- 1 -

ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
- 1 -
24/10/13
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
- 2 -
24/10/13
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
AVERTISSEMENT AU LECTEUR
Aristarque de Samos
Malgré plus de 10 années d’ajouts variés et de
modifications — et maintenant de pages web élèves Q- ou MC- nom de
la page.htm, « Question » ou « Mot-Clef » indiqués au long de ce poly et
que vous retrouverez en sur le site http://www.emse.fr/~bouchardon dans la
rubrique Wiki Elèves 2009-10-11 — ce poly n’est toujours pas un
cours complet. Ce n’est d’ailleurs pas son objectif, même si
sans doute trouverez-vous ici ou là au long de ces cent
cinquante pages, un fourmillement rebutant de connaissances
parfois trop (?) pointues, typiques d’un cours. Le propos est
de venir en aide au lecteur, étudiant de l’EMSE ou autre,
dans sa compréhension des processus naturels en le baladant
dans des échelles de temps ou d’espace très variées et en
tirant ici ou là sur la pelote de la complexité par quelques
brins.
En effet, une approche globale (voire systémique) des
processus est indispensable à la compréhension des
phénomènes naturels et cette culture devient d’autant plus
nécessaire qu’avec les temps modernes, l’homme est bien
devenu la 1ere espèce consciente que son activité influence
le futur de notre planète. Il ne faut ni s’en enorgueillir ni
en avoir peur, mais garder à l’esprit que les générations que
nous formons aujourd’hui auront à agir demain en étant
capables de considérer leur action en termes de problèmes
globaux, dans leur complexité et dans le respect de ce qui
l’entoure, animal, végétal, minéral. Pour ces générations, de
plus en plus peuplées et actives, le caractère holistique des
processus naturels — au sens où ceux-ci ont tendance au travers
de leur fonctionnement à créer des ensembles structurés qui
présentent des dimensions supérieures à la somme de leurs parties
— imposera de les aborder avec une pensée complexe en
vue d’une politique de développement soutenable. Le mot
anglais « soutenable » est peut-être préférable à « durable »,
dont la connotation temporelle entrave la compréhension du
concept en laissant penser qu’il s’agit de faire durer l’état
actuel quand il s’agit au contraire de le faire évoluer. Le
développement soutenable implique une politique de
croissance responsable et respectueuse, fondée sur la
mitigation1 et non sur un retour supposé vertueux (et
complètement irrationnel) aux temps d’avant, Eden
écologique pour une pensée unique. Viser à limiter l'intensité
de certains aléas tels que ceux liés à des phénomènes
climatiques et géologiques impose d’en saisir les processus
et les interactions. Et même si nous devions en venir à
considérer toute politique de mitigation comme inaccessible,
en terme de coût aussi bien que de technique, il resterait à
fournir l’indispensable effort d’adaptation aux changements
d’environnement qui, de toute manière, attendent notre
espèce et auxquels, de toutes façons, nous n’échapperons
pas !
1
Mitigation : du latin mitigare), signifie atténuation. Dans
le cadre de la prévention de risques majeurs naturels,
l’objectif de la mitigation est d'atténuer les dommages sur les
enjeux, afin de les rendre plus supportables par la société.
La dilapidation des ressources naturelles est, pour les
combustibles fossiles, irréversible pour la fraction déjà
consommée. Elle est même semble-t-il impossible à réduire
pour les sociétés les moins industrialisées2. Face à cette
situation, le plus dérangeant n’est pas tant la disparition
d’une énergie quand d’autres sont renouvelables et
seront largement à la disposition de l’homme dans le
futur, que l’épuisement d’un gisement source d’une foule
d’applications autres qu’énergétiques. Sur ce plan là,
l’irréversibilité de nos actes doit peser dans nos décisions.
S’agissant d’éléments utiles à la fabrication de nos objets et
outils manufacturés, l’épuisement de la ressource est virtuel.
Le recyclage devient la norme et constituera demain le
nouveau gisement, délocalisé et permanent, dont la
raréfaction sera en quelque sorte presque seulement
dépendante de la taille de la population mondiale3.
L’utilisation des deux ressources vitales, l’air dont
nous commençons à peine à saisir l’importance d’une
gestion, et l’eau, tombée du ciel et donc toujours considérée
comme bénédiction de(s) (D)dieu(x) — utilisez à votre
convenance majuscule, singulier et pluriel — sera demain au
cœur des préoccupations humaines. Protéger et gérer
nécessite une compréhension claire du cycle de l’eau, du
carbone, des substances contaminantes etc., ainsi que des
interactions entre tous les réservoirs. Passant par nos
2
L’absolue nécessité de rattraper leur retard économique, ou
simplement de cuire, de se chauffer, de se déplacer implique,
pour les sociétés les plus pauvres, l’utilisation des ressources
les moins chères, pour l’heure les combustibles fossiles, quel
qu’en soit le prix à payer à long terme. On voit combien il y
a loin des intentions aux accords (Kyöto, Montréal ou
Copenhague) et des accords aux réalités qui les suivent… La
mitigation passe ici très certainement par notre capacité à
proposer des techniques de substitution au moins aussi
rentables en terme de coût/performance. Une stratégie
adaptative s’impose à nous qui ne relève pas des éco-taxes
ou autres incitations à consommer moins, quand le rêve du
modèle développé pilleur des ressources qui est le nôtre
multiplie les besoins d’une population en pleine croissance,
tant démographique qu’industrielle. C’est une Grameen
green mitigation participative qu’il nous faudra inventer.
3
On voit bien ici comment la mondialisation des échanges
s’accompagne d’une prise de conscience que le jardin
planétaire est borné. L’idée qu’un jour le nombre des
individus devra l’être aussi est déjà perceptible à travers
l’émergence de notions telles que le nombre d’individus que
la Terre est capable de nourrir. Là encore une stratégie
d’adaptation prévaudra sur un « croissez et multipliez »
ancestral, nécessaire au salut d’un groupe initial faible vivant
dans un espace infini pour lui, mais devenu destructeur pour
un groupe nombreux exerçant une prédation forte sur un
espace fini.
