Thème 2 : ATMOSPHERE, HYDROSPHERE, CLIMATS : DU PASSE

Thème 2 : ATMOSPHERE, HYDROSPHERE, CLIMATS : DU PASSE A L’AVENIR
Notions
Le climat, à l’échelle globale ou locale, est le résultat d’interactions multiples entre l’énergie solaire, les
enveloppes fluides terrestres (atmosphère, hydrosphère), et la géosphère.
La compréhension, au moins partielle, de cette complexité, et l’étude des variations climatiques passées
permettent de comprendre son évolution et d’envisager une gestion raisonnée de l’influence de l’Homme.
1. Différents indices (étude des glaces polaires et des pollens anciens) permet de reconstituer les variations
climatiques des 800 000 dernières années.
 La composition de l’atmosphère d’une période récente (moins d’un MA) peut être établie par l’analyse
des bulles d’air piégées dans les glaces.
 L’analyse des bulles d’air révèle des variations conjointes des taux atmosphériques de CO2 et CH4
 Récemment, ces taux ont dépassé largement les valeurs maximales attendues au cours de la
période étudiée, du fait d’importantes émissions d’origine anthropique.
 Des polluants d’origine strictement anthropique (CFC, métaux lourds…) sont détectables dans les
glaces de la période industrielle.
 La composition isotopique des glaces polaires constitue un « thermomètre isotopique »
 Les rapports D/H et dO18 des molécules d’eau de la glace permettent d’estimer la température de
l’air au moment de la chute de neige car ils varient dans le même sens.
 Les archives glaciaires témoignent de variations cycliques de la température depuis 800 00 ans,
avec une période de 100 000 ans environ.
 D’autres indicateurs (traces laissées par les glaciers après leur fonte, pollens fossiles…etc) contribuent
aussi à retracer les évolutions climatiques récentes.
Activités, supports
 Les pollens récoltés dans des pièges sédimentaires (tourbières par exemple) témoignent de la
végétation du passé. Or la végétation dépend étroitement du climat. Ainsi, l’interprétation d’un
diagramme pollinique (nature et proportions des pollens dans une carotte sédimentaire en fonction de
la profondeur) permet de reconstituer des paléoclimats successifs.
 L’interprétation des diagrammes polliniques repose sur les principes de l’actualisme (les espèces
fossiles ont les mêmes exigences que les espèces actuelles) et de superposition (les couches les plus
profondes sont les plus anciennes.
 L’étude de différents indicateurs montre sur les 800 000 dernières années des changements climatiques
globaux, planétaires, et périodiques, sous la forme d’une succession de cycles qui coïncident avec les
variations cycliques de composition de l’atmosphère en gaz à effet de serre.
2. Le système climatique terrestre a pour moteur principal l’énergie solaire. Le bilan radiatif, qui dépend de
l’effet de serre et de l’albédo, traduit un état d’équilibre. Cet équilibre peut être modifié par différents
facteurs (forçages), dont certain d’origine anthropique (augmentation de l’émission des gaz à effet de serre)
 Le climat en un lieu donné est défini comme une moyenne des conditions météorologiques établie sur
plusieurs dizaines d’années.
 Le bilan radiatif de la terre est le rapport entre l’énergie solaire incidente et le rayonnement émis.
L’énergie incidente est inégalement répartie. Les courants océaniques et atmosphériques transfèrent
l’énergie excédentaire de l’équateur vers les pôles.
 La température moyenne globale de la terre dépend aussi de l’effet de serre et de l’albédo
 L’Effet de serre est le phénomène par lequel les rayons infrarouges émis par la surface d’une planète sont
piégés par des gaz atmosphériques, ce qui est à l’origine d’un réchauffement.
 Sur Terre, l’effet de serre est dû principalement à la vapeur d’eau et à d’autres gaz minoritaires (CO2,
CH4, N2O).
 L’albédo mesure le pouvoir réfléchissant du sol ou de l’atmosphère (rapport entre l’énergie réfléchie et
l’énergie incidente)
 Différents facteurs (forçages) peuvent influencer le climat global et induire des modifications du bilan
radiatif
 Des variations périodiques de paramètres orbitaux (orbite de la Terre, inclinaison et orientation de son
axe de rotation) modifient son exposition au rayonnement solaire. Ces périodes sont similaires aux
variations climatiques du quaternaire.
 L’activité solaire varie également dans le temps (cycles de 11 ans par exemple), ce qui affecte le flux
solaire.
 L’albédo varie en fonction de la proportion, la nature des nuages et de la surface terrestre (couvert
végétal, extension des calottes polaires…etc.).
 Les variations de la teneur atmosphérique en CO2, d’origine géologique ou anthropique, induisent aussi
des modifications du climat global.
- L’activité volcanique contribue à extraire du CO2 du manteau vers l’atmosphère (donc enrichit
l’atmosphère en CO2)
- L’altération des silicates (érosion d’une chaîne de montagne) est consommatrice de CO2 (donc
appauvrit l’atmosphère en CO2)
- Les variations de solubilité du CO2 dans les océans modifient aussi la quantité de CO2
atmosphérique qui participe à l’effet de serre et la quantité de CO2 dissoute dans les océans.
- En libérant par ses activités des gaz à effet de serre, l’Homme modifie la composition atmosphérique,
ce qui entraine un forçage radiatif d’origine anthropique et un réchauffement détectable à l’échelle
globale.
 Les changements induits par les forçages peuvent entraîner des rétroactions positives (amplifient la
réponse aux forçages) ou négatives (effet stabilisateur).
