E3. Atmosphère et climat récents
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SVT - TS E. Atmosphère et climats - 3. Récents E3. Atmosphère et climat récents En changeant d’échelle de temps, les indices disponibles pour caractériser le climat et l’atmosphère de ces 800 000 dernières années sont plus variés. Comme nous l’avons vu pour les paléoclimats, le climat général dépend essentiellement d’un critère : la température. Deux facteurs permettent de la déterminer dans l’histoire récente de la Terre : - Les glaces - Les fossiles (sédiments océaniques, pollen) L’évolution de la température est dépendante de la composition de l’atmosphère. Bilan E3.a EVOLUTION RECENTE DU CLIMAT – ETUDE DES BANQUISES L’analyse des glaces permet de connaître la température de notre planète ces derniers 800 000 ans. i. Changement d’état et isotopes Le passage entre état solide et gazeux dépend du poids d’une molécule d’eau. Ainsi, une molécule d’eau possédant des isotopes d’oxygène et d’hydrogène lourds (18O et D ou 2H) sera préférentiellement en phase liquide. Une molécule possédant des isotopes légers (16O et 1H) sera préférentiellement en phase gazeuse. ii. Conséquence sur les compositions isotopiques des océans, des nuages et des banquises A l’équateur, les isotopes légers se vaporisant plus rapidement, la proportion de 18O et D dans la masse gazeuse au dessus des océans est plus faible que celle de l’océan. Alors que la masse gazeuse se déplace, les isotopes lourds, qui condensent plus rapidement, se raréfient. La proportion de 18O et D dans la masse gazeuse au dessus des océans décroit donc à mesure qu’on s’éloigne de l’équateur. Aux pôles, la neige qui tombe sur les calottes glaciaires contient donc relativement peu de 18O et de D. 1 16 SVT - TS E. Atmosphère et climats - 3. Récents iii. Thermomètre isotopique Il est possible de déterminer le δ18O et le δD (en 0/00) selon les formules suivantes : [1] 𝛿 !"𝑂 = [2] 𝛿𝐷 = ( !"!/ !"! )!"#$% ! ( !"!/ !"! )!"#$% !"# !"é!"# ( !"!/ !"! )!"#$% !"# !"é!"# ( !/ !! )!"#$% ! ( !/ !! )!"#$% !"# !"é!"# ( !/ !! )!"#$! !"# !"é!"# × 1000 × 1000 Le δ18O et le δD varient de manière linéaire en fonction des températures moyennes de formation des cristaux. Ainsi, les deux données forment un thermomètre isotopique permettant d’analyser la température à différents temps donnés. è S’exercer Le rapport (18O/16O) moyen de l’eau actuel est de 2.10-3. 1. Calculer le delta 18O pour une glace formée au Groenland dont le rapport (18O/16O) est de 1,93.10-3. 2. Quelle température faisait-il au moment de la formation de cette glace ? iv. Evaluation de la température du globe selon le thermomètre isotopique L’utilisation d’un thermomètre isotopique fondé sur le rapport de concentration d’isotopes, calibré à la zone d’extraction des carottes glaciaires, permet de déterminer la température des derniers 800 000 ans. En effet, du fait des températures constamment négatives, les calottes glaciaires arctique et antarctique ont accumulé des épaisseurs de glace pouvant dépasser 3 kilomètres. On peut en extraire des carottes par forage. Au Groenland, ces carottes représentent plus de 100 000 ans d’archives. En antarctique, où les précipitations annuelles sont très faibles, le forage permet de remonter à 800 000 ans. 17 6 SVT - TS E. Atmosphère et climats - 3. Récents è Analyser des documents Doc 1 Localisation de quelques forages dans les calottes glaciaires. GRIP : Projet européen de carottage au Groenland. EPICA : projet européen de carottage en Antarctique. Doc 2 δD de la glace en fonction de son âge dans la calotte glaciaire antarctique sur le site du Dôme C. 18 Doc 3 δ O de la glace en fonction de sa profondeur dans la calotte glaciaire du Groenland (site GRIP). La profondeur à laquelle a été prélevée la glace est indiquée en rouge pour quelques échantillons étudiés. 7 18 Doc 4 δ O et δD de la glace en fonction de sa profondeur dans différentes stations. GRISP : Groenland Ice Sheet Project (équipe américaine) 3. D’après les documents ci-dessus, décrire l’évolution du climat sur Terre. 