- 1 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
besoins, cette eau merveilleuse rejoint un cours d’eau,
« diluteur » muet des rejets dont nous le chargeons, dont
nous ne connaissons que la surface. Parfois seulement
(hélas), la vie de ce fleuve vient nous rappeler au détour
d’une angoisse médiatisée que nous nous sommes forgé un
vrai souci (e.g. les PCB, les antibiotiques …). Certes, les
pays industrialisés ont pris conscience qu’ils ont les moyens
de s’éviter des problèmes à venir et l’eau de nos rivières
devient chaque jour moins sale. Pour le reste, l’immensité
océanique si mal connue4 sert encore trop souvent de
poubelle à nos déchets, on la considère à tort comme un
garde-manger inépuisable, comme le moyen idéal de
circulation sans entretien pour nos marchandises5 sur des
bateaux pollueurs (fortunes de mer, dégazages, conteneurs
etc.), voire parfois des quasi-épaves flottantes6… Tous ces
problèmes ne sont pas récents. Le Nouvel Obs. écrivait en
2000, N°1879, « 40 000 navires de plus de 300 tonneaux
sillonnent en permanence les océans et un bateau rejoint
tous les trois jours le fond des mers » et de rajouter, presque
en commentaire par anticipation à notre propos, « Mais plus
que naufrages et dégazages sauvages, c’est la terre et ses
fleuves poubelles qui polluent massivement la mer ».
Bref,
inconsciemment
ou
pas,
l’homme
d’aujourd’hui a largement mutualisé ses déchets, mais
choisi une démarche conflictuelle (y compris en U.E.7)
pour gérer la ressource. Il eut mieux valu une approche
systémique à l’échelle de la ressource et des déchets générés,
pour une gestion commune… Dans « la voie pour l’avenir
de l’humanité » 2011, Edgard Morin explore des possibles
réformes, rêves peut-être, utopies sans doute, mais la route
que l’humanité s’est tracée devra changer ; la réussite de
notre espèce a résidé dans sa capacité à coévoluer avec notre
monde, pas sûr que nous gagnions à refuser plus longtemps
d’en faire partie.
Notre regard est en train de changer. La perception de
la finitude du milieu qui nous accueille (espace et temps),
dont la mondialisation n’est qu’une des manifestations, se
fait jour. Elle vient s’ajouter à celle de la diversité croissante
4
La première carte des fonds océaniques, celle de
l’atlantique Nord, publiée par B. Heezen et M. Tharp, date
de 1957, et la publication de l’ensemble des fonds
océaniques mondiaux (par les mêmes auteurs) a attendu
1977. En outre, nous sommes encore très loin d’avoir
identifié toutes les espèces vivantes, leurs cycles de vie, leurs
interdépendances.
24/10/13
et non finie des connaissances indispensables à la prise en
compte de la complexité des processus mis en jeux.
L’approche systémique de l’interface
Géosphère ∩ Atmo-hydro-sphère ∩ biosphère
est une absolue nécessité pour aider à mieux comprendre et à
réduire la vulnérabilité des enjeux qui nous attendent… Ce
dernier point n’est déjà plus notre propos, et nous limiterons
les objectifs de ce poly à fournir quelques-unes
des
clefs indispensables pour
appréhender les processus naturels
de manière globale.
Il s’agit là d’une obligation particulière, qui impose
une remobilisation très forte de nos modes de
fonctionnement. J’emprunterai aussi à Edgar Morin la prise
de conscience qu’il nous faut faire, que la cause profonde du
danger qui nous guette « est d'abord dans l'organisation de
notre savoir en systèmes d'idées, de théories, d'idéologies »,
que la science peut, par spécialisation excessive, conduire
vers « une nouvelle ignorance liée au développement de la
science elle-même, à l'usage dégradé de la raison. Tant que
nous ne relions pas les connaissances selon les principes de
la connaissance complexe, nous restons incapables de
connaître le tissu commun des choses… …les erreurs
progressent en même temps que nos connaissances. N'est-il
pas urgent de réinterroger une raison qui a produit en son
sein son pire ennemi, la rationalisation?
Fort de cette interrogation, il m’a paru indispensable
de confronter dans ce poly des arguments scientifiques qui,
pourtant tous publiés dans des revues à comité de lecture,
s’opposent dans l’exposé des faits ou dans les modèles que
les auteurs en tirent. L’objectif d’une telle confrontation
n’est alors pas de définir une « vérité » mais au contraire
d’inviter le lecteur à penser de manière critique, à éviter les
courts-circuits de la réflexion et les conventions culturelles
qui alimentent la doxa (voir épilogue).
Utiliser ce poly dans le but d’assembler vos savoirs
en une trame vous donnant à lire la complexité du monde est
beaucoup plus important à mes yeux que d’apprendre par
cœur tel ou tel nom de roche ou de minéral. Partant de là,
prenez ce poly comme un tremplin, pour aller chercher les
viatiques qu’il vous faudra porter, pour mieux explorer le
tissu commun des choses sur 5.6 milliard d’années d’une
histoire toujours renouvelée (à différentes échelles), de
l’inerte au vivant, ou comme l’aurait dit C. Allègre, « de la
pierre à l’étoile ».
Bonne lecture…
J.L.B.
5
En 2005, 50.000 navires sillonnaient les mers du globe,
Plus de 6 milliards de tonnes ont transité par mer cette
année-là, soit 80% du trafic commercial mondial.
6
Les pavillons de complaisance sont nombreux, les sociétés
de classification des navires ne sont pas toujours
transparentes, 12 seulement des 50 sociétés existantes dans
le monde sont agrées par l’Europe.