 Par exemple : un refroidissement  extension des glaces  augmentation de l’albédo  amplifie le
refroidissement (rétroaction positive)
 Par exemple : Le réchauffement  accentue le phénomène d’érosion donc d’altération des silicates 
augmente le « pompage » du CO2 atmosphérique  réduit le réchauffement (rétroaction négative)
 Les connaissances actuelles sur les facteurs influençant le climat permettent de construire des modèles
numériques du système climatique et d’élaborer des scénarios possibles d’évolution du climat, véritable
enjeu scientifique et sociétal
 L’identification des paramètres influençant le climat et la compréhension (même partielle) de leurs
nombreuses interactions sont indispensables à la construction de modèles d’évolution climatique du
passé mais surtout du futur.
 Les résultats des simulations climatiques permettent d’envisager une gestion raisonnée de l’influence de
l’Homme sur le climat. Celui-ci peut notamment agir, par ses choix de vie et de société, sur les rejets de gaz à effet
de serre.
3. Sur les grandes durées (dernier milliard d’années), les traces de variations climatiques de grande ampleur
sont enregistrées dans les roches sédimentaires. Des conditions climatiques très éloignées de celles de
l’époque actuelle ont existé. Ces variations climatiques sont liées à l’histoire des enveloppes de la Terre
(atmosphère, hydrosphère, géosphère et biosphère)
 Certaines roches sédimentaires et leurs fossiles témoignent du climat local au moment de leur
formation : Ce sont des indicateurs climatiques que l’on peut exploiter en appliquant le principe de
l’actualisme.
 Bauxite et latérites témoignent par exemple d’un climat tropical
 Les évaporites sont des roches indicatrices d’un climat chaud et aride
 Les tillites, liées à la présence d’une calotte glaciaire, témoignent d’un climat polaire
 Les fougères fossilisées dans les sédiments du Permo-carbonifère sont caractéristiques de la présence
d’une vaste forêt tropicale à cette époque.
 L’étude de la répartition mondiale des indicateurs climatiques permet de reconstituer les grandes aires
climatiques (tropicale, tempérée et polaire) et d’étudier les variations de leur extension latitudinale.
 Le climat global varie à l’échelle des temps géologiques entre 2 situations extrêmes : période chaude
sans calottes polaires et période froide avec calottes plus ou moins développées.
 Le Permo-Carbonifère (-320 à -280 MA) se caractérise par un climat global plus froid qu’à l’actuel, avec
un fort contraste latitudinal (calotte polaire très étendue dans l’hémisphère Sud et zone tropicale à
l’équateur)
 Au Crétacé (-135 à – 65 MA), le climat global était bien plus chaud qu’à l’actuel, sur toute la surface de la
Terre (absence de calottes polaires et développement des coraux jusqu’aux hautes latitudes)
 Les variations d’insolation liées aux paramètres astronomiques ne peuvent expliquer de telles variations
climatiques importantes sur plusieurs dizaines de millions d’années. D’autres paramètres, en particulier
les forçages contrôlant les variations importantes du CO2 ont dû jouer un rôle majeur.
 La paléogéographie évolue dans le temps, sous l’effet de la tectonique des plaques. Elle a une influence
directe sur le climat.
- Par exemple, le haut niveau marin l’absence de calottes polaires au Crétacé  albédo faible 
favorise un climat chaud
- Au Permo Carbonifère, le regroupement des terres en un continent unique (Pangée) favorise
l’installation d’une calotte polaire  augmentation de l’albédo  favorise climat froid
 Les variations de l‘activité volcanique, l’altération continentale plus ou moins poussé des silicates, le
piégeage de la matière organique dans les roches carbonées sont autant de facteurs pouvant faire fluctuer
le taux de CO2 atmosphérique au cours des temps géologiques.
- Par exemple, au Permo Carbonifère, la croissance importante de la forêt tropicale favorise la
fossilisation de la matière organique et donc le piégeage du carbone qui ne retourne pas à
l’atmosphère sous forme de CO2, ce qui diminue l’effet de serre.
- Dans la même période, l’altération de la vaste chaîne hercynienne (altération des silicates) a le même
effet.
- Ces différents facteurs additionnent leurs effets et expliquent le maintien d’un climat globalement plus
froid qu’à l’actuel.
4. L’atmosphère initiale de la Terre était différente de l’atmosphère actuelle. Le passage d’une atmosphère
réductrice (absence d’O2) à une atmosphère oxydante (présence d’O2) est la conséquence du développement
de la vie (photosynthèse). Des arguments pétrographiques valident ce scénario
 L’atmosphère primitive de la Terre s’est formée il y a 4,5 Ga par dégazage du manteau. Cette atmosphère
primitive était riche en CO2, SO2, vapeur d’eau et N2 mais dépourvue d’O2
 A partir de -3,5 Ga, des cyanobactéries marines, constructrices de stromatolithes, réalisent la
photosynthèse oxygénique. La présence de formations sédimentaires de fer rubané oxydé (BIF) atteste
l’enrichissement des océans en O2 jusqu’à -2,2 Ga.
 L’apparition de paléosols rouges en domaine continental (« red beds ») à partir de -2,2 Ga indique que les
conditions oxydantes gagnent le domaine atmosphérique, suite à la diffusion d’O2 de l’océan (saturés en
O2) vers l’atmosphère.
 L’O2 a influencé à son tour l’évolution de la vie : apparition de la respiration, mise en place d’une couche
d’ozone (O3) protégeant les êtres vivants des rayons UV et permettant la conquête du milieu continental.