18 9 SVT - TS E. Atmosphère et climats - 3. Récents E3.b EVOLUTION RECENTE DU CLIMAT – ETUDE DES FOSSILES i. Etudes des sédiments océaniques Les FORAMINIFERES sont des animaux unicellulaires très répandus dans les fonds marins. Ils sont logés dans une coquille, un test, formée de plusieurs loges. Incorporant les atomes présents dans leur environnement, le δ18O des tests de foraminifères correspondent au δ18O des océans dans lesquels ils évoluaient. Des tests de foraminifères peuvent directement être extraits des sédiments. On peut alors effectuer deux types d’analyses : - Mesurer leur δ18O (la référence utilisée alors est le rapport O18/O16 moyen des océans actuel) - Analyser le type d’espèces car certaines espèces présentent des exigences climatiques très particulières. En effet, le δ18O des foraminifères est déterminé par la quantité de glace piégée dans les pôles. Si ce volume augmente, une grande partie de 16O y sera séquestré. Le δ18O des océans et donc des foraminifères augmentent. En cas de réchauffement, l’inverse se produit. En utilisant une référence externe, il est possible de réaliser le même genre de mesures sur les roches sédimentaires. ii. Palynologie Les associations végétales (forêt tropicale dense, savane, toundra, …) sont appelés BIOMES. Elles se trouvent dans des zones correspondant à des intervalles précises de température et d’humidité. Les POLLENS sont de particulièrement bons indicateurs de ces biomes. - Ils sont produits en grande quantité et disséminés (grande quantité de fossiles). - Leur forme est caractéristique d’une espèce. - Leur enveloppe contenant de l’exine les rend particulièrement résistants. Le diagramme pollinique Ainsi, pour chaque région et temps donné, il est possible d’analyser le spectre pollinique (nombre de Il traduit donc l'évolution, en ce lieu, des biomes au pollens de chaque espèce en pourcent). cours du temps. Associés à des méthodes de datation, les pollens Le DIAGRAMME POLLINIQUE (évolution des frépermettent de retrouver les grandes variations quences des différents pollens dans une région donclimatiques récentes née) traduit l’évolution d’un biome en un lieu donné et donc les modifications température/humidité. 19 SVT - TS E. Atmosphère et climats - 3. Récents E3.c ORIGINES DES VARIATIONS CLIMATIQUES NATURELLES i. Composition atmosphérique La composition atmosphérique peut être, elle aussi, connue grâce à l’analyse des glaces des calottes polaires pour les longues durées et des glaciers pour les plus courtes durées. En effet, lors de la formation des glaces, des bulles d’air sont piégées entre les cristaux. L’analyse de ces bulles d’air permet de connaître la composition atmosphérique récente. Depuis 800 000 ans, les concentrations en CO2, en protoxyde d’azote et en méthane (GAZ A EFFET DE SERRE) ont varié parallèlement et de façon cyclique, avec une période de 100 000 ans environ. Ces gaz absorbent les radiations infrarouges réémises lors de l’échauffement de la surface de la Terre par les radiations solaires incidentes, s’échauffent et renvoient à leur tour des radiations infrarouges vers cette surface. Ils sont responsables d’un EFFET DE SERRE qui permet d’expliquer la température moyenne à la surface du sol de la planète. Le CO2 est le 23 principal gaz à effet de serre après l’eau. Bien que les concentrations des GES évoluent de manière synchrone à celle de la température terrestre, ils ne suffisent pas à expliquer les écarts de température caractérisant les variations du climat. ii. Paramètres orbitaux La température terrestre dépend aussi de l’INSOLATION, la quantité d’énergie solaire reçue. L’insolation varie selon trois paramètres orbitaux : 1. L’EXCENTRICITE : valeur exprimant l’aplatissement de la trajectoire elliptique de la planète. L’excentricité de l’orbite terrestre varie de 0 à 6% suivant des périodicités de 400 000 et 100 000 ans. Plus l’excentricité est grande et plus l’insolation diminue. 2. L’OBLIQUITE : angle qui caractérise l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre par rapport au plan de l’orbite ; elle oscille entre 22° et 25° suivant une périodicité de 41 000 ans. 3. La PRECESSION : mouvement très lent de rotation de l’axe d’un corps, lui-même en rotation. La précession de l’axe de rotation de la Terre évolue suivant des périodicités de 23 000 ans et 19 000 ans. 20 SVT - TS E. Atmosphère et climats - 3. Récents Ces facteurs orbitaux modifient peu l’insolation (< 0.2%) et peuvent expliquer des différences de températures n’allant que jusqu’à 0.5°C à la surface de la Terre. Ces modifications précédant les variations globales de température, il est possible qu’elles