7
Est-il besoin d’évoquer ici la nécessité d’une gestion
européenne du Rhin et du Danube ? Faut-il citer le partage
des eaux du Colorado entre USA et Mexique ? Rappeler le
partage du Tigre et de l’Euphrate entre Turquie, Syrie et
Irak ? Rechercher ailleurs que dans l’eau des sources de
l’annexion du Golan Syrien par Israël ? Evoquer la mort des
fleuves Amou Daria et Syr Daria et le sort lié des pêcheurs
de la mer d’Aral, etc.
- 2 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Prologue
Un trop bref historique
Une remarque s’impose : la géologie et sa sœur
jumelle au combien plus âgée, l’astronomie, se distinguent
considérablement des autres sciences car l’expérience
qu’elles étudient est unique, et contient ses
expérimentateurs. Ni l’astronome ni le géologue ne peuvent
agir sur le milieu qu’ils étudient, pour des raisons d’échelle
de temps ou d’espace, et ils doivent donc se contenter de
l’observer ponctuellement de l’intérieur, à la rigueur le tester
en petit, au mieux le modéliser, à partir de données éparses ;
le risque de se tromper est donc grand ! Aussi, la collection
des informations sur des temps qui dépassent souvent la
durée de vie des observateurs a-t-elle joué et joue-t-elle
encore un rôle essentiel dans le progrès de ces sciences. La
bibliothèque d’Assurbanipal contenait au ∼VII° siècle des
tablettes astronomiques dont les plus anciennes remontent
sans doute au ∼8XX° siècle. Ces tablettes évoquent la marche
en zigzag des planètes par rapport aux constellations, et
contiennent des tables des éclipses passées, qui servaient à
prédire celles à venir. On comprend bien ici comment le
développement de ces sciences passe largement par le
stockage et l’analyse d’observations fiables, et donc
parallèlement par l’accroissement des performances des
instruments de l’observation. Toutefois, nous en arrivons
vite à un tel degré d’accumulation de résultats, de
multiplicité des méthodes d’études, que le nombre des
paramètres mesurés devient trop important pour que nous
puissions les appréhender dans leur ensemble. Cela nous
force souvent à recourir à l’image (e.g. les cartes), dont
« l’immanence » parle mieux à notre cerveau que de longues
colonnes de nombres. Néanmoins, pour bien comprendre les
systèmes naturels complexes, il devient urgent d’apprendre
à combiner l’ensemble des informations, en se dépouillant
de l’inutile par la sélection des observations, et en
confrontant l’information à la théorie éphémère, dans un
aller-retour ouvert et fécond sans hiérarchie de valeurs.
Porte ouverte ? Il n’est que de regarder par exemple nos
débats modernes qui rassemblent souvent Grands
Scientifiques et Politiques pour constater que l’argumentaire
idéologique est encore largement présent, et pas toujours
seulement chez le Politique !…
La représentation du monde dans nos civilisations
ouest-européennes est marquée très tôt par une double
démarche. D’un côté, comme l’écrit J.C. Ameisen en 2008 à
propos du vivant dans « Dans la lumière et les ombres »,
« la Genèse fige, une fois pour toute la diversité des espèces
vivantes. Et sépare radicalement la création de l’être
humain de la création de toutes les autres espèces… Tels
qu’ils sont, et demeureront, depuis l’origine ». Ainsi, le récit
fondamental des 3 grandes religions monothéistes, très
largement répandu maintenant, interprète-t-il notre univers à
8
~ = avant Jésus Christ ; AD = Anno Domini pour après
Jésus Christ.
partir d’une intention divine unique et définitive. Le
2°courant de pensée, hérité des Perses, développe, chez les
Grecs, la vision d’un monde habité par les hommes mais
aussi par les dieux et qui ne doit rien à ces derniers. Au ~V°
siècle, pour Anaxagore de Clazomènes, « rien ne se perd,
rien ne se crée, tout se transforme (maxime célèbre que lui
empruntera Lavoisier). Les êtres et la matière ne se
produisent ni ne se créent, mais se transforment. Pour lui,
tout est matière et chaque chose se compose des mêmes
éléments, qu’il aurait nommés atomes, mais en des
proportions différentes. Cette idée préfigure celles de
Démocrite, père de la théorie atomiste. Et le philosophe
généralise sa pensée, écartant un éventuel « intelligent
design » dans la nature : « ce n’est certes pas par réflexion
ni sous l’emprise d’une pensée intelligente que les atomes
ont su occuper leur place ; ils n’ont pas concerté entre eux
leurs mouvements. Mais comme ils sont innombrables […]
et qu’ils s’abordent et s’unissent de toutes les manières
possibles […] il est arrivé qu’après avoir tenté unions et
mouvements à l’infini, ils ont abouti enfin aux soudaines
formations massives d’où tirèrent leur origine ces grands
aspects de la vie : la Terre, le ciel, les espèces vivantes »
Ibid. Dès cette époque, entre ~VII° et ~IV° siècle, pendant
que la bible hébraïque prend la forme que nous lui
connaissons, se met en place en Grèce chez les
présocratiques une démarche scientifique pour laquelle tout
est toujours en train de naître = nature. Les philosophes
mettent l’observation au premier plan de leurs disciplines.
Elle conduira à des déductions très précoces qui auraient pu
nous protéger du géocentrisme…
La question de la forme de la Terre apparaît très tôt
dans l’esprit humain. A l’articulation des ~VII° et ~VI°
siècles avant JC, Thalès de Milet (vers ~625-547) se
préoccupait déjà d’une représentation de l’univers. Dans
celle-ci, la Terre était un disque flottant comme du bois sur
l’eau, dans un espace rempli d’eau, la « matière
primordiale ». On reconnaît souvent dans cette façon de
voir de Thalès l’influence des mythologies anciennes pour
lesquelles l’eau est un élément essentiel, tel le Nil des
égyptiens ou les deux océans inférieur et supérieur à
Babylone. C’est avec l’école de Milet que naît la rationalité ;
elle est la première à distinguer le naturel du surnaturel, et
pour Thalès, la description du monde n’est plus seulement
métaphysique (l’histoire d’une création) mais aussi une
connaissance physique. La recherche de causes naturelles
pour expliquer les phénomènes commence. Parallèlement, la
discussion logique des arguments devient une nécessité.
