEMENTSSCIENTIFIQUES3

Lesystèmeclimatiqueterrestreestd’unegrandecomplexité.Danscetexte,nousana-

lyseronsquelques-unsdesprincipauxrouagesdecesystème,sansprétendreàune

descriptionexhaustive.Lesdeuxprincipalescomposantesdusystèmeclimatiquesont

l’atmosphèreetl’hydrosphère,c’est-à-direlesocéans.Cesdeuxfluidessontenmouve-

mentconstant.Lemoteurdecesmouvementsestladissipationdel’énergiesolaire.La

rotationdelaTerreetlagéographiedescontinentsetdesbassinsocéaniquesintrodui-

sentunegrandecomplexitéàcesmouvements.Leclimatestcaractérisépardescycles

quiopèrentàplusieurséchellestemporellesetspatiales.Dansl’histoiredelaTerre,le

climatabeaucoupvariéaufuretàmesuredeschangementsdelapositiondesconti-

nentsetde la compositionde l’atmosphère.Lasciencemoderneestenmesurede

reconstruire lesclimatsdupassé l’aidededifférents typesd’échantillonsobtenusen

creusantprofondémentdansdesglaciers,dessédimentsoulacroûtecontinentale.Nous

présenteronscertainsdesoutilsutiliséspourreconstruireleclimat.

1. LACIRCULATIONATMOSPHÉRIQUE

L’inégalitédel’incidenceausoldurayonnementsolaireselonleslatitudesetlesdiffé-

rencesd’albédogénèrentdesdifférencesdetempératureentrelesdifférentesrégions

duglobe.Cesdifférencesthermiquessontàl’originedescirculationsatmosphériqueet

océanique.Ainsi,onpeutdirequelescirculationsatmosphériqueetocéaniquevisentà

répartirl’énergiethermiquesurlasurfaceduglobeafindemenerauplusgranddegré

d’uniformitépossible,enaccordavecladeuxièmeloidelathermodynamique(l’entropie

maximale).Cemouvementallantdestropiquesauxhauteslatitudesseraitrelativement

simplesuruneterreuniformeetimmobile.Enréalité,larotationdelaTerre,donclaforce

deCoriolis,dunomdumathématicien françaisGaspardCoriolis (1792-1843),et les

facteursgéomorphologiques–l’alternancedecontinentsetd’océanset,àpluspetite

échelle,laprésencedemontagnes–influencentlesmouvementsdel’airetdel’eau.


1.1 La circulation latitudinale

Lafigure 1résumelacirculationatmosphérique.Onobservelaprésencedetroissystè-

mesdecirculationdistincts :lescellulesdeHadley,lescellulesdeFerreletlescellules

polaires,quisontaccompagnéesdeventsdistincts,dontlesalizés.

Figure1Circulation atmosphérique. Source : AdaptédeY.Kuster–MENRT.http://www.educnet.education.fr/obter/appliped/circula/theme/atmos32.htm

http://www.educnet.education.fr/obter/appliped/circula/theme/atmos32.htm

http://www.educnet.education.fr/obter/appliped/circula/theme/atmos32.htm


1.1.1 LescellulesdeHadley

LescellulesdeHadley(nomméesd’aprèsGeorgeHadley,1685-1768,juristeetmétéo-

rologueanglais)sontàl’originedelaprésencedezonestropicaleshumidesetdecel-

lulessèches.L’airchaudethumidequis’élèveau-dessusdelazonetropicaleautourde

l’équateur est générateur de précipitations constantes (figure 2). La zone nuageuse

au-dessusdel’équateurestappeléezonedeconvergenceintertropicale(ZCIT).Elleest

clairementvisiblesurdesphotossatellites(figure3)etsedéplacelégèrementselonles

saisons(figure4).Enremontant jusqu’à la troposphèreà15 kmd’altitude,cetairse

refroiditets’assècheàlasuitedelacondensationdel’humiditéetdesprécipitations.

Quandilredescendàdeslatitudessituéesautourde30degrés,cetairsecseréchauffe

aucontactducontinentchaudetemporteaveclui,dansunmouvementhorizontalvers

l’équateur,lavapeurd’eaucontenuedansl’air.Ceszonessontainsiconstammentmain-

tenuesdansunétatdesécheresseetcorrespondentauxceinturesdésertiquesdel’Asie,

del’Afriqueetdel’AmériqueduSud.

Laremontéed’airau-dessusdeszoneséquatorialescréeunezonedebassepression

(cyclonique), provoquant un « appel d’air » qui génère des vents convergeant vers

l’équateur,lesalizés(trade wind).Cesventsfontpartiedelacirculationdescellulesde

Hadley.Leszonesderetombéed’airsecautourde30 degrésdelatitudesontaucontraire

deszonesdehautepression(anticycloniques).

Les alizés sont empiriquement connus des marins depuis l’Antiquité. Pour atteindre

l’Amérique,lesnavigateursportugais,espagnols,italiens,françaisouanglaisemprun-

taientlarouteduSudensuivantlesalizés.Auretour,ilsempruntaientlarouteduNord,

en suivant les vents d’ouest et le courant du golfe. Les zones calmes équatoriales

(connuessouslenomdedoldrums)dépourvuesdeventsréguliersétaientcraintesdes

marins,carlesnavirespouvaientyresterimmobiliséspendantdessemainessousun

soleilbrûlant.


Figure2Circulation latitudinale dans les cellules de Hadley. Source : Adapté de educnet. http://www.educnet.education.fr/obter/appliped/circula/theme/atmo325.htm

Lesmouvementsd’air latérauxsuperposésauxmouvementsnord-sudsontdusà la

forcedeCoriolisquirésultedelarotationdelaTerreautourdesonaxe.Cetteforcefait

dévierchaqueparticuleenmouvementversladroite,dansl’hémisphèreNord,etvers

lagauche,dansl’hémisphèreSud.LaforcedeCoriolisestfaibleàpetiteéchelle.Elle

n’expliquepas,parexemple,lacirculationd’eaus’écoulantd’unebaignoire.Àgrande

échelle,elledevientcependantimportantepourdesmassesquisedéplacentsurde

grandesdistancestellesquelesmassesd’airetlescourantsocéaniques,dontilsera

questionplusloin.Ainsi,lesalizéstransportantl’airdeslatitudessubtropicalesautour

de30 degrésdelatitudeversl’équateursontdéviésversl’estdanslesdeuxhémisphè-

res(figure1).Lesventsd’ouestauxlatitudesmoyennesdemêmequelesventsd’est

auxhauteslatitudes,lescourants-jetssubtropicaux,situésdanslapartiehautedela

celluledeHadleyàlatropopause,etlecourant-jetpolaire,situésurlefrontpolaire,sont

déviésdelamêmemanièreparlaforcedeCoriolisetsontégalementsymétriquesdans

lesdeuxhémisphères.

Cheminée équatoriale

30° NORD 30° SUD0°

Basses pressionsPluie en toutes saisons

Équateur

Hautes pressionsSec en toutes saisons

Ceinture désertique



http://www.educnet.education.fr/obter/appliped/circula/theme/atmo325.htm

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Figure3Photographie satellite de la ZCIT.

La zone de convergence intertropicale est la ligne denuagesblancs.Source : NASA Earth Observatory. http://earthobservatory.nasa.gov/Newsroom/NewImages/Images/itcz_goes11_lrg.jpg

http://earthobservatory.nasa.gov/Newsroom/NewImages/Images/itcz_goes11_lrg.jpg

http://earthobservatory.nasa.gov/Newsroom/NewImages/Images/itcz_goes11_lrg.jpg


Figure4Zone de convergence intertropicale en été (rouge) et en hiver (bleu).

Lazonedeconvergence intertropicale (ZCIT)n’estpasparfaitementcirculaire,carelleestdéviéeparl’alternancedecontinentsetd’océans.Laplusgrandecapacitécalori-fiquedesocéansfaitensortequelatempératureyestmoinsélevéequesur lescontinentsdans leszones tropicalesensoleillées.Durantl’été,dansl’hémisphèreNord,laZCITsesitueplus loinaunordet inversementpendant l’hiveraustral.LedéplacementlatitudinaldelaZCITestàl’originedel’alternancedesaisonssèchesetdesaisonshumidesetdesmoussonsdanslespaysdelazonetropicale.Source : M.Halldin,Wikipédia.http://en.wikipedia.org/wiki/Image:ITCZ_january-july.png

1.1.2 LescellulesdeFerrel

Au-dessusdeszonestempéréesseformentdescellulesdecirculationsemblablesaux

cellulesdeHadley,appeléescellulesdeFerrelenhommageaumétéorologueaméricain

WilliamFerrel (1817-1891).LescellulesdeFerrel circulentdans lesens inversedes

cellulesdeHadleyetsontmoinsconstantes.Ellescomprennentuncourantascendant

autourde60 degrésdelatitudeetuncourantdescendantautourde30 degrésdelatitude.

Cheminée équatoriale

30° NORD 30° SUD0°

Basses pressionsPluie en toutes saisons

Équateur





http://en.wikipedia.org/wiki/Image:ITCZ_january-july.png

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Autourde60degrésdelatitude,l’airchaudtropicals’élèveprogressivementau-dessus

del’airpolaire,plusfroidetplusdense.Lazonederencontredesdeuxmassesd’airde

températurestrèsdifférentes–lefrontpolaire,situéentrelescellulesdeFerreletles

cellulespolaires,estunezonedefortséchangesd’énergie,entreautresàtravers le

courant-jetpolaireetlevortexpolaire.

1.1.3 Lescellulespolaires

Lacellulepolaireestforméed’uneremontéed’airrelativementchaudau-dessusdela

zoneautourdu60degrésdelatitude.Cetairserefroiditetredescendau-dessusdespôles

(90 degrésdelatitude)etsedirigeensuiteverslesplusbasseslatitudes.Cemouvement

estaccompagnédeventsd’estpolairesdans labassetroposphère.Dans larégionà

chevalentrelahautetroposphèreetlabassestratosphères’installe,particulièrementen

hiver,unvortexcycloniquepuissant,auseinduquellesventsatteignentjusqu’à360 km.h-1.

Levortexestparticulièrementstableau-dessusdel’Antarctiqueàcausedel’absencede

massescontinentales.Lacirculationd’airdanslesvortexs’effectuedanslesensantiho-

rairedansl’hémisphèreNordetdanslesenshorairedansl’hémisphèreSud.L’origine

desvortexpolairesestlemouvementd’airenhautealtitudeverslecentredeszonesde

bassepressionau-dessusdespôles,lequelestdéviéparlaforcedeCoriolis,créantun

mouvementcirculaireperpendiculaireausensdedéplacementdel’air.

Lepiégeaged’airau-dessusdesrégionspolairesetdanslesvortexestentreautresà

l’originedel’effetdel’accumulationdecomposésatmosphériquesdivers.L’accumulation

dechlorofluorocarbones (CFC)etdecertainsautrescomposésest responsablede la

formationdutroud’ozoneau-dessusdelazoneantarctique,pourtantloindessources

d’émissiondecesgazenEuropeetenAmériqueduNord.L’effetdu« doigtfroid »(cold-

finger effect)expliqueaussiletransportetl’accumulationdepolluantsatmosphériques

vers les zones polaires de sorte que, paradoxalement, les Inuits sont les habitants

d’AmériqueduNordlesplusexposésauxsubstancestoxiquespersistantes(métauxlourds,

polluantsorganiquespersistants)alorsqu’ilssesituentloindessourcesd’émission.


1.2 La circulation longitudinale

L’alternancedecontinentsetd’océansetlacapacitécalorifiquedifférentedecesdeux

milieuxfontqu’àlatitudeégale,latempératuren’estpasuniformeautourdelaTerre.Les

océansseréchauffentetserefroidissentpluslentementquelescontinents.Lerésultat

decegradientdechaleurestuntransfertcalorifiquepardessystèmesdecirculation

latitudinaux.

