Les climats passés et futurs
Cours complet · SVT (terminale), chapitre 8 · terminale, spécialité sciences de la vie et de la Terre
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L'étude du climat de la Terre montre que celui-ci n'a jamais cessé de varier au cours des temps géologiques. Des périodes glaciaires, où d'épaisses calottes de glace recouvraient une grande partie des continents, ont alterné avec des périodes plus chaudes appelées interglaciaires. Reconstituer ces climats passés est devenu possible grâce à l'analyse de nombreuses archives naturelles : carottes de glace, pollens fossiles, isotopes de l'oxygène ou encore cernes des arbres. La compréhension des mécanismes responsables de ces variations – comme les paramètres orbitaux de Milankovitch ou l'effet de serre – permet aujourd'hui d'interpréter le réchauffement climatique actuel, dont l'origine est très majoritairement anthropique. Enfin, les modèles numériques du climat, exploités par le GIEC, autorisent la projection de scénarios pour le climat futur et de leurs conséquences sur la planète et les sociétés humaines.
Ce chapitre vise à comprendre comment les scientifiques reconstituent les climats anciens, à identifier les causes naturelles des variations climatiques, à expliquer le rôle de l'effet de serre et de la perturbation anthropique, puis à présenter les principes de la modélisation du climat futur.
8.1 La reconstitution des climats passés
Le climat d'une époque révolue ne peut être mesuré directement. Les paléoclimatologues utilisent donc des indicateurs climatiques (ou « proxies »), c'est-à-dire des paramètres mesurables enregistrés dans des archives naturelles et corrélés à des conditions climatiques.
Un indicateur paléoclimatique est une grandeur physique, chimique ou biologique mesurable dans une archive naturelle (glace, sédiment, bois, calcaire) dont la valeur dépend des conditions climatiques (température, précipitations, composition de l'atmosphère) au moment de sa formation. Son analyse permet de reconstituer le climat du passé.
8.1.1 Les archives glaciaires : les carottes de glace
Dans les régions polaires (Antarctique, Groenland), la neige qui tombe chaque année s'accumule et se tasse progressivement pour former de la glace. Le forage de la calotte permet d'extraire de longues carottes de glace dont les couches successives, de la surface vers la profondeur, correspondent à des âges de plus en plus anciens (jusqu'à environ ans pour la carotte EPICA en Antarctique).
Méthode : Exploiter une carotte de glace
Une carotte de glace fournit plusieurs informations :
- les bulles d'air piégées dans la glace constituent des échantillons fossiles de l'atmosphère ancienne ; leur analyse donne la concentration passée en gaz à effet de serre (, ) ;
- le rapport isotopique de l'oxygène () ou de l'hydrogène () de la glace elle-même renseigne sur la température au moment de la précipitation de la neige ;
- les poussières et les cendres volcaniques renseignent sur l'aridité des continents et permettent de dater certaines couches.
La comparaison entre les courbes de température et celles de obtenues sur une même carotte révèle une remarquable corrélation.
8.1.2 Les isotopes de l'oxygène
L'oxygène existe sous forme de deux isotopes stables principaux : l'oxygène 16 (), léger et très majoritaire, et l'oxygène 18 (), plus lourd et plus rare. Le rapport entre ces deux isotopes varie selon les conditions climatiques.
Le mesure l'écart relatif du rapport d'un échantillon par rapport à celui d'un standard de référence :
Il s'exprime en pour mille (‰).
L'interprétation dépend de l'archive :
- Dans la glace (composée d'eau précipitée), un faible (très négatif) traduit un climat froid : les molécules d'eau lourdes () précipitent préférentiellement avant d'atteindre les pôles, d'autant plus que la température est basse.
- Dans les tests calcaires de foraminifères des sédiments océaniques, un élevé traduit au contraire un climat froid : en période glaciaire, l'eau légère () est stockée dans les calottes, enrichissant l'océan résiduel en .
Le constitue ainsi un thermomètre isotopique du passé.