Anaximandre de Milet (~610-546), élève de Thalès,
est considéré comme le père de l’idée de « nature », c'est-àdire de naissance perpétuelle du monde. Pour lui l’origine
du monde n’est plus un point singulier dans le temps, mais
une perpétuelle naissance dont découle ce qui est ou sera. Il
vise à sortir les 4 éléments, l’air, la terre, l’eau et le feu de
- 3 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 1 : le monde et la Terre selon Anaximandre
plus efficace, de ces tentatives géocentriques de représenter
notre univers.
le
jour en été
24/10/13
la nuit en hiver
http://fr.wikipedia.org/wiki/Anaximandre
La Terre… sans l’océan
leur conception mythologique pour en donner une
explication physique et expliquer comment se sont formés la
Terre et les êtres vivants à partir des interactions entre les 4
éléments. Sa conception de l’univers est cylindrique (Fig. 1).
Celui-ci est infini et la Terre en occupe le centre, où elle
flotte en équilibre ; elle est un cylindre de hauteur égale à
1/3 de son diamètre, entouré d’une masse océanique
circulaire. Un tel modèle cylindrique autour de la Terre rend
compte (Fig. 1) de la disparition des astres sous l’océan
(jour-nuit) et de la hauteur variable des astres dans le ciel
(saisons), questions sur lesquelles la représentation de
Thalès venait buter. Pour plus de détails, lire l’article
aisément accessible de Wikipédia.
Avec Pythagore, (vers ~580 – vers ~490), bien
connu pour son fameux théorème, apparaît au ~VI° siècle la
sphéricité de l’univers (qu’il nomme cosmos). Mais il ne la
démontre pas, elle est nécessaire ; L’empreinte
mythologique est forte encore, la sphéricité du monde,
comme le caractère circulaire des orbites se doivent d’être
parfaits. Il a été fortement marqué par la science des
nombres, le calcul arithmétique, la géométrie et
l’astronomie, et en fait les principes fondamentaux de sa
vision du monde et de la cité. Pour lui les lois naturelles
reposent sur des lois mathématiques. Les élèves de l’école
pythagoricienne seront à l’origine d’idées très fécondes :
pour Philolaos de Crotone, vers ~470, la Terre sera mobile
dans le cosmos ; plus tard, pour Hecitas de Syracuse, au
~IV° siècle, la Terre tournera sur elle-même… C’est à
Parménide, (vers ~510 – vers ~450) que l’on attribuera le
plus souvent la rotondité de la Terre, même s’il est probable
qu’il faille l’attribuer à Pythagore. La même philosophie de
perfection des cercles ou sphère portant les divinités est
encore présente au ∼V° siècle quand Eudoxe, élève de
Platon, propose une représentation du mouvement des
planètes par des mouvements circulaires uniformes, «seuls
dignes de la perfection des corps célestes». Il faudra à
Eudoxe un total de 27 sphères emboîtées (Fig. 2a), aux axes
et vitesses de rotation bien choisis, pour rendre compte du
mouvement des astres autour de la Terre. Le système de
Ptolémée ne sera qu’une variante bien plus tardive, mais
Par contre, encore au ~V° siècle, avec Anaxagore de
Clazomène (~500-428), dont nous avons déjà rappelé la
vision atomiste (avant la lettre) d’un monde qui se
réorganise perpétuellement sous la direction d’une forme
d’intelligence organisatrice, le « noûs » (prononcer nousse),
l’observation du cosmos fait sortir les astres du panthéon.
Pour lui, ils ne sont pas des dieux mais des masses
incandescentes. Il a eu l’intuition que les planètes et la Lune
étaient des corps solides analogues à la Terre, lancés dans
l’espace. Il en avait déduit que les éclipses de Lune résultent
de l'immersion de celle-ci dans l’ombre de la Terre, et que la
lumière qu’elle émet n’est que le reflet de celle du Soleil…
Il en mourra, car pas plus dans le monde grec de l’époque
qu’après ou ailleurs, il ne fut et n’est partout possible
d’irriter sans risque les croyances ou les tenants du
blasphème facile.
Ainsi, si Socrate (~470-399) est souvent considéré
comme le père de la philosophie occidentale, c’est d’abord
parce qu’il compte parmi les inventeurs de la morale. Sa
vision du monde est essentiellement spirituelle. Son monde
était divisé en deux domaines, celui des hommes et celui des
dieux ; Ce faisant, il remplace par des causes finales les
causes physiques des phénomènes naturels mises en avant
par les présocratiques, dont nous venons de parler.
Expliquer le comportement des astres (réputés du domaine
des dieux) par le raisonnement (pertinent dans le seul
domaine des hommes) est donc synonyme d’impiété. Ainsi
Socrate est en parfait accord avec l’idée de causalité
ordonnatrice des choses chez Anaxagore, mais il rejette
toute causalité mécanique du même auteur…
Avec Démocrite, (vers ~460 – vers ~370), on
retrouve l’idée de nature, et celle-ci est composée pour
l’auteur du ~IV° siècle de 2 principes : ce qui est plein, qu’il
nomme atomes et entre les atomes, le vide (ou néant). Les
atomes sont solides et indivisibles, leur taille les rend
inobservables. Ils constituent tous les composés, donc les 4
éléments, l’air, la terre, l’eau et le feu. Ils se déplacent
éternellement, dans le vide infini, ils génèrent toute chose en
se réunissant, et se maintiennent ensemble jusqu’à leur
dispersion, destruction de toute chose… Belle intuition…
A la même époque, ~V°- ~IV° siècle, Platon (~427348) creuse le sillon tracé par Socrate avant lui, en
particulier dans son approche de l’éthique et dans le principe
de causalité. Ainsi lit-on dans http://fr.wikipedia.org/wiki/Platon.