1.2.1 Lesventsthermiques

Leprincipedelabrisethermique(figure5)estbienconnudesmarinsentantquevent

solairequisouffleverslaTerrelematinetversl’océanlesoir.Laraisonenestsimplement

ladifférencedecapacitéthermiquedesdeuxmilieux.Lacapacitéthermiquedel’eau

étantnettementsupérieure,l’océanemmagasineplusdechaleurquelaTerre,touten

seréchauffantmoinsdurantlejour,maisresteàtempératureconstantedurantlanuit.

LaTerre,quantàelle,serefroiditrapidementdèsl’arrêtdurayonnementsolaire.Levent

solairesouffledesrégionsàtempératuremoinsélevéeverscellesàtempératureplus

élevéepuisquel’airpluschaud,ens’élevant,créeun« vide »au-dessusdelazone

chaudeetunappeld’airdelazonefroide,oùl’airestplusdense.

Figure5Principe du vent solaire (brise thermique).Source : Beltrando,2004.

brise de mer

jour

vent froid

vent chaud

brise de terre

nuit vent froid

vent chaud


1.2.2 LescellulesdeWalker

LescellulesdeWalker(enl’honneurdeSirGilbertWalker,1868-1958,physicienanglais

àquil’ondoitladécouvertedel’oscillationaustrale)etlacirculationlongitudinale,c’est-à-

diredansl’axeest-ouest,reposesurleprincipeduventthermique,maisàdeséchelles

spatialeset temporellesplusgrandes.L’airs’élèveau-dessusduPacifiqueOuest,plus

chaud,etredescendau-dessusduPacifiqueEst,plusfroid(figure6).L’airsedéplaçant

d’estenouestau-dessusdel’océanestdéviéverslenord.Laremontéed’airchaudet

humidedanslapartieouestycréeunclimathumidetandisquelaretombéed’airfroidet

sec créeun climatplusarideet fraisdans lapartieest duPacifique, sur la côtede

l’AmériqueduSud.Leventd’ouestsoufflantaulargedelacôtedel’AmériqueduSudcrée

unmouvementd’eaudesurfaceverslelarge(transportd’Ekman),cequipermetàl’eau

profonde, froideet richeennutrimentsde remonterà la surfacedansdesupwelling

(remontéed’eau profonde).CetteeauestincorporéeaucourantdeHumboldtetestgarante

despêchesabondanteslelongdescôtesduChilietduPérou.

UndérèglementrécurrentdelacelluledeWalkerestàl’origineduphénomèneElNiño,

caractérisépardessécheressesdanslePacifiqueOuest,desinondationsetunréchauf-

fementdanslePacifiqueEst,ainsiqueparuneinterruptiondel’upwelling aulargedela

côtedel’AmériqueduSud.Durantlapériode1861-2000,lacirculationdanslacellulede

Walkerafaiblienmoyennede3,5 %.Celacorrespondauxrésultatsdesmodèlesclima-

tiques,incluantl’effetdesgazàeffetdeserre,quiprovoquentuneaugmentationdela

vapeurdansl’atmosphère(Vecchiet al.,2006).LacirculationdanslacelluledeWalker

pourraitfaiblirde10 %deplusd’ici2100,réduisantlescourantsocéaniquesdesurface

de20 %etaugmentantpossiblementlafréquenceetlasévéritédesépisodesElNiño.


Figure 6Cellule de Walker.

C : remontéed’airchaudjusqu’à1000 m.L’humiditésetransformedepluie.

A : redescented’airfraisetsec.B : ventsdesurfacecréentuneaccumulationd’eaudu

côtéouestduPacifique.EnmodeElNiño,lacelluleralentit,causantundéficitdeprécipitationsenCetunsurcroîtdeprécipitationsenAainsiquel’affaiblissementdel’upwelling enA.Source : adaptédeGabrielA.Vecchi,NOAAGeophysicalFluidDynamicsLaboratory.

2. LACIRCULATIONOCÉANIQUE

2.1 La circulation thermohaline

Lesocéansjouentunrôleparticulièrementimportantdanslarégulationduclimat.Ils

agissentcommeunimmenseréservoirdechaleuretredistribuent lachaleurdansle

tempsetdansl’espace.Lacapacitécalorifiquedel’océan,c’est-à-direlafacultédel’eau

d’absorberlachaleur,esteneffetbiensupérieureàcelledel’atmosphèreetdesconti-

nents. Les 2,5 premiers mètres de l’océan contiennent autant de chaleur (d’énergie

thermique)quetoutel’atmosphèreau-dessusd’eux.Ainsi,lachaleurexcessiveprésente

dansl’atmosphèrepeutêtretransféréeàl’océanet,inversement,l’océanpeutrestituer

delachaleuremmagasinéeencasderefroidissementdel’atmosphère.Letransfertde

Asie Amérique du Nord

Australie


chaleurs’effectueengrandepartielorsdel’évaporation,quiprovoqueunrefroidissement

(comme lorsqu’onse frotte lesmainsavecde l’alcool).L‘énergieainsi transféréeest

appeléelachaleurlatente.

Lachaleurlatentedansl’Atlantiqueau-dessusduGulfStreamestde160 W.m-2,compa-

rativementà20 W.m-2dans lazonedésertiqueduSahara.Cettechaleur latenteest

restituéelorsdelaprécipitationdel’eauévaporée.Letransfertdechaleurn’estcependant

pasinstantané,ilreprésenteaucontraireunprocessuscomplexeenlienaveclastrati-

ficationdel’océanetlacirculationthermohaline(Stommel,1961).Cettecirculationde

massesd’eauàl’échelleplanétaire(figure 7)estgénéréepardesdifférencesdetem-

pératureetdesalinitéauseindel’océan,d’oùlenomdecirculationthermohaline,dérivé

desmotsgrecsthermos (température)ethal(sel).

Figure7Boucle de convoyage.

Rouge :courantsdesurfacechauds.Bleu :courantsdefondfroids.Lestroisprincipauxlieuxdelaformationd’eauprofondesontindiquéspardesrondsclairs.Source :IPCC.

Formation d'eau profonde

Pompe de la Mer du Labrador

Pompe de la Mer d'Islande

Pompe de la Mer de Weddel

OcéanAtlantique

OcéanIndien

OcéanPacifique

Formation d'eau profonde

Courants desurface chauds

Courants desurface froids


Lemoteurdecettecirculationàlafoisverticaleethorizontaleestladensitédel’eau,qui

augmenteavec lasalinitéetdécroîtavec la température.Ainsi, lorsque l’eauchaude

remontedugolfeduMexique,oùl’évaporationl’aenrichieensel,verslesrégionspolai-

resdel’AtlantiqueNord,elleserefroiditetsadensitéaugmente.Àcausedesasalinité

élevée,elledevientfinalementplusdensequel’eaudesurfacedel’AtlantiqueNordet

plongeenprofondeur,jusqu’àenviron2000ou3000 mètres(figure 8).Cesdownwelling

ouplongéesd’eaumenantlaformationd’eauxprofondess’effectuenten deraresendroits

àlasurfacedelaTerre,principalementdanslesdeux« pompes »del’AtlantiqueNord

(unedansledétroitduLabradoretuneaulargedel’Islande),ainsiquedanscelledela

merdeWeddelenAntarctique.

Figure8Formation d’eau profonde.

Lecourantchaudetsalin(àcausedel’évaporationdansle golfe du Mexique) en provenance des tropiques serefroiditaucontactdel’airpolaireetgagneendensité.Sasalinitéaugmenteencorelorsdelaformationdeglacedemerenhiver,puisquecelle-cin’incorporequel’eauetnonle sel. L’eau devient alors assez dense pour plongerjusqu’à2000à3500 mètres.Ledébitdesdeuxpompesdans l’Atlantique Nord est de 0,2-0,3 Sv (200 000 à300 000m3/s),unechuted’eaude3000 mètresdepro-fondeuretplusdecentfoisledébitdeschutesduNiagaraetsupérieuràceluidel’Amazone(180 000m3/s).Dansla« pompe »duLabrador,lemélangeverticalestplutôtdû

Gulf Stream

25 °C

Formation de glace de mer en hiver

N

SAccumulation de sel

T = 3 °C, S > 34,9

4000 m

Eaux intermédiairesT 3 - 5 °CS 34,2 - 24,4


au refroidissement des eaux de surface par les ventsfroids.L’eaudesurfaceserefroiditjusqu’àdeveniraussidensequel’eauà2000mètresdeprofondeur.Desméca-nismessemblablessontàl’œuvredanslaformationd’eauprofondeenAntarctique,maiscetteeauestencoreplusfroideetbienquelégèrementmoinssaléeplusdensequel’eauprofondedel’AtlantiqueNord.L’eauprofondeantarc-tiques’écouledoncendessousdel’eauprofondenord-atlantique,à4000 mètresdeprofondeur.

Lesdeuxpompesdel’AtlantiqueNordsontle« pointdedépart »d’unegrandecirculation

océaniqued’uneduréedel’ordredumillénaire(figure 7).Eneffet,unefoisarrivéesau

fonddel’océan,ceseauxsedirigentverslesuddansdescourantsdefondfroidsqui

cheminentversl’AtlantiqueSudetlePacifiquepourreveniràlasurfacequelquessiècles

plustarddansplusieurslieuxd’upwellingdansl’océanIndienetl’océanPacifique.La

localisationdecesupwellingestmoinsprécisequecelledesdownwellingdel’Atlantique

Nord.Laremontéedel’eauestaccompagnéed’undégazaged’unepartieduCO2contenu

dansleseauxprofondeslorsqueleurtempératureaugmenteetleurpressiondiminue,

cequiréduitlasolubilitéduCO2.Parlasuite,leseauxremontéesàlasurfacesuivent

lescourantsdesurface,régisparlesventsdominants,pourreprendrecontinuellement

lemêmetrajet.

La boucle de convoyage crée une connexion entre la circulation thermohaline (les

up wellingetdownwelling)etlescourantsdesurface,musparlesvents.Ils’agitdonc

d’unemécaniquecomplexe forméedeplusieurséléments imbriqués,maisenpartie

indépendants.LeGulfStreamquiamènel’eauchaudeetsaléedugolfeduMexiquevers

l’Atlantiquenedépendquedesventsdominantsetnondelaprésencedesdownwelling

dans l’AtlantiqueNord. Il faitpartied’ungrandgyreocéaniquetournantdans lesens

horaire(figure9).D’aprèslesobservations(Brydenet al.,2005),l’affaiblissementactuel

delaformationd’eauprofondes’accompagned’unrenforcementducourantnord-sud

del’Atlantiqueoriental.Aulieudeplongerenprofondeur,l’eauducourantdugolfese

dirigedoncpardescourantsdesurface.