soient leur élément déclencheur. iii. Solubilité du CO2 La solubilité du CO2 dans l’eau diminue lorsque la température augmente. Lorsqu’une augmentation d’insolation initie une augmentation de température des eaux océaniques superficielles, du CO2 est libéré depuis l’océan vers l’atmosphère, ce qui amplifie le réchauffement du fait d’un effet de serre accru. A l’inverse, une baisse d’insolation induit une baisse de température qui s’accompagne d’une dissolution accrue de CO2 dans l’océan et donc d’une baisse de l’effet de serre. iv. Albédo de la Terre L’ALBEDO d’un objet est le rapport entre l’énergie qu’il réfléchit et l’énergie solaire qu’il reçoit. Plus une surface est réfléchissante, moins elle s’échauffe. Ainsi l’albédo des glaces est largement supérieur à celui de la Terre (0.85 contre 0.2). L’albédo moyen dépend de la surface de glace recouvrant la Terre. Lors de l’installation d’une période froide, le développement des glaces polaires augmente l’albédo de la planète. Le rayonnement solaire est davantage réfléchi et la planète s’échauffe moins. L’inverse se produit lors d’un réchauffement de la planète. v. Variations climatiques naturelles - Résumé 21 SVT - TS E. Atmosphère et climats - 3. Récents E3.d ORIGINES ANTHROPIQUES DES VARIATIONS CLIMATIQUES Avant 1960, la modélisation de l’évolution de la température ne prenant en compte que le FORÇAGE NATUREL demeure relativement proche de celle intégrant en plus le FORÇAGE ANTHROPIQUE, et de l’évolution constatée de la température moyenne globale. Depuis 1960, l’évolution de la température moyenne globale s’est écartée de l’évolution de la température modélisée à partir de la seule prise en compte du forçage naturel, tout en demeurant proche de celle modélisée sur la base de forçages naturel et anthropique. Cela signifie qu’à partir de 1960, l’augmentation des rejets de gaz à effet de serre en relation avec les activités humaines est devenue un facteur prépondérant de l’évolution de la température, donc du climat. 37 22 SVT - TS E. Atmosphère et climats - 3. Récents E3. ATMOSPHERE ET CLIMAT RECENTS - Résumé 23 SVT - TS E. Atmosphère et climats - 3. Récents S’exercer au BAC Asie 2016 II.b La disparition des mammouths laineux Le mammouth laineux (Mammuthus primigenius) est une espèce fossile proche des éléphants actuels. Il y a quelques dizaines de milliers d’années, il occupait encore une large partie de l’Eurasie et de l’Amérique du Nord. Mais, il y a environ 10 000 ans, presque toutes ses populations ont disparu. D’après A. Hołda-Michalska, Geological Review, 2014 À l’aide de l’exploitation des documents proposés et de vos connaissances, montrer que la disparition des mammouths laineux pourrait avoir deux causes différentes. Document 1 Variation de l’insolation à 60° de latitude nord durant les derniers 45 000 ans L’insolation correspond à la quantité d’énergie solaire (en Watts) reçue par mètre carré de surface terrestre. Elle dépend largement des paramètres astronomiques de la planète. D’après G.M. MacDonald et al., Nature, 2012 24 SVT - TS E. Atmosphère et climats - 3. Récents Document 2 Informations déduites de la composition isotopique des glaces Document 2.a Relation entre le delta 18O de la glace du Groënland et la température moyenne de l’air dans cette région D’après J. Jouzel et al., Journal of Geophysical Research, 1994 Document 2.b Variation du delta 18O dans une carotte de glace du Groënland durant les derniers 45 000 ans 25 SVT - TS E. Atmosphère et climats - 3. Récents Document 3 Variation de la teneur en spores de végétaux du genre Sphagnum dans une tourbière d’Alaska Les végétaux du genre Sphagnum, caractéristiques des tourbières, présentent la particularité de résister à des températures extrêmement faibles (jusqu’à -50°C). Toutefois, elles sont plus abondantes lors des périodes chaudes. Pour leur reproduction, les Sphagnum produisent des spores. Selon les paléontologues, dans le passé, l’expansion des tourbières en Alaska se faisait au détriment des plantes dont se nourrissaient les mammouths. Autrement dit, plus les tourbières occupaient d’espaces et moins les mammouths disposaient de nourriture. D’après G.M. MacDonald et al., Nature, 2012 Document 4 : territoires occupés par les mammouths laineux et par les Hommes préhistoriques à différentes périodes D’après G.M. MacDonald et al., Nature, 2012 26