« Pour connaître le monde, il faut se rapporter à sa
cause… » et « …pour que le monde sensible existe il faut
qu’un démiurge le crée ». L’empreinte mythologique se
traduit dans la conception de l’univers de Platon : La terre
est au centre et immobile ; le mouvement des planètes est
expliqué par un système de sphères emboitées.
Eudoxe
de
Cnide,
(~408-355) fut l’élève de
Platon ; Il est connu pour sa
théorie
des
sphères
homocentriques (Fig. 2a) qui
sont venues parfaire le modèle
de Platon. Pour rendre compte
du déplacement rétrograde
apparent des planètes externes
- 4 -
Fig. 2a : sphères d’Eudoxe
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 2b : déplacement rétrograde
de Mars sur la voûte étoilée,
explication héliocentrée
24/10/13
Fig. 3 : la Terre tourne sur elle-même
seulement ronde et qu’elle tourne sur ellemême, mais encore qu’elle tourne autour du
Soleil. Cela explique dès cette époque
l’alternance des saisons et simplifie
considérablement le système des sphères
d’Eudoxe. Il va plus loin encore en observant
que le diamètre apparent de la Lune peut être
reporté trois fois dans le disque d'ombre de la
Terre. Le diamètre de la Lune déduit du
diamètre du cylindre d'ombre vaut donc 1/3
de celui de la Terre. Il mesure la taille
angulaire du disque lunaire ∆ comme étant égal à 1°,
commettant là une erreur du simple au double (il n’est que
de 0.5°) et calcule alors la distance Terre-Lune en fonction
de cet l’angle solide et du diamètre D de la Lune, qu’il a
estimé à 1/3 de celui de la Terre. On pourrait écrire
l’approximation suivante :
∆ x 180 / π x D = 57 x D
sur la sphère étoilée (Fig.
2b), le mouvement de
chaque astre est construit
par la combinaison des
mouvements de plusieurs
sphères.
Le
système
géocentré des sphères
homocentriques est faux,
mais il est néanmoins
d’une
précision
remarquable
puisqu’Eudoxe calcule une durée de l’année égale à 365
jours ¼ ! Toutefois, ce système complexe présente un défaut
majeur dont il semblerait qu’il fut décelé très vite, à
l’époque d’Eudoxe : chacune des planètes reste à une
distance fixe de la Terre. Or, elles offrent une luminosité
variable, qui ne s’explique qu’en faisant varier leur distance
à la Terre. Ce défaut ne sera gommé que plus tard, au II°
siècle AD, par Ptolémée. Nous y reviendrons.
Mais l’évaluation précise de π ne sera faite que plus
tard, par Archimède de Syracuse (~287-212) et les notions
de trigonométrie n’apparaîtront qu’au ∼II° siècle avec
Hipparque de Nicée (~190-120). Aristarque utilisa donc
pour ses calculs les tables de données astronomiques
héritées des babyloniens, remontant jusqu’à Ninive aux
environs du ~XX°. Aristarque observe aussi que le demiquartier de Lune se produit lorsqu’elle reçoit les rayons
solaires de façon exactement perpendiculaire au segment
Terre-Lune (Fig. 4). Il mesure l’angle sous lequel se situe le
Soleil par rapport au segment Terre-Lune, égal à 87° (il est
en fait de 89.85°) et calcule une distance Terre Soleil égale à
19 fois ce segment Terre-Lune. Son erreur de mesure sur
l’angle (2°85) est suffisante pour que le résultat de la
distance relative Terre-Soleil soit très largement minoré ;
cette distance est 22 fois plus grande. Mais avec Aristarque,
tous les éléments de l’héliocentrisme sont en place. On peut
dire que dès cette époque, les Grecs anciens ont développé
tous les arguments qui auraient dû faire perdre à notre globe
« son caractère immuable et privilégié, au centre de tout »
(E.Universalis). Pour substituer à la création parfaite et
immuable des dieux l’image moderne d’un univers en
mouvement et en perpétuelle évolution (ou renaissance),
conforme à l’idée de nature, il ne manquait plus que
l’observation
clairvoyante
des
fossiles
(bien
qu’Anaximandre de Milet ait déjà entrevu la transformation
du vivant dès le ∼VI° siècle).
Au ~IV° siècle, Aristote (~384-322) est le fondateur
du Lycée, aussi nommé école péripatétique puisque l’on y
enseignait en marchant. Les idées d’Anaxagore lui
permettront l’observation de la rotondité de la Terre, grâce à
l’ombre portée par la Terre sur la Lune lors d’une éclipse.
Mais il fut surtout un disciple de Platon, d’abord
dogmatique puis ensuite plus critique, mais il resta
néanmoins un philosophe spiritualiste. C’est pourquoi Saint
Thomas d’Aquin fera de la philosophie aristotélicienne, 17
siècles plus tard, l’un des piliers de la doctrine chrétienne
catholique, servant de référence à la fois spirituelle et
scientifique…
Héraclide du Pont (∼IV° siècle encore) eut quant à
lui l’idée de faire tourner la Terre sur elle-même pour
expliquer le mouvement apparent des étoiles (Fig. 3). Pour
les Grecs cultivés de cette époque, la sphéricité des corps
célestes ne faisait plus de doute, et les notions de latitude et
de longitude sont alors apparues.
Au ∼III° siècle, Eratosthène (276 - 194) pratiqua la
première mesure précise de la sphéricité de la Terre (Fig.