Figure 9Courants de surface de l’océan. Rouge :courantschauds,bleu :courantsfroids,noir :schéma-tisationdesgyres.Dansl’hémisphèreNord,lescourantsformentdesgyresdanslesenshoraire,etantihorairedansl’hémisphèreSud,commeconséquencedesventsdominantssoumisàlaforcede Coriolis. Dans un système fermé, comme le gyre nord-atlantique, l’eaudans lecourantestdéviéevers l’intérieurdugyre,provoquantuneaccumulationd’eauaucentredugyre.Lescourantsd’ouest(GulfStream140 Sv,Kuroshio65 Sv,Agulhas110 Sv,Brésil65 Sv,AustralieEst15 Sv)sontchauds,générale-mentétroits,profondsetpuissants,lescourantsd’est(Canaries,Californie,Pérou [Humboldt],Benguela,AustralieOuest) sontfroids,moinsrapides,plusdiffusetaccompagnésd’upwellingcostaux.Laraisondesupwellingrésidedanslesventsdominantsetlescourantsmarinsqui,partransportd’Ekman,dirigentl’eauverslelarge,cequipermetàl’eauprofondederemonteràlasurface.Lesupwelling sontdeslieuxdeproductivitébiologiqueintense,carleseauxprofondessontchargéesennutriments.Lescinqprincipauxupwellingdumonde(Pérou,Californie,Maroc,Angola,AustralieOuest)représentent0,1 %delasurfacedesocéans,mais44,5 %despêchesmondiales.Dansl’océanIndien,lesensdugyredépenddessaisons.Denovembreàmars,ilestantihoraire,demai à septembre, horaireavecuncourantdeSomaliedéveloppé.Laraisonestledéplacementdelazonedeconvergenceintertropicale,plusverslesuddenovembreàmarsetplusverslenorddemaiseptembre.

Source : AdaptédeUcar.http://www.windows.ucar.edu/tour/link=/earth/Water/images/Surface_currents_jpg_image.html

Alaska

Pacifique Nord

Californie

Contre-courant équatorialContre-courant équatorial

Contre-courant équatorialSud équatorial Sud équatorial

Sud équatorial

Aiguilles Ouest-australien Est-australien

Indien Sud

Somalie

Brésil

Atlantique Sud

BenguelaHumboldt (Pérou)

Pacifique Sud

Circumpolaire Circumpolaire CircumpolairePacifique Sud

Antarctique subpolaire Antarctique subpolaire

Nord équatorialNord équatorial

Nord équatorialContre-courant équatorial

Sud équatorial

Nord équatorial

Kuroshio

Pacifique Nord

Oyashio

Labrador

Groenland oriental

Irminger

Dérive Nord-Atlantique

Dérive Nord-Atlantique

Gulf StreamCanaries

http://www.windows.ucar.edu/tour/link=/earth/Water/images/Surface_currents_jpg_image.html

http://www.windows.ucar.edu/tour/link=/earth/Water/images/Surface_currents_jpg_image.html


2.2 Le rôle de la circulation thermohaline dans la régulation du climat

Lacirculationthermohalineetlaboucledeconvoyageinterviennentdeplusieursfaçons

danslarégulationduclimat.

Premièrement,ellestransportentunequantitédechaleurimportantedusudverslenord,

équivalenteàcelletransportéeparl’atmosphère.Delàvientl’inquiétudedesconséquen-

cespotentiellesd’unralentissementdelaboucledeconvoyageàlasuitedeschange-

mentsclimatiques,surtoutenEurope,versoùlesventsdominantstransportentcette

chaleur(entreautresàtraverslachaleurlatente).

Deuxièmement,ellescontribuentàrégulerlatempératuresurdeséchellesdetemps

pluslongues.L’eaupossèdeunecapacitécalorifiquebiensupérieureàl’air.Lorsquela

températuredel’atmosphèrechange,lacouchedesurfacedel’océan,mélangéepar

lesvaguesetlaconvection,rétablitl’équilibrethermiquerapidement(environunedécen-

nie)par transportconvectifdechaleur.Le transportdiffusifdechaleurvers leseaux

profondesestbeaucouppluslent.Ladiffusiondechaleurversleseauxprofondess’ef-

fectuedoncprincipalementàtraverslacirculationthermohaline,quiacheminel’eaude

surfaceverslefondetramènel’eaudefond–quiportelasignaturethermiquedumoment

desaplongéeilyaunmillénaire–verslasurface.

Troisièmement,ellescontribuentégalementàrégulerlesconcentrationsdeCO2atmo-

sphériques.Leseauxfroidesquiplongentenprofondeurdansleszonespolairessont

trèschargéesenCO2,puisquelasolubilitédesgazestplusélevéedansl’eaufroideque

dans l’eauchaude.LaconcentrationenCO2étantproportionnelleà laconcentration

atmosphérique,unequantitéplusimportantedeCO2serasoustraitedel’atmosphèreet

acheminéeverslefonddel’océanquandlaconcentrationdeCO2atmosphériqueest

élevéeque lorsdepériodesoùelleest faible.Leproblèmedecemécanismeréside

cependantdansladépendancedelasolubilitéduCO2parrapportàlatempérature.En

effet, lasolubilitéduCO2diminueavec la température.Puisque l’augmentationde la

concentrationdeCO2atmosphériqueprovoqueunréchauffementdel’atmosphèreetde

lasurfacedel’océan,celui-cipeutsoustrairedemoinsenmoinsdeCO2àl’atmosphère.

Noussommesdoncenprésenced’unebouclederétroactionpositive,c’est-à-dired’un

mécanismederenforcement,quiapuêtreenœuvrelorsdescyclesglaciaires,contri-

buant à la corrélation entre le CO2 et la température observée durant les dernières

centainesdemilliersd’années.


L’interactionn’estcependantpassisimplequecelapuisquedeschangementsdetem-

pératureatmosphériquepeuventchangerl’intensitédelacirculationthermohaline.Cela

s’estproduitàplusieursreprisesdurantlesdernièresglaciations.

2.3 Les variations de la circulation thermohaline dans le passé

Lesinterruptionsoulesralentissementsdelaboucledeconvoyagedurantladernière

glaciation sont associés à deux types d’événements, les événements d’Heinrich

(Heinrichet al.,1993)etceuxdeDansgaard-Oeschger(Dansgaardet al.,1993).

Les événements d’Heinrich consistent en une brusque interruption de la circulation

thermohaline,accompagnéed’unrefroidissementdeplusieursdegrés.Cesévénements

peuventêtre identifiésgrâceàdescouchessédimentairesdedébris terrestresdans

l’océanAtlantique.Cesdébrisontcommeorigineunrelargagemassifd’icebergs,d’en-

viron2 %descalottesglaciaires, lorsquecelles-cis’étendaienttroploindansl’océan

durant lesglaciations,devenantainsi instables.La fontedeces icebergsdiminua la

salinitédeseauxdesurfacedel’AtlantiqueNordetmenaàuneinterruptiondelacircu-

lationthermohaline.Cesévénementsseproduisirenttousles7000à10 000 ansdurant

despériodesfroides,marquantlafind’uncycled’oscillationdetempérature,appelécycle

deBond(Bondet al.,1992).Lerefroidissementfutrapide,prenantmoinsde200 ans.

Lapériodefroidequis’ensuivitperduradequelquescentainesàdeuxmilliersd’années

etfutsuivied’unréchauffementégalementrapide(environ200 ans).

LesoscillationsdeDansgaard-Oeschgersontdesoscillationsdetempératured’unepériode

pluscourte,c’est-à-direde2000à3000 ans.Ellesontétéidentifiéesparlespaléoclima-

tologistesWilliDansgaardetHansOeschgerdanslesglacesduGroenland,maisnondans

cellesdel’Antarctique.Lespériodeschaudes,àmi-cheminentrelestempératuresactuel-

lesetleminimumglaciaire,sontassociéesàdestempératuresdesurfaceocéaniqueplus

élevéesetàlaprésenced’uneconvectiondanslamerduGroenland(Norvège).Lesépi-

sodesfroids,quantàeux,sontcaractériséspardestempératuresdesurfaceocéanique

moinsélevées,parunesalinitéréduiteetparl’absencedeconvectionverticale.Leréchauf-

fementau-dessusduGroenlandasouventétéextrêmement rapide, jusqu’à10 oCen

quelquesdécennies.Contrairementauxévénementsd’Heinrich,souventassociésà la

débâcled’icebergsenprovenancede la calotte laurentienne (AmériqueduNord), les

oscillationsdeDansgaard-Oeschger seraientprovenuesd’unedébâclepartiellede la


calotteglaciairefenno-scandinave(EuropeduNord),pluspetite,maispossiblementen

étatd’instabilitéàdesintervallesplusrapprochés(Groussetet al.,2000).Leréchauffement

rapidelorsdesoscillationsdeDansgaard-Oeschgerpeutaussiavoirétéprovoquéparun

déplacementverslenorddusitedeformationd’eauprofondeetdoncd’intrusiond’eau

chaudetropicaledanscesrégions,possiblementinitiépardespetitschangementsd’en-

soleillementayantungrandeffetsuruncourantatlantiqueinstabledurantcettepériode

(GanopolskietRahmstorf,2001).

L’AtlantiqueNordpossèdeplusieursmodesdecirculation,entrelesquelsilpeuttransiter

rapidement,souscertainesconditions.Celacausenaturellementdes inquiétudesen

présenceduréchauffementclimatiqueactuelquiestaccompagnéd’unefontedeglaciers,

surtoutauGroenlandetd’unapportd’eaudoucedanscetterégioncritiquepourleclimat

mondial (GanopolskietRahmstorf,2001;Broeckeret al.,1985).Lesmodesdecirculation

dansl’AtlantiqueNordidentifiésvarientselonlesauteurs.Lesmodesdecirculationles

plussouventdécritssontlessuivants.

• Uneformationd’eauprofondedanslesmersd’Islande,duGroenlandetdeNorvège

etlacirculationthermohalineforte.Cemodecorrespondauxconditionschaudes

actuellesinchangéesdepuis10 000 ans.

• Uneabsencequasi totaledeformationd’eauprofondedans l’AtlantiqueNordet

l’interruption de la circulation thermohaline. Ce mode prévalait lors des phases

froidesdesoscillationsDansgaard-Oeschger.

• Uneformationd’eauprofondeaunorddel’Islande,doncplusloinaunordqu’ac-

tuellement.Cetétatinstablecorrespondauxphaseschaudesdesoscillationsde

Dansgaard-Oeschger.

• Uneformationd’eauprofondedansl’AtlantiqueNordoudanslamerduLabrador,mais

pasdanslamerd’Islande,etunaffaiblissementetundéplacementdelacirculation

thermohalinevers lesud.Cemodeprévalait lorsdesévénementsd’Heinrich.Une

formationd’eauprofondeausuddel’AtlantiqueNordoudansl’océanAustralestpos-

sible,quiapuentraînerunréchauffementdecertainesrégionsdel’AtlantiqueSud.

L’importancedescourantsocéaniquessignifieaussiquelesclimatsdepériodeslointai-

nes,lorsquelescontinentsétaientorganisésautrementàlasurfaceduglobe,différaient

deceuxobservésaujourd’hui.Parexemple,avantlafermeturedel’isthmedePanama,

ilyatroismillionsd’années,iln’yavaitpasdeformationd’eauprofondedansl’Atlantique

Nord,nideboucledeconvoyage.LetransportdechaleurdugolfeduMexiqueversle


nordétaitdoncplusfaiblequedenosjoursetl’AtlantiqueNordplusfroidqu’aujourd’hui,

l’AtlantiqueSud,aucontraire,pluschaud.La fermeturedecet isthmeaempêché le

mélangedeseauxatlantiquessaléesetdeseauxpacifiques,moinssalées,etapermis

àungradientdesalinitédes’établirentrecesdeuxocéans, lequelestultimementà

l’originedelacirculationthermohaline.

2.4 Le Dryas récent

Unexemplesingulierdechangementclimatique,trèsdiscutéenocéanographieeten

climatologie,eut lieuà la finde ladernièreglaciation.Alorsque ladéglaciationétait

amorcéedepuis4000 ans,ilseproduisit,vers11 000 ans,unesoudaineetrapide(de

l’ordred’uneoudequelquesdécennies)avancéedesglaciersenreculdepuisdesmil-

lénaires.Lesvestigesdepollensfossilesindiquentquelatempératuredel’Europechuta

de5 oCaumêmemoment.L’originedecerefroidissementspectaculairedansl’Atlantique

Nordestunarrêtsoudainde laboucledeconvoyage,provoquéparunaffluxmassif

d’eaudouce,entravantlemécanismedeformationd’eauprofonde.

