Certitudes des paléoclimatologues
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Bases scientifiques du changement climatique 1 Les certitudes des paléoclimatologues Le climat de la Terre a fortement changé dans le passé. Et il est tout à fait normal qu’il changera dans le futur. Dernier maximum glaciaire (18 ka BP) DT = – 5°C D niveau de la mer = –130 m D volume glace = +52 106 km3 CO2 préindustriel = 280 ppmv CO2 2000 AD = 370 ppmv CO2 18 ka BP = 200 ppmv (Joussaume, 1993) La calotte glaciaire il y a 18000 ans Évolution du niveau de l’océan modial à la sortie de la glaciation Valeurs en mètres par siècle Source: IPCC Source: IPCC Température de l’air Température de l’air Températures annuelles moyennes à Luxembourg-ville 11.0 10.5 10.0 9.5 9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 1838 1848 1858 1868 1878 1888 1898 1908 1918 1928 1938 1948 1958 1968 1978 1988 1998 2008 Archives climatiques naturelles • • • • • • • Carottes glaciaires, Carottes de sédiments océaniques et lacustres, Carottes de loess Dépôts coralliens Cernes des arbres Pollen Roches sédimentaires Extraction d’une carotte de glace à Dome C Formation de la calotte glaciaire bulles d’air emprisonnées à partir de 70 m de profondeur Source: http://eesc.columbia.edu/courses/ees/slides/climate/firn.gif Carottes de glace Extraction de carottes de sédiments marins Evolution des glaciers Dépôts coralliens Dendroclimatologie Dépôt de loess en Chine Analyses des archives • Composition des bulles d’air enfermées dans les carottes de glace • Charge en aérosols des carottes de glace • Analyses isotopiques des carottes glaciaires, sédimentaires, coralliennes • Analyse des pollens et des microorganismes des carottes sédimentaires • Analyse de la susceptibilité magnétique des loess • Analyse dendroclimatologique des cernes des arbres • Localisation des dépôts coralliens Méthodes d’analyse • Diversité de la faune océanique • Analyse du rapport 18O/16O des isotopes de l’oxygène: thermomètre isotopique • ... • Méthodes de datation Analyse du rapport 18O/16O des isotopes de l’oxygène: thermomètre isotopique Deux isotopes de l’oxygène: 16O et 18O 18 18 O éch OSMOW 18 Rapport isotopique (en ‰): O 1000 18 O SMOW Animation: Fractionnement isotopique de l’oxygène (lien pour tétécharger l’animation: http://pedagogie.ac-toulouse.fr/svt/serveur/lycee/perez/clindex/clindex.htm) Fractionnement isotopique de l’oxygène Au dessus de l’océan tropical, l’eau contenant l’isotope léger 16O s’évapore préférentiellement. Lorsque la vapeur d’eau condense, celle contenant l’isotope lourd 18O condense préférentiellement. Au cours du déplacement vers les hautes latitudes, l’air se refroidit de plus en plus et la vapeur d’eau condense de plus en plus. Les précipitations successives s’appauvrissent de plus en plus en 18O. Fractionnement isotopique de l’oxygène La neige qui tombe aux très hautes latitudes, et la glace de la calotte qui s’y forme, sont appauvries en 18O d’environ 4% par rapport à l’eau de mer. Fractionnement isotopique de l’oxygène Plus il fait froid aux Pôles, •moins la teneur en vapeur d’eau dans l’atmosphère est grande •plus la proportion de vapeur d’eau condensée est grande •plus les précipitations aux très hautes latitudes sont appauvries en 18O •plus la glace des calottes glaciaires est appauvrie en 18O Thermomètre isotopique de l’oxygène Archives sédimentaires Le calcaire des coquilles des foraminifères lie préférentiellement le 18O. Ces coquilles s’enrichissent donc en 18O par rapport à l’eau de mer. Pour les foraminifères benthiques (qui vivent au fond où la température est constante et égale à 1°C), l’enrichissement est d’environ 2,8%. Archives sédimentaires Résultat: Plus il fait froid aux Pôles, plus les coquilles des foraminifères sont enrichies en 18O. En période glaciaire, l’accumulation de glace appauvrie en 18O est énorme, donc l’eau de mer est enrichie en 18O d’environ 0,15% par rapport à la valeur actuelle. Par conséquent l’enrissement des coquilles des foraminifères benthiques est de 2,95%! Corrélation 18O carotte glaciaire et carotte sédimentaire Archives du Groenland Archives d’Antarctique Comparaison Groenland et Antarctique Comparaison Groenland et Antarctique Teneur en poussières des bulles d’air emprisonnées dans la glace Causes des variations climatiques • Evolution du Soleil et transparence du milieu interplanétaire • Composition chimique de l’atmosphère • Diatrophisme, tectonique des plaques, activité volcanique • Variation des paramètres liés à l’orbite terrestre autour du Soleil et à l’axe terrestre • Activité solaire Composition de l’atmosphère Variation du CO2 atmosphérique Variation du CO2 atmosphérique Variation du CO2 atmosphérique Variation du CO2 atmosphérique Variation du CO2 atmosphérique Variation du CO2 et de l’O2 atmosphérique La courbe rose vient de mesures effectuées à Alert, Canada (82°N) et la courbe bleu clair de mesures effectuées à Cape Grim, Australie (41°S). La tectonique des plaques comme l’une des causes des variations climatiques Il y a 30 millions d’années, l’Amérique du Sud était reliée à l’Antarctique: les courants marins chauds amenaient beaucoup de chaleur jusque vers l’Antarctique sur laquelle il n’y avait pas encore de calotte glaciaire. Il y a 15 millions d’années, le passage