5) ; il avait noté qu’au solstice d’été les puits d’Assouan
(Syène à l’époque) étaient inondés de lumière, alors que
l’obélisque d’Alexandrie conservait une ombre.
Aristarque de Samos (~310-230), allait « pousser le
bouchon » fort loin, en affirmant que la Terre est non
Fig. 4 : la mesure de la distance Terre Soleil par Aristarque de Samos
http://fr.wikipedia.org/wiki/Aristarque_de_Samos
- 5 -
Fig. 5 : 1° mesure de la rotondité de la Terre
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 6 : point vernal et déplacement de l’axe de rotation
de la Terre sur le cône de précession,
24/10/13
Fig. 7 : illustration de la théorie des épicycles
http://serge.mehl.free.fr/chrono/Hipparque.html
Estimant que ces deux localités sont sur le même
méridien, Eratosthène mesura une différence de latitude de
7°12’ (au lieu 7°07’); connaissant la distance des 2 sites aux
approximations près de l’époque, il en déduisit une valeur
de la circonférence terrestre de 250000 stades, soit environ
46000 Km (soit 128 Km/°), une valeur somme toute très
approchée des 40000 Km mesurés de nos jours (soit
111.11 Km/°) !
Au ∼II° siècle, Hipparque (190 – 120), allait faire
l’invention géniale de la précession des équinoxes9 (Fig. 6).
On sait aujourd’hui que la précession est provoquée par le
couple de forces exercées par la Lune et le Soleil (1 seul
corps dans la figure 6) qui tend à ramener l’axe de rotation
de la Terre sur la normale au plan de l’écliptique. Le
déséquilibre introduit par ce couple provoque la rotation de
l’axe de la Terre autour de la normale au plan de
l’écliptique. Hipparque observa que la position de l’étoile
Spica avait changé depuis les descriptions des Babyloniens.
Il calcula, en comparant la position de l’étoile Spica à
9
il remarqua que l’axe de rotation de la Terre décrit un cône
à la manière d’une toupie (en 36000 ans d’après Ptolémée).
En mécanique, un objet tournant tel une toupie ou un
gyroscope va connaître un mouvement de précession s'il
n'est pas équilibré, c'est-à-dire si la résultante des moments
des forces qui s'exercent sur lui n'est pas nulle. Dans ces
conditions, la période de précession TP est la suivante:
TP = 4π2.Is / C.Ts
Dans laquelle: Is est le moment d'inertie, Ts la période de
rotation autour de l'axe de rotation et C est le couple.
l’époque de Babylonien et à son époque, que l’axe de
rotation de la Terre s’était déplacé de 2° sur le cône de
précession ! Il estima que le déplacement était de l’ordre de
1°/siècle (au lieu de 72 ans) et qu’il était le même pour
toutes les étoiles. Il allait hélas aussi réinventer le
géocentrisme.
Il allait en cela être suivi au II° siècle AD par
Ptolémée. Dans son ouvrage « de Megale Syntaxi », rédigé
en grec mais très répandu grâce à une traduction latine
(« Almagestum »), Ptolémée invente la théorie des
épicycles. Cette idée est si brillante qu’elle nous inspirera
jusqu’à la Renaissance. Il est vrai que le discours sur les
astres de Ptolémée n’est pas entaché des défauts du système
d’Eudoxe. La théorie des épicycles (Fig. 7) rend
parfaitement compte des mouvements apparents des
planètes et introduit les changements de distance à la Terre
nécessaires. Elle s’ajuste parfaitement à plusieurs siècles
d’observations, et fait naître des tables numériques et des
règles de calcul très performantes, qui permettent de prédire
avec précision le positionnement des planètes et des étoiles.
Les connaissances des grecs nous seront transmises par les
Arabes, enrichies de nouvelles observations acquises par la
construction d’observatoires réputés, comme celui de
Bagdad au IX° siècle. Le principal mérite reconnu aux
romains est d’avoir su archiver et traduire les connaissances
de leurs administrés. Les tables de calcul de Ptolémée seront
réécrites au XIII° siècle sous Alphonse X de Castille (Tables
Alphonsines), car le rôle essentiel de l’astronomie et de la
médecine de l’époque se confond encore, comme dans
l’antiquité, avec ce que nous nommons aujourd’hui
astrologie. On voit encore mal comment, face à tant de
cyclicité, tant de prédictibilité, l’esprit humain pourrait un
- 6 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
jour admettre définitivement qu’il n’est pas régit par un
Ordre supérieur. Même de nos jours, bousculée par
l’astronomie moderne, la « science divinatoire» a certes
quitté le panthéon astronomique, mais c’est pour mieux
crédibiliser le thème astral, le tarot ou la boule...
Pour la première fois depuis Aristarque, le Soleil
revient au centre de notre monde avec les redécouvertes de
Copernic (« Commentariolus » écrit en 1514 et « De
Revolutionibus orbium coelestium », 1543). Il remplace les
sphères de Ptolémée par des «orbes» solides qui entraînent
chacune des planètes autour du Soleil. Pourtant, l’œuvre de
Copernic n’est déterminante que parce qu’elle implique
l’héliocentrisme. Elle ne repose sur aucune observation
nouvelle, et si Copernic place le Soleil au centre du monde,
c’est seulement parce qu’il est l’astre le plus brillant et que
c’est de lui qu’émanent chaleur et lumière. En outre, il
considère comme les philosophes anciens que le mouvement
circulaire et uniforme est le seul possible car «le plus
parfait ». Dans la 2° moitié du XVI° siècle, Tycho Brahe
fait construire par Frédéric, roi de Danemark, un
observatoire remarquablement instrumenté, qui lui permet
d’accumuler 20 ans d’observations systématiques de la
Lune, des planètes et du Soleil, avec une précision angulaire
exceptionnelle, de l’ordre de la minute. Johannes Kepler,
adepte de Copernic, tirera des cahiers que Tycho Brahe
laisse à sa mort en 1601 que les orbites solaires ne sont pas
des cercles mais des ellipses, et que le Soleil en occupe l’un
des foyers. Il déterminera alors le mouvement réel des
planètes.