LeDryasrécentestnomméd’aprèsunefleurboréale,laDryas octopetala,quis’étendit

surtoutelaScandinaviedurantlapériodedefroid.IlyeutaussiunDryasancien,moins

important,ainsiqu’unrefroidissementmoinsimportant,de5à6 oCsurleGroenland,ily

a8000 ans.LechangementbrusquederégimesthermiquesdurantleDryasrécentsou-

lèvelaquestiondelapossibilitéd’undérèglementdelaformationd’eauprofondedans

l’AtlantiqueNordetdoncdelaboucledeconvoyageetdusystèmeclimatiqueenentier.

Ilaété longtempsspéculéque lebasculementdeseauxd’écoulementde lacalotte

glaciaire laurentienneduMississippivers leSaint-Laurent,notammentcauséparun

écoulement rapidedu lacAgassiz, lacglaciaireaujourd’huidisparu,auraitacheminé

toutecetteeaudefonteprèsdeszonescritiquesdeformationd’eauprofonde(Rooth,

1982).Destracessédimentairesd’unerapidebaisseduniveaudulacAgassizontété

trouvées(TelleretThorliefson,1983).Enparallèle,lessédimentsdugolfeduMexique

indiquentunediminutiondel’apportd’eaudouce,caractériséeparunefaiblesignature

isotopique18O,enprovenanceduMississippi (Broeckeret al.,1989).Cependant, les

tracessédimentairesdansleSaint-Laurentneconcordentpasaveccettehypothèse(De

Vernal,1996).


L’eaudouceauraitaussipuprovenirdelafontedesnombreuxicebergsdétachésdela

calotte glaciaire laurentienne, en pleine désintégration (Tarasov et Peltier, 2005), ou

encoredel’océanArctique,dontlatopographieavaitchangéàlasuitedel’élévationdu

niveaude lamerà la fontedes calottesglaciaires (Voituriez, 2006).Cemécanisme

s’apparenteàceluiprésumélorsdesévénementsd’Heinrich.Leretourversunclimat

chauds’effectuaégalementtrèsrapidement,peut-êtreencinquanteans.

Cechangementclimatiquebrusque,d’uneduréede1300±70 ans,unépisodetrèscourt

àl’échellegéologique,maislongàl’échellehumaine,aeusanslemoindredoutedes

impacts profonds sur les populations humaines du paléolithique. Il coïncide avec la

« révolution néolithique », soit l’invention de l’agriculture dans le croissant fertile au

Moyen-Orient,quis’estconsidérablementasséchédurantleDryasrécent,etladispari-

tiondelaculturedeClovisenAmériqueduNordenmêmetempsquecelledugrosgibier

(mammouth,cheval,etc.).

3. LESCYCLESCLIMATIQUES

3.1 Les cycles climatiques à long terme

Commel’expliqueNathalieBarettedanssonarticle« Contrôlesnaturelsduclimat »,la

théorie de Milankovitch a permis de comprendre comment des changements dans

l’orbiteterrestrepeuventêtreàl’originedescyclesdeglaciation.Commenousl’avons

vuprécédemment,lesvariationsd’insolationsontamplifiéesparlesmécanismesclima-

tiquesetprincipalementparlarétroactionavecleCO2(figure 10).L’albédodelaglace

descalottesglaciairesetdesbanquisesjoueégalementunrôlederétroactionpositive.

Lacouverturedeglaceplusétenduelorsdespériodesfroidesréfléchituneplusgrande

fraction du rayonnement incident, comparé aux continents et à l’eau libre de glace

prévalantlorsdespériodeschaudes.


Figure10Correspondance entre la température et le CO2 à travers plusieurs cycles glaciaires (cycles de Milankovitch de 10 0000 ans). Source : Ducroux,2004.

3.2 Les cycles à court terme et les oscillations climatiques

Plusieurscyclesàcourttermeimpliquantl’atmosphèreetl’océandansl’AtlantiqueNord

(NAO),lePacifiqueSud-Ouest(ElNiño),l’océanIndien(oscillationaustrale)influencent

le climat régional des régions limitrophes, àdes intervallesplusoumoins réguliers,

parfoisdemanièredramatiquepourlespopulationsconcernées.Lesmécanismesqui

régissent ces oscillations sont complexes et restent encore partiellement incompris,

malgrélesavancéesdelasciencequipermettentmaintenantparexempledeprédire

lesépisodesmajeursd’ElNiño(Caneet al.,1986;BarnstonetRopelewski,1992;Chen

et al.,1999;2004).Cesphénomènessemanifestentsurtoutàl’échellerégionale,mais

sontenvéritéconnectéssurdelonguesdistances.Laprésencedeces« téléconnexions »

rendladynamiqueclimatiquepluscomplexeetdifficileàreproduiredanslesmodèles.

Con

cent

ratio

n at

mos

phér

ique

en

CO

2 (p

pm)

Con

cent

ratio

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(ppb

)

Éca

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à la

tem

péra

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(ºC

)

Concentration atmosphérique en CO2

Concentration atmosphérique en méthane

-400 000 -300 000 -200 000 -100 000 Aujourd'hui

Température en Antarctique

325

300

275

250

225

200

175

800

700

600

500

400

300

4

0

-4

-8

Années


NousavonsexpliquéprécédemmentlephénomèneElNiñodanslasectionsurlescel-

lulesdeWalker.IlétaitdéjàconnudesIncas,quis’yétaientadaptés,parexempleen

installantdesdispositifsdesécuritésurleursréseauxdecanauxetd’aqueducspour

prévenirleurendommagementàlasuitedespluiestorrentiellesetdesinondationsqui

accompagnentElNiño(VoituriezetJacques,1999).Plusrécemment,lephénomèneEl

Niñoaété« découvert »parlascience,en1891,grâceàlaSociétégéographiquede

Lima,auPérou,quis’inquiétaitdespluiesdiluviennesetdesinondations,sévissantde

févrieràavril,etobservaitleurscoïncidencesaveclaprésenced’eauxchaudeslelong

delacôte.

Lenomd’ElNiño,quifaitréférenceàl’enfantdeNoël,provientducourantcôtierchaud

quiapporterégulièrementde l’humiditéetdesprécipitationsautourde lapériodede

Noël.Lesarchivesespagnolesrévèlentlaprésencededixépisodessimilairesaucours

dusiècleprécédent.LephénomèneElNiñodureenviron18 moisetestparfoissuivid’un

épisodeLaNiñaauxcaractéristiquesinverses.

LephénomèneElNiñoestliéàl’oscillationaustrale.Lesdeuxsontmaintenantconsidérés

commeunseulphénomène,ENSOouElNiñoSouthernOscillation.Ilyalongtempsque

lelienentreElNiñoetl’oscillationaustraleaétéobservé.Ainsi,lacoïncidenceentreune

périodedehautepressionetd’affaiblissementdelamoussonenIndeen1877avecune

sécheressedansleNordesteauBrésiletuneannéeElNiñopluvieuse,auPérouavait

déjàmisenévidencelelienentrecesdeuxphénomènes(VoituriezetJacques,1999).

Aucoursd’unépisodeElNiño,larégionduPacifiqueoccidentalsubitdessécheresses

exceptionnellesaccompagnéesd’incendies,particulièrementdanslesforêtsindonésien-

nes.Lacôteouestdel’AmériqueduSudconnaîtaucontrairedesinondations,surtout

danslespentesabruptesdesAndes.Lespressionsélevéesau-dessusdel’océanIndien

inhibentlesmoussons,entraînantdesproblèmespourlesagriculteurs.Laréductiondes

alizésinhibeaussil’upwellingcôtieraulargeduChiliavecdesconséquencesécologi-

quesetéconomiquesconsidérables,commeentémoignel’effondrementdesstocksde

poissons,enparticulierdesanchois,aucoursdecertainesannéesElNiño,parexemple

en1973,en1982-1983eten1997-1998(figure 11).L’influenced’ElNiñon’estpaslimitée

aux régions limitrophes,maiss’étendàdes régionséloignées,puisque lapluviosité,

l’agriculture,lesressourceshalieutiquesenAfriqueouenAsiepeuventêtreaffectées.


Figure11Pêches d’anchois dans le Pacifique Sud (ligne noire) et pluies entre 1970 et 1988 dans les Îles de Noël (colonnes bleues).

Les flèches rouges correspondent aux années El Niño(coefficientSOI<-10).LesannéesElNiño1972,1976,1982 et 1987, précédant des effondrements de pêchesontaussidesannéesdepluiesexceptionnelles.Source : D’aprèsdesdonnéesdeprécipitationsdanslePacifiquecentralde Edit-Design Centre. http://www.atmos.washington.edu/gcg/RTN/Figures/RTN10.html, les données de pêche de http://www.io-warnemuende.de/forum/alheit/images/abb4.gif,lesdonnéesdeSIOduAustralianBureauofMeteorologyhttp://www.bom.gov.au/climate/ahead/soirain.shtml

14 000

12 000

10 000

8 000

6 000

4 000

2 000

0

50

40

30

20

10

0

1950 1960 1970 1980 1990 2000

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pluie (po)

Années

http://www.atmos.washington.edu/gcg/RTN/Figures/RTN10.html

http://www.atmos.washington.edu/gcg/RTN/Figures/RTN10.html

http://www.io-warnemuende.de/forum/alheit/images/abb4.gif

http://www.io-warnemuende.de/forum/alheit/images/abb4.gif

http://www.bom.gov.au/climate/ahead/soirain.shtml

http://www.bom.gov.au/climate/ahead/soirain.shtml


Dansl’AtlantiqueNord,ilexisteuneautreoscillationquiestmesuréeparl’indexd’oscilla-

tionnord-atlantique(NAO).Cetindexestdéfinicommelegradientdepressionentrela

dépressiond’Islandeetl’anticyclonedesAçores,deuxentitésmétéorologiquesperma-

nentesetdontl’intensitécovariegénéralement.Lavariationdecetindexestliéeàdes

changementsdevents,declimatsetdezonesd’humiditédanstoutl’AtlantiqueNord.

QuandlegradientNAOestélevé,lesventsd’ouestau-dessusdel’AtlantiqueNordsont

fortsetapportentdel’airhumideetchaudsurl’Europe.Danslecascontraire,lesvents

d’ouestsoufflentplusausud,transportantl’humiditésurlesuddel’Europe.L’Europedu

Nordsubitalorsdespériodesdefroidàmesurequelesmassesd’airarctiquepeuvent

descendreplusloinverslesud.Durantlespériodesd’indiceNAOélevé,lesalizéssont

égalementforts,transportantdusableduSaharaàtraversl’Atlantique.Durantdespério-

desd’indiceNAOpeuélevé,lesalizéssontaucontrairefaiblesetl’ouestdel’Afriqueest

pluschaud,n’étantpasrafraîchiparlesalizésvenantdunord-est.

4. L’ÉVOLUTIONDUCLIMATÀL’ÉCHELLEGÉOLOGIQUE

Aucoursdel’histoiredesdeuxderniersmilliardsd’années,leclimatabasculéentredes

époques« serre »etdesépoques« congélateur »,latempératuremoyennedelaTerre

variantentre12 oCet22 oC.Latempératured’aujourd’huinousplacedansunepériode

« congélateur ».Plusonremontedanslepassé,plusilestdifficilederendrecomptedes

conditionsquirégnaientsurlaTerre,puisquetouteslesinformationssurlestempératu-

resousurlacompositiondel’atmosphèredoiventêtredéduitesàpartird’indicesgéo-

logiquesindirects.