8.1.3 Les pollens et les cernes des arbres
La palynologie est l'étude des grains de pollen et de spores conservés dans les sédiments (lacs, tourbières). Chaque espèce végétale produit un pollen de forme caractéristique. La composition d'un assemblage pollinique reflète la végétation régionale, elle-même dépendante du climat (température, humidité).
Un assemblage dominé par des pollens de bouleau, de pin et de plantes de toundra indique un climat froid, tandis qu'un assemblage riche en pollens de chêne, de tilleul et de hêtre indique un climat tempéré chaud. L'évolution verticale des assemblages dans une carotte sédimentaire permet de reconstituer les variations climatiques régionales sur plusieurs milliers d'années.
La dendrochronologie est l'étude des cernes de croissance des arbres. Chaque année, l'arbre forme un cerne dont la largeur dépend des conditions climatiques (un cerne large traduit une année favorable, chaude et humide). Le comptage et la mesure des cernes permettent de dater précisément et de reconstituer le climat des derniers millénaires.
8.2 Les variations climatiques passées et leurs causes
8.2.1 L'alternance glaciaire / interglaciaire
Les archives montrent que, depuis environ ans, le climat a oscillé de façon cyclique entre périodes glaciaires et interglaciaires.
Une période glaciaire est un intervalle de temps froid au cours duquel les calottes de glace s'étendent et le niveau marin baisse. Une période interglaciaire est un intervalle plus chaud, comme l'Holocène actuel, où les glaces reculent et le niveau marin remonte. Sur les derniers ans, ces cycles présentent une périodicité dominante d'environ ans.
Lors des périodes glaciaires, d'immenses calottes de glace (inlandsis) recouvraient une grande partie des continents de l'hémisphère Nord, et le niveau marin était fortement abaissé. La carte ci-dessous représente leur extension au dernier maximum glaciaire, il y a environ ans.
8.2.2 Les paramètres orbitaux de Milankovitch
L'astronome Milutin Milankovitch a proposé que les variations climatiques cycliques s'expliquent par les modifications périodiques des paramètres de l'orbite terrestre, qui modulent la quantité et la répartition de l'énergie solaire reçue (insolation).
Trois paramètres orbitaux varient de façon cyclique :
- l'excentricité de l'orbite terrestre (forme plus ou moins elliptique), de période ans ;
- l'obliquité de l'axe de rotation (inclinaison entre et ), de période ans ;
- la précession des équinoxes (orientation de l'axe de rotation), de période ans.
Ces variations modifient l'insolation reçue aux hautes latitudes, déclenchant l'avancée ou le recul des calottes glaciaires.
Les variations d'insolation liées aux paramètres orbitaux sont faibles : elles ne suffisent pas, à elles seules, à expliquer l'amplitude des changements observés. Elles sont amplifiées par des rétroactions positives : un refroidissement augmente la surface des glaces, qui réfléchissent le rayonnement solaire (hausse de l'albédo), ce qui accentue le refroidissement ; de plus, le se dissout davantage dans un océan froid, réduisant l'effet de serre et amplifiant encore le refroidissement.
8.3 L'effet de serre et le bilan radiatif
8.3.1 Le bilan radiatif de la Terre
Le bilan radiatif de la Terre est la différence entre l'énergie reçue du Soleil (rayonnement solaire de courte longueur d'onde) et l'énergie renvoyée vers l'espace (rayonnement solaire réfléchi + rayonnement infrarouge émis par la Terre). À l'équilibre, ces deux flux se compensent et la température moyenne du globe reste stable.
Une partie du rayonnement solaire incident est réfléchie vers l'espace. La fraction réfléchie est appelée albédo. Les surfaces claires (glace, nuages) ont un albédo élevé, les surfaces sombres (océans, forêts) un albédo faible. L'albédo planétaire moyen est d'environ : la Terre absorbe donc environ de l'énergie solaire reçue, qui chauffe la surface.
8.3.2 Le mécanisme de l'effet de serre
L'effet de serre est le phénomène par lequel certains gaz de l'atmosphère (vapeur d'eau, , , ) absorbent une partie du rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre, puis le réémettent dans toutes les directions, dont une partie vers le sol. Ce piégeage partiel de l'énergie réchauffe la basse atmosphère et la surface.