L’Eglise ne s’opposa pas tout de suite au système de
Copernic. Elle, qui considérait la création de Dieu comme
parfaite et donc immuable10, n’y voyait qu’une nouvelle
méthode de calcul des tables des planètes. Ce n’est que
lorsqu’elle réalisa que cela remettait en cause le
géocentrisme d’Aristote qu’elle réagit, en brûlant vif en
1600 le disciple de Copernic Giordano Bruno qui affirmait
que les étoiles sont d’autres soleils, puis en condamnant
Galilée en 1633. En effet, grâce à l’usage de la lunette
(1610), les observations de Galilée sur la rotation du Soleil,
les satellites de Jupiter et les phases de Vénus, témoignaient
avec une précision redoutable en faveur du système de
Copernic.
Parallèlement, le médecin Fernel avait tenté dès
1530 de mesurer un arc de 1° en partant de Paris. Après
avoir parcouru 1° de latitude vers le nord, il revint à son
point de départ par le coche, en comptant le nombre de tours
de roue effectué par celui-ci. Après moult corrections de
topographie, il obtint la valeur de 110.6 km. En 1617, le
géographe hollandais Snellius, inventeur de la mesure à
longue distance par triangulation donnait une valeur très
C’est le même fixisme  pilier de la pensée officielle
fondée par la scolastique sur un corpus de textes choisis
rigoureusement (essentiellement le nouveau et l’ancien
testament, plus les écrits aristotéliciens)  qui s’opposera
encore au XIX° siècle aux idées transformistes de JeanBaptiste de Monet de Lamarck
(" La Philosophie
zoologique ", 1809) puis et surtout à l’évolutionisme que
Charles Robert Darwin développe en 1859 dans
" L’Origine des espèces ".
10
24/10/13
inexacte de 107 km pour 1° en hollande. L’abbé Picard, en
inventant le théodolite en 1669 (lunette de Galilée munie
d’un réticule), permet des mesures plus précises et obtient
aux environs de Paris la valeur de 111.212 km. C’est à peu
près à cette époque (1660-1665) qu’Isaac Newton formula
sa fameuse loi de la gravitation universelle, qu’il ne publiera
que plus tard, en 1687, mais il est important de noter
qu’avec la mesure du méridien terrestre, Newton a pu
entreprendre la première vérification numérique de sa loi.
Admettons avec lui en première approximation que le
mouvement de la Lune ne dépend que de la Terre, qu’il est
circulaire autour de la Terre et que la Lune est animée d’une
vitesse angulaire ω constante. Posons encore que
l’accélération de la pesanteur terrestre est égale à g à la
surface de la terre, c’est à dire à la distance R du centre de la
Terre, et qu’elle vaut ω2D au centre de la Lune. Leur rapport
g/ ω2D est égal au rapport inverse du carré des distances
D2/R2. Or en raison de l’observation de la parallaxe
astronomique de la Lune, le rapport D/R est déjà connu avec
précision à cette époque, et Newton put calculer la valeur du
rayon terrestre R= g/ω2*(R/D)3. L’excellente cohérence de
ce calcul avec le résultat de la mesure de Picard allait
l’encourager grandement à publier ses résultats. En 1672, à
l’occasion du déplacement d’une horloge à Cayenne,
l’horloger Richer constate que celle-ci, parfaitement réglée
à Paris, prend ici un retard de 2’30’’ /jour. Newton
interprète immédiatement ce retard comme le résultat de la
force axifuge (nulle au pôle et maximum à l’équateur) qui
diminue la valeur de g, et il comprend aussi que cette Terre
qui pour lui avait dû se comporter comme un fluide en
révolution au moins durant ses premiers âges, devait aussi
avoir la forme d’un ellipsoïde de révolution. La mesure de
1°d’arc méridien devrait donc augmenter de l’équateur au
pôle (fig.4 Chp. 3.A.2).
Dans Philosophiae naturalis principia mathematica,
qui est souvent considérée, avec le De revolutionibus de
Copernic, comme une des œuvres majeures de l’esprit
humain, Isaac Newton allait enfin formuler en 1687 la
synthèse tentée pendant tant de siècles entre les phénomènes
terrestres et célestes, et mise au goût du jour par Copernic,
Brahe, Galilée et Kepler. Principe de l’inertie, loi de
l’accélération F = mg, et enfin principe de l’action et de la
réaction constituent la base de l’ouvrage. Ensuite, à partir
des lois de Kepler, Newton remonte à la cause première, la
gravitation universelle: «Deux corps quelconques s’attirent
en raison directe de leurs masses, et en raison inverse du
carré de la distance de leur centre de gravité». Certes, la
vulgarisation définitive des idées des grecs anciens et des
coperniciens devra attendre les vues prises des grands
télescopes et des satellites qui nous en apporteront la
confirmation par l’image, mais avec Newton les outils du
raisonnement sont déjà en place et la planétologie peut dès
lors avancer à grand pas.