LesvariationsdeCO2nesontpassystématiquementreliéesauxchangementsdetem-

pératurepuisquesurdespériodesaussi longues, il fautaussiprendreencompte la

dérivedescontinentsetl’activitésolaire.Ainsi,uneabsencedemassescontinentales

auxpôlesnepermetpaslaformationdecalottesglaciairesetréchauffeleclimattandis

quelaprésencedegrandessuperficiesocéaniquesfavoriselacirculationocéaniqueet,

ainsi,laredistributiondechaleur.LaconstantesolaireàlaformationdelaTerren’était

que70 %desavaleuractuelle.Latempératurenéanmoinsélevéelorsdespériodes

initialesdelaformationdelaTerres’expliqueparlaprésencedeCO2etdeCH4àdes


concentrationsnettementsupérieuresàcellesd’aujourd’hui.Desthéoriesplusexotiques

invoquentunevariationdesfluxderayonnementscosmiquesselonlapositiondusystème

solairedans lagalaxiepourexpliquerdescyclesde140 millionsd’annéesdurant le

Phanérozoïque(Shaviv2003;2004).

Auxdébutsdel’histoiredelaTerre,l’atmosphèreétaitforméed’eau,demonoxydeet

dioxydedecarbone,d’azote,deméthane,d’ammoniacetdecyanured’hydrogène,mais

necomportaitpasd’oxygène.Cedernierapparutseulementaveclespremièresformes

deviecapablesd’effectuerlaphotosynthèse,vers3ou3,7 milliardsd’annéesavantnotre

ère.Pendantunmilliardd’années,toutl’oxygèneproduitétaitconsomméparl’oxydation

decomposésinorganiques,principalementcelledeFe2+enFe3+.Lescouchesgéologi-

quesd’oxydesrouges(Fe2O3)permettentainsidedéterminerl’avènementdelaphoto-

synthèse.Àpartirdelà,l’oxygènepeutcommenceràs’accumulerdansl’atmosphèreet

oxydecertainsgazcommeleméthane,unpuissantgazàeffetdeserre.Enmêmetemps

apparaissentleseukariotes,ancêtresdetouslesanimaux,quisontcapablesd’utiliser

l’oxygènepourlarespiration.

Entre850et600 millionsd’annéesavantnotreère,desépisodes« bouledeneige »ont

possiblementeulieu,dontilseraquestionplusloin.

Uneimportanteglaciation,dueàlavariationdel’excentricitédel’orbiteterrestre,s’est

produiteàlafindel’Ordovicien,malgrédestauxdeCO2plusélevésqu’aujourd’hui,et

futaccompagnéed’uneextinctiondemasse.Ladispositiondescontinentsrendcette

glaciationpossiblemalgrédesconcentrationsdeCO2atmosphériquesélevées.Laposi-

tiondusupercontinentGondwana,regroupantlaquasi-totalitédesterresémergées,qui

se trouvait au-dessus du pôle Sud, a permis la formation d’une calotte glaciaire de

dimensionsgigantesques,menantàunrefroidissementclimatiqueplanétaire.

Parlasuite,lesplantes–lesplantesvasculairessontapparuesauSilurien(440-420 mil-

lionsd’annéesavantnotreère)–ontconquislescontinentset,durantleDévonienetle

Carbonifère (420-300 millions d’années avant notre ère), l’enfouissement massif de

matièreorganiqueontsoustraitduCO2àl’atmosphère.L’oxygèneatmosphérique,en

conséquence,atteignitsonniveauleplusélevé,procheduniveauactuelde21 %du

volumedel’atmosphère.Cettematièreorganiqueenfouieformelesdépôtsdepétroleet

decharbonquel’humanitéutiliseaujourd’hui.IlestpossiblequeladiminutionduCO2


atmosphériqueaitplongélaTerredansuneglaciation,quiseraitpeut-êtreàl’originede

l’extinctionmassiveobservéevers365 millionsd’annéesavantnotreèreà la findu

Dévonien.Àmesurequel’enfouissementdematièreorganiqueseréduisit,letauxde

CO2atmosphériqueremonta,entreautresàlasuitedelalibérationdeCO2océanique,

causéeparleréchauffementprogressifdesocéans.L’enfouissementmassifdematière

organiqueetainsilaformationdecarbonefossilenesesontplusproduitsparlasuite

puisquelesépisodesanoxiquesdanslesocéansn’étaientpluspossiblesavecuntaux

d’O2atmosphériqueaussiélevé.Celasignifieégalementquenosréservesdecombus-

tiblesfossilesproviennentd’unévénementuniquedansl’histoiredelaplanète.

ÀlafinduPermien(250 millionsd’annéesavantnotreère),uneextinctionmassivea

décimé96 %desespècesmarineset70 %desvertébrésterrestres.Lacausedecette

extinctionpourraitêtreunchangementclimatiqueabruptcauséparlerelargagemassif

deCO2etdeSO2dûàunévénementvolcaniquespectaculaireenSibérie(les« trapps »

deSibérie)d’uneduréed’unmilliond’années.

Lapériodesuivante,leMésozoïque,« l’âgedesdinosaures »,composéeduTriasique

etduJurassique,futcaractériséeparunclimatchaudsansglaceauxpôles.Lasurface

delaTerreétaitencoretrèsdifférente,puisquetouslescontinentsétaientassemblésen

unmégacontinent,laPangée.LaPangéefinitparsedisloquer.Ilya200 millionsd’an-

nées, la formationde l’Atlantiquedébutaà lasuitede laséparationde l’Amériquede

l’Eurasie.Cesévènementsfurentaccompagnésd’unchangementclimatique.L’extinction

massiveduTriasiqueàlamêmepérioden’estpasencoreexpliquéeetpourraitêtreliée

soitaurelargagedeCO2et (ou)deSO2accompagnantl’intenseactivitévolcanique,soit

àuneémissionmassivedeCH4desclathratesdesfondsmarins.L’extinctionmassive,

il y a65 millionsd’années (extinctionduDeccan, frontièreKT), aprobablementété

causéeparlachuted’unastéroïdedansleYucatan,dontlatracevisiblecorrespondau

cratèredeChicxulub,d’undiamètrede300 kilomètres, trois fois la tailledeceluide

Manicouagan.

LespériodesduCrétacéetduTertiairefurenttrèschaudes,jusqu’aumilieuduTertiaire,

lorsquelesconcentrationsatmosphériquesdeCO2etlatempératurecommencèrentà

diminuer.DurantleCrétacé,leniveaudelamerétaittrèsélevéetlescontinentsfrag-

mentés,aveclaprésencedegrandesmersépicontinentales.C’estaussil’époquedela

formationdesocéansactuels.La raisondudéclinsubséquentduCO2estpeut-être


l’expansiondelavégétation.Cependant,laredistributiondescontinentssurlaTerre,les

collisionsdeplaquescontinentales, la formationdechaînesmontagneuses (érosion

accrueconsommantduCO2)àlasuitedelafragmentationdelaPangéeetlamodifica-

tiondescourantsocéaniquesontcertainementaussijouéunrôledéterminant.

Lesplusrécentesépoquesgéologiquessont :

• lePaléocène(65-55 millionsd’annéesavantnotreère),àlafinduqueleutlieuun

épisodetrèscourtetabruptderéchauffement,lemaximumthermiquepaléocène-

éocène, possiblement déclenché par une émission soudaine de CH4 de fonds

marins;

• l’Éocène(55-34millionsd’annéesavantnotreère)auclimattropicalavecdespal-

miersauGroenlandetdesalligatorsauxpôles;

• l’Oligocène(34-23millionsd’annéesavantnotreère)chaudavecdelaglaceau

pôleSud,maispasaupôleNord;

• leMiocène(23-5millionsd’annéesavantnotreère)tempéréavecdelaglaceaux

deux pôles, mais encore des palmiers et des alligators à la latitude de l’Angle-

terre;

• lePliocène(5-2millionsd’annéesavantnotreère)froid,quivoitl’évolutiondel’aus-

tralopithèqueetdel’homo habilis;

• lePléistocène(1,8-0,01milliond’annéesavantnotreère)froid,quimarqueledébut

despériodesdeglaciationactuellesainsiquel’évolutiondel’humainmoderne;

• l’Holocène(depuis0,01milliond’annéesavantnotreère),lapériodeactuelledébu-

tantàlafindeladernièreglaciation.

Ilfautêtreprudentlorsqu’onessayedetirerdesconclusionsdesclimatspasséslointains

pourl’interprétationduclimatactuel.Ilestvraiquenotrepériodeestexceptionnellement

froideetlesconcentrationsdeCO2exceptionnellementfaiblesalorsquelesépisodes

chaudsontsouventreprésentélesconditionslespluspropicesàlavie.Cependant,au

cours de l’histoire de laTerre, des changements climatiques importants ont eu lieu,

souventaccompagnésd’extinctionsmassives.Lescontinentsontchangéd’emplacement.

Ilestdoncimpossibledecomparertoutescespériodesaveclapériodeactuelle.Ence

quiconcerneledevenirdel’humanité,ilfautprendreencompteuneéchelledetemps

appropriéebeaucouppluscourte.Ledéveloppementdel’humainaeulieuentièrement

durantl’èreglaciaireetledéveloppementdescivilisationsentièrementdurantleprésent


âgeinterglaciairequi,àl’échellegéologique,estextrêmementcourt.L’argumentparfois

invoquéque lesémissionshumainespourront retarder l’avènementduprochainâge

glaciaireest–mêmesilesmodèlesindiquentquecelapourraiteffectivementêtrelecas

–dénuédesignification,puisqueselonlesprévisionslaprochaineglaciationnecom-

menceraitpasavant30 000 ans,cequiestcertescourtàl’échellegéologique,maistrès

longàl’échellehumaine.

Figure12Évolution du CO2 atmosphérique depuis 600 millions d’années. Source :Wikipédia.

25

20

15

10

5

0

-600 -500 -400 -300 -200 -100 0

MU

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TM

OS

PH

ÉR

IQU

E

AC

TU

EL

LE

DE

CO

2

Âge (millions d'années avant notre ère)

Dévonien/carbonifèreExtinction ordovicienne

MARGED'ERREUR

Fin du Permien,extinction massive

Fin du Jurassique,épisode glaciaire,séparation de la Pangée


Figure13Les épisodes chauds et froids de l’histoire de la Terre.

Ilyaeusixpériodesglaciairesmajeures(925,800,680,450,330,et2 millionsd’années,lesdeuxpremièresn’ap-paraissentpassurlegraphique).Source :Wikipédia.

22 ˚C 17 ˚C 12 ˚C

Température moyenne de la Terre

Ères géologiques

Ann

ées

avan

t not

re è

re

Froi

dC

haud

Cha

udC

haud

Cha

udFr

oid

Froi

dFr

oid

Froi

d

HolocènePléistocène

Tertiaire

20 0002 millions

70 millions

140 millions

200 millions

250 millions

300 millions

360 millions

420 millions

440 millions

490 millions

540 millions

Crétacée

Jurassique

Triassique

Permien

Carbonifère

Dévonien

Silurien

Ordovicien

Cambrien

Précambrien

Extinction massivepermien / triassique

Début de la formationde dépôts fossiles

Glaciation et extinction ordovicienne.Le Sahara se trouvait alors au pôle Sud.


Figure14Reconstruction des températures des derniers 452 millions d’années utilisant différentes sources.