entre les deux continents s’ouvrit et un courant marin froid s’installa autour de l’Antarctique. La calotte glaciaire commença à se former. Théorie astronomique de Milankovic (1941) La théorie explique la succession des cycles glaciaire-interglaciaire du Quaternaire. Le rayonnement solaire total reçu par les hautes latitudes de l’hémisphère N varie. Il dépend de paramètres astronomiques terrestres: excentricité de l’orbite, obliquité de l’axe, mouvements de précession. Les glaciations correspondent aux périodes durant lesquelles les hautes latitudes de l’hémisphère Nord reçoivent un minimum de rayonnement solaire pendant l’été. Excentricité de l’orbite L’excentricité de l’orbite terrestre varie entre une ellipse plus allongée et un cercle, avec des périodes de 400 000 et 100 000 ans Animation Obliquité de l’axe: les saisons Les saisons sont dues au fait que l’axe terrestre est incliné par rapport à l’écliptique (= plan de l’orbite terrestre). Hémisphère Nord: en hiver elle est détournée du Soleil, et en été elle est tournée vers le Soleil. Les saisons Les saisons Obliquité de l’axe L’inclinaison de l’axe terrestre varie entre 22° et 25°, avec une période de 41000 ans Obliquité de l’axe L’inclinaison de l’axe terrestre varie entre 22° et 24,5°, avec une période de 41000 ans Animation Précession du périhélie La trajectoire elliptique de la Terre tourne avec une période de 120000 ans. Animation Précession astronomique L’axe terrestre décrit un cône avec une période de 26000 ans. Résultat des deux précessions: la position de la Terre du début du printemps passe tous les 22000 ans par le même point de l’orbite. Précession des équinoxes Précession des équinoxes Précession des équinoxes Précession des équinoxes Précession des équinoxes Animation 1: cycles de Milancovic Animation 2: cycles de Milancovic Théorie astronomique de Milankovic Les signaux indiquent la variation de l’insolation, aux hautes latitudes Nord, en été. Théorie astronomique de Milankovic Le climat interglaciaire s’installe aux maxima de l’insolation reçue par les hautes latitudes Nord, en été. Dans ces conditions la neige tombée en hiver peut entièrement fondre en été. Le climat glaciaire s’installe lorsque l’insolation reçue par les hautes latitudes Nord, en été, est moindre. Dans ces conditions la neige tombée en hiver ne fond plus en été, et une calotte glaciaire peut croître (le sol couvert de neige réfléchissant les rayons solaires). Théorie astronomique de Milankovic Preuves de la théorie astronomique de Milankovic La courbe donnant le volume de glace de la calotte glaciaire sur l’hémisphère Nord est bien corrélée avec l’insolation reçue par les hautes latitudes Nord, en été. Archives d’Antarctique Preuves de la théorie astronomique de Milankovic L’analyse des fréquences contenues dans les courbes obtenues à partir des analyses en 18O fait bien ressortir les fréquences des paramètres orbitaux et axiaux de la Terre. Rétroaction positive du CO2 et du méthane Animation: Vostok L’analyse des bulles d’air enfermés dans la glace permet de reconstituer la composition de l’atmosphère dans le passé. Surprise: Lorsqu’il faisait plus chaud, l’atmosphère contenait plus de gaz à effet de serre (CO2 et CH4) que lorsqu’il faisait froid. Ceci renforçait le réchauffement au cours des périodes interglaciaires et le refroidissement au cours des périodes glaciaires. Cette corrélation reste encore inexpliquée de nos jours! Rétroaction du plancton? Corrélation CO2 et température mondiale Accroissement actuel du CO2 L’accroissement actuel du CO2 est bien corrélée avec l’échauffement actuel du climat! On sait pertinemment qu’une atmosphère contenant plus de gaz à effet de serre va provoquer un réchauffement au sol et dans la basse atmosphère, et un refroidissement dans la haute atmosphère (effet de serre). Est-ce qu’il y a une relation de cause à effet, c. à d., est-ce que l’échauffement terrestre observé au cours des 30 dernières années est dû à l’accroissement de la teneur par l’atmosphère en gaz à effet de serre? Aujourd’hui, la grande majorité des scientifiques pensent qu’il y en est ainsi. Le système climatique est un système chaotique Peu de choses peuvent influencer le dinosaure à prendre l’une des vallées au lieu de l’autre. Une fois entré dans la vallée il sera difficile de revenir dans l’autre. De faibles causes peuvent avoir des effets importants. Le système climatique est un système chaotique Il semble qu’une telle situation se soit produite au Sahel: le climat régulièrement assez humide est devenu tout à coup très sec. Bases scientifiques du changement climatique (I) Testez vos connaissances et votre compréhension... 1) Quelles ont été les changements climatiques les plus importants au cours de l’existence de la Terre ? 2) Comment a-t-on acquis des informations sur les climats du passé? 3) Quelles sont les causes naturelles des changements climatiques? 4) Comment peut-on expliquer la succession des cycles glaciaireinterglaciaire à l’aide de la théorie astronomique de Milancovic? 5) Comment les concentrations atmosphériques du CO2 et du CH4 ontt-elles influencé les cycles glaciaire-interglaciaire? 7) Expliquer la méthode du thermomètre isotopique. 8) Comment expliquer la variation périodique annuelle du CO2 dans l’air? Fin de la 1re partie