Sans effet de serre, la température moyenne de surface de la Terre serait d'environ . Grâce aux gaz à effet de serre naturellement présents, elle est d'environ , soit un réchauffement naturel d'environ qui rend la vie possible. L'effet de serre est donc, en lui-même, un phénomène naturel et bénéfique ; c'est son intensification d'origine humaine qui pose problème.
8.4 La perturbation climatique actuelle d'origine anthropique
8.4.1 L'augmentation des gaz à effet de serre
Méthode : Mettre en évidence l'origine anthropique
Plusieurs arguments établissent l'origine humaine de la hausse récente du :
- la concentration atmosphérique de est passée d'environ à l'ère préindustrielle à environ aujourd'hui, un niveau sans équivalent depuis ans (courbes des carottes de glace) ;
- cette hausse coïncide avec la révolution industrielle et la combustion massive d'énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz) ;
- la signature isotopique du carbone atmosphérique (appauvrissement en ) confirme que le ajouté provient bien de la combustion de matière organique fossile.
Les activités humaines responsables des émissions de gaz à effet de serre sont principalement :
- la combustion d'énergies fossiles pour la production d'énergie, l'industrie et les transports () ;
- la déforestation, qui réduit l'absorption du par la végétation ;
- l'agriculture et l'élevage ( des ruminants et des rizières, des engrais).
Le forçage radiatif est la variation du bilan radiatif de la Terre (en ) provoquée par une perturbation, par exemple l'ajout de gaz à effet de serre. Un forçage radiatif positif correspond à un apport net d'énergie au système climatique, donc à un réchauffement. L'augmentation anthropique des gaz à effet de serre depuis l'ère préindustrielle correspond à un forçage radiatif positif de l'ordre de quelques .
8.5 La modélisation du climat futur
8.5.1 Les modèles climatiques
Un modèle climatique est un programme informatique qui simule le comportement du système climatique (atmosphère, océans, glaces, biosphère) à partir des lois de la physique. La surface du globe est découpée en une grille de cellules dans lesquelles on calcule l'évolution des températures, des vents, des courants, etc. Les modèles sont validés en vérifiant leur capacité à reproduire les climats passés et présents.
Une rétroaction (ou feedback) est un mécanisme par lequel un changement climatique en provoque un autre qui, en retour, amplifie (rétroaction positive) ou atténue (rétroaction négative) le changement initial.
Le réchauffement actuel est amplifié par plusieurs rétroactions positives :
- la fonte des glaces diminue l'albédo, donc augmente l'absorption d'énergie et le réchauffement ;
- le réchauffement augmente l'évaporation et donc la teneur en vapeur d'eau, elle-même gaz à effet de serre ;
- le dégel du pergélisol libère du et du .
Ces rétroactions rendent le système climatique difficile à stabiliser.
8.5.2 Les scénarios du GIEC
Le GIEC (Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat) synthétise les connaissances scientifiques sur le climat. Comme le climat futur dépend des émissions humaines à venir, le GIEC élabore plusieurs scénarios (trajectoires socio-économiques, ou SSP) allant d'un scénario sobre en émissions (forte réduction) à un scénario de fortes émissions. Chaque scénario est introduit dans les modèles pour projeter le climat futur.
Selon les scénarios, le réchauffement moyen global à l'horizon 2100 (par rapport à l'ère préindustrielle) varie fortement : de l'ordre de à pour un scénario de réduction forte des émissions, environ pour un scénario d'émissions intermédiaires, jusqu'à plus de pour un scénario de fortes émissions. L'éventail des projections reflète à la fois l'incertitude sur les émissions futures et l'incertitude des modèles.
8.5.3 Les conséquences du réchauffement
Les principales conséquences d'un réchauffement marqué sont :
- l'élévation du niveau marin (dilatation thermique de l'eau et fonte des glaces continentales), menaçant les zones côtières ;
- l'augmentation de la fréquence et de l'intensité des événements extrêmes (canicules, sécheresses, précipitations intenses) ;
- l'acidification des océans liée à la dissolution du ;
- le déplacement des aires de répartition des espèces et la perte de biodiversité.