Ànoterqueleséchellesnesontpascontinues,maissedilatentversleprésent.Source : Global Warming Art. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f5/All_palaeotemps.png

10

8

6

4

2

0

-2

Millions d'années avant notre ère Milliers d'années avant notre ère

Maximum thermique Paléocène-Éocène

OptimumÉocène

Glaciation

∆T (˚

C)

542 500 450 400 350 300 250 200 150 100 60 50 40 30 20 10 5 4 3 2 1 500 250 10 5 2 1 0,15 0

Cm O S D C P Tr J K Pal Ep Ol Mio Pliocène Pléistocène Holocène

Gla

ciat

ion

anta

rctiq

ue

Gla

ciat

ion

anta

rctiq

ue

Dég

laci

atio

n an

tarc

tique

Cycle de41 000 ans

Cycle de100 000 ans

12

10

8

6

4

20-2-4-6-8

Froid

Froid

Froid tempéré

Froid tempéré

Aride

Aride

Tropical Tropical

Amérique du Nord

Groenland Europe

Sibérie

Nord de la Chine

Sud de la Chine

Amérique du Sud

Afrique Inde Arabie

Australie

Antartique

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f5/All_palaeotemps.png

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f5/All_palaeotemps.png


Figure15La Terre à l’âge du carbonifère et les dépôts de charbon et de pétrole (rond vert).

La Pangée était l’unique continent. Le pôle Sud étaitrecouvert d’une calotte glaciaire. Les zones tropicalesabritaientdevastesterreshumides.Enregardantbien,on distingue les futures Amérique du Nord, Europe etChineseptentrionale,alorsauxtropiques,etlesdépôtsabondantsdecharbons’yeffectuant.Source :Scotese.http://www.scotese.com/gzelclim.htm

5. L’HYPOTHÈSEDELATERREBLANCHE

L’hypothèsedelaTerreBlancheestunedémonstrationspectaculairedel’imbricationde

bouclesderétroactionspositives(déstabilisantesparcequerenforçantuneffet)etnéga-

tives(stabilisantesparcequecontrecarrantl’effetperturbateur)auseinduclimatdela

Terre.Seloncettehypothèseproposéeparcertainsgéologues,laTerreauraitsubiplu-

sieursépisodesdurantlesquelselleauraitétéentièrementrecouvertedeglacelorsdu

Protérozoïque,ilya600-800 millionsd’années.Dansdessimulationsnumériqueseffec-

tuéesenutilisantdestauxdeCO2,semblablesàceuxpossiblementprésentslorsdu

10

8

6

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0

-2

Millions d'années avant notre ère Milliers d'années avant notre ère

Maximum thermique Paléocène-Éocène

OptimumÉocène

Glaciation

∆T (˚

C)

542 500 450 400 350 300 250 200 150 100 60 50 40 30 20 10 5 4 3 2 1 500 250 10 5 2 1 0,15 0

Cm O S D C P Tr J K Pal Ep Ol Mio Pliocène Pléistocène Holocène

Gla

ciat

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Cycle de41 000 ans

Cycle de100 000 ans

12

10

8

6

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20-2-4-6-8

Froid

Froid

Froid tempéré

Froid tempéré

Aride

Aride

Tropical Tropical

Amérique du Nord

Groenland Europe

Sibérie

Nord de la Chine

Sud de la Chine

Amérique du Sud

Afrique Inde Arabie

Australie

Antartique

http://www.scotese.com/gzelclim.htm


Protérozoïqueetquisontprochesdeceuxd’aujourd’hui,ainsiqu’uneconstantesolaire

légèrementplusfaiblequ’aujourd’hui,correspondantàlavaleurdurantleProtérozoïque,

unétatclimatiqueconsistantenuneglaciation intégralede laTerreestassezstable

(Hydeet al.,2000).

Celas’expliquepar larétroactionavecl’albédo.Eneffet, laglaceblanchereflèteune

grandeproportion(80à90 %)delalumièreduSoleil;sonalbédoestdoncde0,8à0,9.

UneTerreentièrementrecouvertepardelaglaceserefroidiraitainsiparelle-même,à

furetàmesurequ’elleserecouvredeglace.Ellepasseraitainsid’unalbédode0,3et

d’unetempératureautourde0 degréenconditionsnormales,c’est-à-direnonglacée,à

unalbédomoyende0,7etàunetempératuremoyennede-50 degrésàl’étatdeTerre

blanche.Ilexistedoncunerétroactionpositiveentrelerefroidissementetlaformation

deglace;lesdeuxfacteursserenforcentmutuellement.LephysicienrusseMikhailBudyko

avaitdéjàcalculé,avantl’èredessuperordinateurs,quesi latempératuredelaTerre

s’abaissaitsuffisammentpourpermettreàlaglacededépasser30 degrésdelatitude,

lesystèmebasculeraitversunétatdeglaciationintégrale(Budyko,1969).

Un telabaissementde la températureduglobeaurait puêtre rendupossiblepar la

modificationdelacompositionatmosphériqueparlescyanobactéries.Lescyanobacté-

ries ou algues bleu-vert étaient les premières formes de vie capables d’effectuer la

photosynthèse.Ellesproduisaientdel’oxygènequioxydaleméthanedansl’atmosphère

primitive.LatransformationdecepuissantgazàeffetdeserreenCO2,auforçageradia-

tifmoinsimportant,auraitprovoquéunebaissedestempératures.Mais,selonlessimu-

lations,enplusdel’oxydationduméthane,l’avènementd’unépisodedeTerreblanche

auraitnécessitéunabaissementimportantdelaconcentrationdeCO2.Celaauraitété

rendupossibleparlefractionnementdusupercontinentRodinia,logésurl’équateur,vers

600 millionsd’annéesavantnotreère.Cetévénementavraisemblablementétéaccom-

pagnéd’uneaugmentationdesprécipitationssurlesnouveauxcontinentsainsiqued’une

expansiondelavesbasaltiques,dontl’érosionconsommehuitfoisplusdeCO2quecelle

desrochesgranitiques.SelonlemodèleGEOCLIM(Donnadieuet al.,2004),celaaurait

provoquéunechutedelateneurenCO2de1800 ppmà250 ppm,soitunebaissedu

forçageradiatifde10,65 W.m-2etdelatempératurede8 oC.Cettebaisseauraitétésuf-

fisantepourinitieruneglaciationplanétaire.


Onpeuts’interrogercommentlaTerreapuquittercetétatparfaitementstable.Laréponse

setrouvedansl’activitévolcanique.N’eutétél’émissiondeCO2parl’activitévolcanique,

laTerreseraitencoreaustadedeTerreblancheet lavieauraitcertainementdisparu.

D’habitude,leCO2émisparlesvolcansestabsorbéparlesocéansetprécipitédansles

sédimentssousformedecarbonates.Mais,suruneterregelée,iln’existepasd’océans

liquides.LeCO2rejetéparl’activitévolcaniqueseseraitdoncaccumulédansl’atmosphère

durantdesmillionsd’années.L’effetdeserrerésultantauraitentraînéuneaugmentation

progressivedelatempératureet,finalement,unefontedesglaciers.Ils’agitdoncdansce

casd’unerétroactionnégativeentrelerefroidissementetl’effetdeserre,cederniercontre-

carrantlepremieretmenantàunrétablissementdel’étatinitial.Unefoisamorcée,cette

fonteauraitétéextrêmementrapide,del’ordredequelquescentainesd’années,enraison

delarétroactionpositiveentrelatempératureetl’albédo.Latransitionversunclimatchaud,

avecdestempératuresdesurfacedel’océanatteignantjusqu’à50 oC,seseraitpoursuivie

jusqu’àcequeleCO2excédentairesoitabsorbéparlesocéans.CaldeiraetKasting(1992)

ontestiméquelaconcentrationnécessairepourinduirelafontedelaTerreblancheest

350 foissupérieureàlaconcentrationactuelle,cequiauraitnécessitédesmillions,voire

desdizainesdemillionsd’annéesd’accumulationdeCO2dansl’atmosphère.

Le climatpost-Terreblancheauraitétécaractérisépardestempêtesetdesouragans

fréquents,avecdesondesdetempêtepouvantatteindre les100mètres.Cetypede

climatauraiteuuneincidenceimportantesurlavie,carilauraitfavoriséunmélange

verticaldesocéans,ramenantàlasurfacelesélémentsnutritifsessentielsauxdifféren-

tesformesdevie.Celaauraitmenéàl’apparitiondenombreusesnouvellesformesde

vie,plusdiversesetpluscomplexes,àlafindudeuxièmeépisodedeTerreblanche,ily

a600 millionsd’années.Cettepériodecoïncideeneffetaveccequel’onappellel’explo-

siondevieduCambrien,contribuantàlacrédibilitédel’hypothèsedelaTerreblanche.

L’hypothèsedelaTerreblancherestetrèsspéculativeetn’estpasuniversellementaccep-

tée.Ilexistecependantcertainsindicesquipointentversl’existenced’épisodesdeTerre

blanche,parexempleladécouverteparlegéologuebritanniqueBrianHarland(1964)de

débrisglaciairesdatantdecettepériode,répartispartoutsurlaTerre,etsuperposésaux

couchesdecarbonatesissuesdelaprécipitationduCO2excédentaire.Unautreindiceest

fourniparlessignaturesisotopiquesδ13Cdesédimentscarbonatés,quitémoignentd’une


interruptiondelaphotosynthèsedurantunelonguepériode,quicorrespondraitàlapériode

oùlaTerreétaitcouvertedeglace.

La théorie de laTerre blanche suscite encore beaucoup de questions, par exemple

commentlaviea-t-ellepusurvivresuruneterreentièrementrecouvertedeglace.Ila

étéproposéqueleplanctonocéaniqueaitpusurvivredansdesrégionsoùlaglaceétait

assezminceettranslucidepourlaisserpasserlalumièreouàlafaveurdecrevasses

s’ouvrantpériodiquementdanslaglaceouencoredansdeszoneséquatorialespossi-

blementlibresdeglace(Runnegar,2000).Descyanobactériesetautresthermophiles

auraientaussipusurvivreàproximitédesourcesd’eauchaudeaufonddel’océan.

Quoiqu’ilensoit,l’hypothèsedelaTerreblanchereprésenteunexemplefortintéressant

desrésultatsauxquelslesdifférentsmécanismesderétroactionauseindelamachine

climatiqueentrelesgazàeffetdeserre,l’albédo,l’atmosphère,lesocéans,lesvolcans

etlesêtresvivantspeuventmener.

6. LESOUTILSUTILISÉSPOURRECONSTRUIRELECLIMAT

Lasectionprécédentemontrequelareconstructiondesanciensclimatspeutêtrehau-

tementspéculativepuisquepeud’indicesdirectsrelatifsauxconditionsenvironnementa-

lesquiyrégnaientsontparvenusjusqu’auxchercheursdenosjours.Denombreuxoutils

d’échantillonnage,demesureetd’analyseontétédéveloppés,quinouspermettent,de

manièreplusoumoinsdirecte,dereconstruirelesanciensclimats.Lesconditionsatmo-

sphériques,latempérature,leniveaudelamerouencorel’importancedel’évaporation

etdelaprécipitationpeuventêtrereconstruitsàpartird’échantillonsenvironnementaux

multiplesquiutilisentunarsenald’indicateurspaléoclimatiques(c’est-à-direquiserap-

portentauxanciensclimats,del’adjectifgrecpalaiossignifiantancien).

Étantdonnélesnombreusesméthodesutiliséespourreconstruire lesanciensclimats,

nousn’enavonssélectionnéquequelques-unes.Parmilesméthodesutilisées,lacollecte

decarottesparforagereprésenteunedestechniquesd’échantillonnagelesplusutiles

pourlapaléoclimatologie.Lesforagesdedifférentsmilieux–sédimentslacustres,fonds

océaniques,glaces–sontcommeunemachineàremonterletempspourlespaléoclima-

tologues.Denombreuxindicestelsquelaprésencedecertainséléments,lessignatures


isotopiquesoulesvestigesd’êtresvivantspermettentd’obtenirunequantitéd’informations

surdesépoquespassées.L’obtentiondecarottesd’échantillonnage,qu’ellessoientmari-

nes,lacustresouglaciales,représentesouventundéfitechnique,logistiqueet,endernier

lieu, financier.Enplusdesdifficultésreliéesà l’obtentiondecescarottes, leurdatation

représenteundéfisupplémentaire.

6.1 Les forages de glaciers

Lacollectedescarottesglaciaires estexcessivementdifficilesurleplantechniqueet

méthodologique,dneserait-cequ’àcausel’inaccessibilitéetdel’inhospitalitédessites.

Ainsi,lastationrussedeVostok,enAntarctique,estl’endroitleplusfroidjamaismesuré

surTerre,avecunetempératurede-89,6 oC,en1983.Undesplusgrandssoucisdes

scientifiquesestd’éviterunecontaminationdeséchantillons.Ilsdoiventdoncporterdes

vêtementsdeprotectionlorsdelamanipulationetdudécoupagedescarottes.Celles-ci

nedoiventjamaisêtreréchaufféesàplusde-15 oCpouréviterladiffusiondesgaz.Pour

éviterunefragilisationdueauxdifférencesdepressionentrelasurfaceetlesprofondeurs

duglacier,unepériodederelaxationallantjusqu’àunanestaccordéeauxcarottes.

LesforagesdeglacierslesplusconnussontceuxduGroenlandetdelastationVostok,

enAntarctique,dontiladéjàétéquestionplushaut.Aujourd’hui,lesÉtats-Unis(Byrd,

Amundsen-ScottetDomeC),leJapon(DomeF),laRussie(Vostok,)etl’Unioneuro-

péenne(DronningMaudLand,DomeConcordia)entretiennentdesstationsdeforage

enAntarctique.Cesforagespermettentderemonter800 000 ansdanslepassé,couvrant

ainsiunedizainedecyclesdeglaciation,avecunerésolutiondel’ordredusiècleoude

ladécennieselonletauxd’enneigement.Plusletauxd’enneigementestimportant,plus

ilpermetunerésolutiontemporellefine.Lacomparaisondescarottesdel’Antarctique

aveclesforagesétablisauGroenland(leprojetGRIPeuropéenetleprojetGisp2amé-

ricain)apermisdeconfirmerlelienentreleCO2etlatempératureainsiquelanature

planétairedescyclesglaciairesdesdernièrescentainesdemilliersd’années.

Ilexisteaussi,malgrélesdifficultésassociéesàunéchantillonnageeffectuéavecde

l’équipementlourdenhautemontagne,uncertainnombredeforagesdeglaciersconti-

nentauxdanslesAndes,l’Himalaya,enAfrique(entreautressurleKilimandjaro),en

AlaskaetenRussie.Lesglacierscontinentauxontd’habitudeseulementquelquesmil-

liersd’années,maiscertainsdatentdudébutdeladernièreglaciation.


Ladatationexactedecarottesglaciairesn’estpasaisée.Unedespossibilitésestde

procéderdelamêmefaçonquelorsqu’ils’agitdecompterdescernesd’arbres,c’est-à-

direencomptantlescernesannuelsquandilssontbienvisibles(figure16).Ilestaussi

possibledecorrélercertainesobservations,tellesquedesévolutionsdetempérature,

decompositionatmosphériqueoudescouchesdedépôtspécifiques,parexempledes

cendres volcaniques, avec d’autres témoins connus. La datation à l’aide d’isotopes

radioactifsestaussiappliquée.Cettetechniqueseraexpliquéeplusloin.

Figure16Carotte glaciaire avec cernes annuels clairement visibles.Source :Wikipédia. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/bc/GISP2D1837_crop.jpg

Lesbullesd’airprisonnièresdelaglacerenfermentdeséchantillonsd’atmosphèrede

lapériodedelaformationdecetteglaceetpermettentainsidereconstituerlesteneurs

engazdissous(O2,CO2,CH4,N2O,etc.)surtoutecettepériodeavecgrandeprécision.

Àl’aidedesisotopesdecarbone(13C,14C),ellespermettentaussidemettreenreliefdes

changementsdanslecycleglobalducarbone.

6.2 Les forages de sédiments marins et lacustres

Unréseauétendudeforagesmarinss’estconstituédepuis1968ets’estpoursuivijusque

danslesannées2000(figure17).Pourabsorberlescoûtsénormesdecesexpéditions,

quinécessitentdesnaviresspécialementéquipésetlaprésencedenombreuxmarins,

techniciensetscientifiques,etafindeprofiterdesexpertisesdiverses,lesprojetssont

menésdanslecadredecoopérationsinternationales.Lesrésultatssontlargementdis-

tribuésauseindelacommunautéscientifique.


Figure17Carte des sites de forages marins profonds.Source :InternationalOceanDrillingProgram.

Lessédimentsmarinspeuventoffrirdenombreusesinformations.L’analyseducontenu

desdifférentesstratespermetdetirercertainesconclusionssurdesconditionsenviron-

nementalesquirégnaientàcertainespériodesousurdesévénementsquiyonteulieu.

Parexemple,laprésencederochefondueenverredansunestratevieillede65 millions

d’annéesdanslegolfeduMexiquesuggèreunimpactdemétéoriteàcetendroit,lequel

événementestsouventmisenrelationavecladisparitiondesdinosaures.

Grâceauxforaminifèresfossilisés,desorganismesunicellulairesquiviventàlasurface

ouaufonddel’océan(foraminifèresbenthiques)etquiproduisentdescoquillesoudes

testsd’habitudecarbonatés,dontonpeutanalyserlessignaturesisotopiquesd’oxygène

Segments 1-96 DSDP

Asie

Antarctique

Australie

OcéanArctique

OcéanAustral

OcéanPacifique

OcéanAtlantique

Amériquedu Nord

Amériquedu Sud

Afrique

Europe

Groenland

Segments 100-210 ODP

18O

ben

thiq

ue

18O

liss

é

Expéditions 301-312 IODP

3

3,5

3,4

4,5

5

5,5 -0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0 500 1000

Âge (ka)

Périodicité de 100 000 ans

1500


etd’hydrogèneainsiquelesimpuretésdemagnésium,lestempératurespasséesetle

volumetotaldeglace,peuventêtreretracésdepuisdesdizainesdemillionsd’années.

D’autres indicateurspermettententreautresd’estimer laproductivitéocéanique,ses

teneursenoxygène,lanaturedessédimentset,donc,desprocessusàlasurface.

Enplusdesforagesmarins,dessédimentslacustressontanalysés.Ainsi,uneéquipe

internationale effectue depuis 1997 un forage dans le lac Bosumtwi, au Ghana (fi-

gures18et19).Celacfutcrééilyaunmilliond’annéesparunimpactmétéorique.Les

250 mètresdesédimentspourrontdonneruneidéeduclimattropicalsurplusieurscycles

glaciaires.Lasuitedessaisonsyestaisémentreconnaissablepardesbandesbrunes,

l’été,provenantdebloomsplanctoniquesetdesbandesjaunes,l’hiver,provenantdes

sablesduSahara.

Figure18Lac Bosumtwi. Source : C. Koeberl. http://www.icdp-online.de/contenido/icdp/front_content.php?idcat=391

Figure19Forage sur le lac Bosumtwi durant la nuit. Source :Shanahan,TimothyM.UniversityofArizona.http://www.geo.arizona.edu/~shanahan/research.html

http://www.icdp-online.de/contenido/icdp/front_content.php?idcat=391

http://www.icdp-online.de/contenido/icdp/front_content.php?idcat=391

http://www.geo.arizona.edu/~shanahan/research.html

http://www.geo.arizona.edu/~shanahan/research.html


Ceforagefaitpartied’unréseaudeforagesdesitessurtouslescontinentsetsurdes

îles,dontplusieursserventàl’étudeduclimat (figure20),dontlelacLakePeténItzá,

danslajungleduYucatan,oulalagunePotrokAike,enPatagonie(TerredeFeu).Lelac

Titicaca,lelacnavigableleplusélevédumonde,situéà3810 mètresdehauteuràla

frontièredelaBolivieetduPérou,renferme200 000 ansd’histoireclimatiquedel’Amé-

riqueduSudetdelarégionandine,enparticulier,danssessédiments.Lessédiments

dulacMalawi,danslavalléeduRift,permettrontdecomprendreleclimatest-africain

des800 000 dernièresannées.LelacBaïkal,danslesuddelaSibérie,lelacleplus

profonddumonde,n’ajamaisétéglacéaucoursdesderniers20-25 millionsd’années

malgré lesnombreusesglaciationsqu’aconnues laTerre.Sessédimentsrenferment

doncdesinformationsinestimablessurcettelonguepériode.

Figure20Sites de forages continentaux.

Unepartiedecessitesestutiliséepourl’analyseduclimat(voirtexte).Source :InternationalContinentalScientificDrillingProgramhttp://www.icdp-online.de/contenido/icdp/front_content.php

http://www.icdp-online.de/contenido/icdp/front_content.php



6.3 L’analyse des isotopes

6.3.1 Ladatationàl’aided’isotopesradioactifs

Poureffectuerladatationd’échantillonsinorganiquesanciens,desisotopesradioactifs

sontutilisés.Cesisotopesseformentcontinuellementdansl’atmosphèreparl’actiondu

rayonnementcosmique.Unefoissoustraitsàl’atmosphère,lesélémentss’appauvrissent

enisotopesradioactifs.Leurâgepeutdoncêtredéterminéparlaloidedécroissance

radioactivequandonconnaîtlasignatureatmosphérique.Ladécompositiond’atomes

radioactifsd’unélémentgénèredesatomesd’autreséléments,parfoiseux-mêmesins-

tables,cequiengendredesfamillesd’isotopes.Cesfamillespeuventêtreretracéeset

datées.Lafigure21montrelaséquencededécompositionradioactivedel’uranium.Les

rapportsentrelesradio-isotopessontfonctiondeladatedel’échantillon.Enfonctionde

lapérioded’âgevisée,desrapportsisotopiquesspécifiquessontanalysés,parexemple

lerapport234U/230Thdanslecorail.Commel’234Uestsolubledansl’eau,maisle230Thne

l’estpas,le230Thprésentdanslecorailprovientdeladécompositionradioactivedel’234U.

Le rapport 234U/230Thévoluedoncavec le temps.Selon leurvitessededécroissance

radioactive,différentsisotopessontutiliséspourdifférenteséchellesdetemps,allantde

quelquesannéesàdesmilliardsd’années.Parmilesélémentscourammentutiliséspour

ladatationdecarottesglaciairesetsédimentairesfigurentle210Pb,le32Si,l’39Ar,le14Cet

lesisotopesdelafamilledel’uranium.


Figure21La séquence de désintégration radioactive de l’uranium. Source : Université Laval. http://www2.fsg.ulaval.ca/opus/scphys4/complements/datatio.shtml

6.3.2 Lesisotopesducarbone

Le14Cestunisotoperadioactifnaturelquipermetunedatationdematièreorganique,

deCO2etdedépôtscalcaires.Ilestformédansl’atmosphèreparl’actiondurayonnement

cosmiquesurleCO2.Unefoisincorporéedanslamatièreorganique,ladécroissance

radioactive,unprocessusd’unecinétiqued’ordrezéro,permetdedéterminerl’âgedepuis

ledécèsdel’organismeenquestion.Laconcentrationde14Cabrusquementaugmenté

danslesannées1950et1960àcausedesessaisnucléairesensurface.Deséchantillons

d’aprèscettepériodedoiventdoncêtretraitésdifféremment.

Le13Cestunisotopestablequiformeàpeuprès0,1 %desatomesdecarbone,princi-

palementcomposéde12C.Étantunpeupluslourdquele12C,le13Créagitpluslentement

danscertainesréactionschimiques,biologiquesouphysiques.Ainsi,lorsdel’incorpo-

rationdeCO2dansdesorganismesparphotosynthèse,lamatièreorganiquerésultante

(planctonmarin,plantesterrestres),estappauvrieen13C.Celapermetentreautresde

238

234

230

226

222

218

214

210

206

92 91 90 89 88 87 86 85 84 83 82

238

234 234 234

230

226

222

218

214 214 214

210 210 210

206

Numéro atomique

Mas

se a

tom

ique

U UraniumPa ProactiniumTh ThoriumRa Radium

Rn RadonPo PoloniumBi BismuthPb Plomb

U

U Pa Th

Th

Ra

Rn

Po

Po Bi Pb

Pb

Pb

BiPo

http://www2.fsg.ulaval.ca/opus/scphys4/complements/datatio.shtml

http://www2.fsg.ulaval.ca/opus/scphys4/complements/datatio.shtml


reconnaîtreduCO2provenantdecombustiblesfossiles,puisqueceux-ciproviennentà

l’originedematièreorganique,doncdeplantes,etsontdoncappauvrisen13C.Comme

cescombustiblesfossilessonttrèsanciens,ilssontégalementappauvrisen14C.Ces

caractéristiquesontpermisdeclairementidentifierleCO2d’origineanthropiquedans

l’atmosphère.

Lesisotopesducarboneoffrentdenombreuxrenseignementssurlaphotosynthèse,la

productivitédesmilieuxterrestresouorganiques,lesfeuxdeforêtetainsidesuite.Au-

delàde500 000 ans,laconcentrationde14Cestminimeetnepermetplusd’effectuer

unedatationutile.

6.3.3 Lesisotopesdel’oxygèneetdel’hydrogène

L’eauetdoncaussilaglacesontforméesd’oxygèneetd’hydrogène.Lesrapportsiso-

topiquesdecesdeuxélémentspermettentd’obtenirdesinformationssurlesconditions

climatiquesquiontrégnédanslepassé.

L’oxygèneestmajoritairementcomposéde16Oetcontientaussidu18O,unisotopeplus

lourd.Leδ18Odelaglacepermetdereconstruirelatempératuredel’air(figure 22).Le

rapport18O/16Odelaglacedépenddelatempératurelorsdelacondensationdelaneige.

Lavapeurd’eaucontenantdu16O,plusléger,possèdeunetensiondevapeurde1 %

supérieureàlavapeurd’eaucontenantdu18O.Lavapeurd’eauatmosphériquecontient

moinsde18O,quicondenseplusvitequele16O,durantlespériodesfroidesquedurant

despériodeschaudes.Encontrepartie,l’eauocéaniqueestenrichieen18Odurantles

périodesfroides.Cettesignatureestanalyséedanslessédimentscarbonatésmarins

quiproviennentdetests(coquilles)demicroorganismes.Ainsi,lessignaturesδ18Odes

foraminifèresplanctoniquesdanslessédimentsdel’AtlantiqueNordpermettentderetra-

cerlatempératurepasséedel’eauainsiquelaprésenced’eaudefontedeglacierslors

duDryasrécent.L’analysedessignaturesδ13Cdesforaminifèresbenthiques,quantà

elle,apermisdereconstruirelaforcedelacirculationthermohalinedanslepassé.


Figure22δ18O des foraminifères benthiques d’un forage du Pacifique.

Cesdonnéesmontrentquelesderniers500 000 ansontété dominés par des cycles de 100 000 ans, liés à lavariationdel’excentricitédel’orbiteterrestre.Lemilliond’années précédent présente des fluctuations moinsrégulières,necorrespondantniuniquementauxcyclesde100 000 ansniàceuxde41 000ans,cesderniersétantliésauxvariationsdel’obliquitédel’axederotationdelaTerre.Source :Wright,A.K.etB.P.,2002.Flower,Surfaceanddeepoceancirculation in the subpolar North Atlantic during the mid-Pleistocenerevolution,Paleoceanography, 17,1068.

L’abondancededeutérium2D,isotopelourdpeuabondantdel’hydrogène,estégalement

unindicateurdelatempérature.Lerapport2D/1Hdelaglaceestfaibledansunclimat

froid.Lavapeurd’eaucontenantdu2Dprécipiteplusvitedesnuagesquelavapeurd’eau

quinecontientpasde2D.Puisqu’enpériodeglaciairelesprécipitationsenprovenance

d’évaporationdansleszonestropiquesinterviennentàdeslatitudesmoinsélevées,l’eau

desnuagesatteignantlespôlesestplusappauvrieen2D.Celapermetdedistinguerles

périodesglaciairesetinterglaciairesdanslescarottesglaciaires.

Segments 1-96 DSDP

Asie

Antarctique

Australie

OcéanArctique

OcéanAustral

OcéanPacifique

OcéanAtlantique

Amériquedu Nord

Amériquedu Sud

Afrique

Europe

Groenland

Segments 100-210 ODP18

O b

enth

ique

18O

liss

é

Expéditions 301-312 IODP

3

3,5

3,4

4,5

5

5,5 -0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0 500 1000

Âge (ka)

Périodicité de 100 000 ans

1500


6.3.4 Lesisotopesradiogéniques

Leratiode10Be/9Beestunindicateurdelaconstantesolaire.Le9Beestforméparirra-

diationcosmiquedanslastratosphèreetdiffusedelàverslatroposphère.Ladiffusion

dépenddelahauteurdelatroposphèrequidépendelle-mêmedelaforcedurayonne-

mentsolaire.Lepetitâgeglaciaireapparaîtparexempleclairementdanslesstratesdes

glaciers.Lerapport36Cl/35Clagitenanalogie,le36Clétantégalementunisotoperadio-

génique.

6.4 Les autres méthodes

6.4.1 Lapalynologie

Lapalynologieestl’analysequantitativeetqualitativeaumicroscopedespollens,des

sporesetdesautresmicroorganismesprésentsdanslessédiments.Lespollensetles

sporesdanslesstratesgéologiquestellesquedessédimentslacustresetmarins,des

tourbièresoudescarottesdeglacepermettentdereconstruireletypeetl’abondancede

végétationyrégnant.Lespollensetlessporessontextrêmementdurablesetseconser-

ventsurdelonguespériodesdetemps,gardantainsilatracedelavégétationlongtemps

disparue.Lavariationdutypedevégétationdocumentéparlesséquencesdepollen

donneuneindicationsurleclimatquirégnaitàunendroitaufildutemps.EnEurope,le

climatdel’holocèneapuêtreretracédansplusieursrégions(parexemple,Daviset al.,

2003).Lepassagedelachasseetdelacueilletteàl’agriculturedansl’Angleterreancienne

peutégalementêtreexpliquéencomparant lacompositionpolliniquedessédiments

lacustres,avantetaprèscettetransition.Celapermetdereconstituerleschangements

devégétationdanslesbassinsversantsdeceslacs(EdwardsetWhittington,2001;Rae

etParker,1996).

6.4.2 Ladendrochronologie

La dendrochronologie, technique utilisée depuis longtemps et déjà pressentie par

LeonardoDaVinci,permetdedéterminerl’âged’arbresderégionstempéréesainsique

lesconditionsclimatiquesrégnantdurantlacroissancedescernesannuels.Lescernes

annuelssontaisésàidentifierparlatailledesnouvellescellulesquis’amenuisentdu

printempsà l’automne(figure23).Durant l’hiver, l’arbre interromptsacroissancequi

reprendauprintempsprochain.Durantlesannéeshumides,lescernessontpluslarges


quependantlesannéessèches.Laméthodepeutaussiêtreappliquéeàdesarbres

mortsbienconservés.Enréférençantdesséquencesdecernesàcellesd’arbresdéjà

datés,ilestpossiblederemonterjusqu’à10 000 ansdanslepassé.Lesplusanciens

arbreséchantillonnés,despinsdeBristlecone(Pinus longaeva)del’ouestdesÉtats-Unis

etdesséquoiasgéants (Sequoiadendron giganteum) de laSierraNevada,peuvent

atteindre3000à4000 ansd’âge.Ladendrochronologiea,parexemple,permisd’iden-

tifierunecatastropheclimatiqued’uneduréededixansdanslesannées540-550,liée

àuneépidémiedepesteimportante.

Figure23Cernes annuels et âges déterminés d’une poutre en chêne de l’Hôtel de ville de Gödenroth, construit en 1748. Source : S. Kühn, Wikipedia. GNU-Lizenz für freie Dokumentation.http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Dendrochronologie.jpg

http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Dendrochronologie.jpg


6.4.3 L’étudedescoraux

L’étudedescorauxpermetderemonterloindansletemps.Lescorauxfossiliséspeuvent

avoirjusqu’à300 000ansetplus.Leur datations’effectueàl’aidedeméthodesisotopi-

quescommelerapportU/Thouleδ14C.Lescorauxenregistrentlesperturbationsclima-

tiqueset lesconserventune foismorts.Ces informationspeuventêtre recueilliesen

analysantlacompositiondessquelettesetenétudiantlesrapports16O/18Oainsiqueles

élémentstraces,commelestrontiumoulemagnésium.Ilestainsipossibledeconnaître

lasalinitéetlatempératuredel’eauàdifférentesépoquesdanslepasséainsiquele

niveaudesocéans.

6.4.4 L’analysedestempératuresdansdespuitsdeforage

Uneautreméthodedereconstructiondestempératuresestl’étudedespuitsdeforage.

Ladéviationdugradientdechaleurdugradientnaturelrenseignesurlesperturbations

quionteulieuàlasurfacedanslepassé,etquidiffusentlentementenprofondeur.Un

foragede1000mètresdeprofondeurcontient10 000ansd’histoiredelatempérature.

Cettetechniqueapermisdereconstruirelestempératureslorsdupetitâgeglaciaire(-1 oC

auXVIesiècle)etleréchauffementrécentdansl’estduCanada(+2 oCentre1800et2000)

ainsiqueleréchauffementactuelde3à5 oCenAlaska(VasseuretMareschal,1993).

6.4.5 Latélédétection

Encequia traitauxconditionsclimatiquesactuelles,denouveauxoutilspermettent

d’obteniruneimagepluscomplète.Latélédétectionàpartirdesatellitespermetd’évaluer

avecprécisionleniveaudel’océan,lesventsdesurface,latempératuredesurfacede

lameretdescontinents,lecontenuenvapeurd’eaudel’atmosphère,laproductionde

l’océanetdesbiomesterrestresàtraverslescouleurscaractéristiquesduplanctonet

delavégétation.Dansl’océan,plusd’unmillierdebouéesfixesoudérivantes,àlasur-

faceouenprofondeur,permettentdesuivrelemouvementdesmassesd’eauetdes

courantsmarins.


Toutescesobservationssystématiquessontextrêmementcoûteusesetnécessitentdes

programmesderechercheconjointsinternationaux.Voicicertainsdecesprogrammes :

• leProgrammeCLIVAR(climate variability),instauréen1980parleConseilinter-

nationalpourlascience,l’OrganisationmondialemétéorologiqueetlaCommission

océanographiqueinternationaledel’UNESCO;

• leProgrammeinternationalgéosphère-biosphèreduConseilinternationaldesunions

scientifiques,depuis1986,pourlacompréhensiondusystèmeTerreetdesamodi-

ficationparl’humain;

• leSystèmemondiald’observationdel’océan,connusousl’acronymeGOOS(Global

OceanObservationSystem),misenplaceparleCOIen2000;

• leGlobalEarthObservationSystemofSystems(GEOSS),entraind’êtremissur

piedpar61 payset40 organisationsinternationales.

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