Au début du XVIII° siècle, à la suite d’une mesure
erronée de la longueur du méridien Dunkerque-Perpignan,
Cassini prétendait, en désaccord avec les idées de Newton,
que la Terre avait la forme d'un citron, avec un rayon polaire
plus grand que le rayon équatorial. C’est P.L. Moreau de
Maupertuis qui vérifia le premier l’aplatissement polaire de
notre globe. Il compara la longueur d’un arc de méridien
qu’il mesura lors d’une expédition en Laponie en 1736-1737
avec la longueur de l’arc de méridien mesuré à Paris. Lors
de la campagne d’exploration menée au Pérou, de 1735 à
- 7 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
1744, P. Bouguer et C. M. de La Condamine effectuèrent la
même mesure. Les résultats sont sans appel! Le rayon
polaire est de 6356 Km et le rayon équatorial de 6378
Km, 22 Km de différence, et la Terre n’est donc
décidément pas ronde.
e. Aller plus loin dans l’analyse des
formes de la Terre attendra ensuite l’avènement du satellite
artificiel, dont le détail de la trajectoire, en nous renseignant
avec précision sur la distribution des masses à l’intérieur du
«globe» terrestre, nous permettra
ettra passer de la morphologie
mathématique de l’ellipsoïde à la forme mesurée de
l’équipotentielle de pesanteur, que nous appelons géoïde.
Néanmoins, dès la fin du XIX° siècle, Wiechert avait
montré par l'analyse des mouvements du globe que la Terre
est constituée d'au moins 2 couches de densités très
différentes.. En effet, le moment d'inertie de la Terre serait
égal à 0.4 MR2 (M = masse, R = rayon) si elle était
homogène et de densité uniforme; il est en fait plus petit
(0.33MR2), ce qui indique un excès de masse vers son
centre. A l'aube du XX°, les 3 couches essentielles de notre
planète sont reconnues. Les coupures sont de nature
chimique :
1 - l'atmosphère - Associée à l’hydrosphère, elle
regroupe les éléments volatils et gaz rares;
ra
son histoire
est encore largement controversée ;
2 - le manteau - Il est solide et de nature silicatée; la
croûte terrestre, elle aussi de nature silicatée ne
représente qu’une pellicule superficielle à la surface du
manteau dont elle dérive ; longtemps mise
m en doute, la
séparation du manteau en deux réservoirs indépendants
est maintenant largement acceptée, avec un manteau
inférieur relativement primitif et un manteau supérieur
appauvri parce qu’ayant donné naissance à la croûte
terrestre.
3 - le noyau - Il est
st liquide et de nature métallique (fer) ;
le cœur, ou graine, est solide. Il donne naissance au
champ magnétique terrestre.
Fig. 8a : Les planètes rocheuses ;
Mercure Venus Terre Mars
24/10/13
Les mêmes coupures, avec présence d'un noyau
métallique Fe ou Fe+S, sont observables sur les autres
planètes dites « telluriques » proches du soleil (Fig. 8a,
8 lire
MC - Planeto - Telluriques et Gazeuses -Biron & Padet.htm), alors que
les planètes plus éloignées, à cœur rocheux de petite taille,
dites « joviennes », n'ont pas de noyau
noy métallique Fe ou
Fe+S (Fig. 8b).
b). Les télescopes puissants du XX° siècle
auront largement contribué à l’observation des 9 planètes de
notre système
ystème (Tableaux 1 à 3), mais il reste beaucoup à
faire pour en comprendre la physique, la chimie, et par-delà,
l’origine et le devenir.
Notons ici que la distribution des masses volumiques
des corps du système solaire n’est pas
pa quelconque (tableau 2
et fig.9 page suivante).
). Situées au voisinage du Soleil, les
planètes rocheuses et leurs satellites ont une masse
volumique élevée (ρ>3Kg/dm3) dans la première séquence.
Elles sont donc très largement appauvries en éléments légers
par rapport au reste. Mercure, Vénus et Mars voient leur
masse volumique décroître avec la distance au Soleil. Le
couple Terre Lune n’obéit pas à cette loi (ρ=
( 5.52 et ρ=3.34
respectivement), même si le barycentre des deux masses
volumiques (pondéré par les volumes) occupe une place
moins anormale (ρ=
= 5.46). La naissance tourmentée de ce
couple, que l’on pourrait presque considérer comme une
planète double, est une cause probable de perte
supplémentaire en éléments légers (cf. Chp. 4.D.1). Jupiter
(en vert) est la première des planètes externes (gazeuses) ;
elle appartient à la deuxième séquence, mais montre encore
de nombreux satellites dont la masse volumique moyenne
supérieure à 2 les situe encore dans la première séquence de
la figure 2. Saturne (deuxième planète gazeuse) et son
cortège
ège (violet), apparaissent clairement comme les corps
les moins denses de notre système ; ils constituent toute la
troisième séquence et la partie «légère» de la deuxième.
Enfin, Uranus (marron), Neptune (bleu) et Pluton (cyan) se
rangent par ordre croissant
nt de masse volumique avec leur
distance au Soleil, et appartiennent toutes trois à la séquence
moyenne, de densité voisine de celle du Soleil (en jaune).
Une telle distribution des masses volumiques autour d’un
minimum assez éloigné du Soleil (Saturne) impose
im
une
histoire précoce complexe à notre étoile et à son cortège de
planètes, nous y reviendrons.
Fig. 8b : Les planètes gazeuses ;
Jupiter, Saturne, Uranus Neptune,
- 8 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Tableau 1: Les planètes du système solaire et leurs satellites
VÉNUS
MERCURE
TERRE
MARS
JUPITER
Lune
Phobos
Métis
Deimos
Adraste
Amalthée
Thébé
Io
Europe
Ganymède
Callisto
Léda
Himalia
Lysithée
Elara
Ananké
Carmé
Pasiphae
Sinope
24/10/13
SATURNE
Atlas
Janus
Prométhée
Epiméthée
Mimas
Pandore
Encelade
Thétis
Télesto
Calypso
Dioné
Rhéa
Titan
Hypérion
Iapetus
Phoebé
URANUS
Miranda
Ariel
Umbriel
Titania
Obéron
.
NEPTUNE
Néréide
PLUTON
Charon
Tableau 2: Planétologie comparée : rayons et masses volumiques du Soleil, des planètes et de leurs satellites
Corps
Rayon
Masse
Corps
Rayon
Masse
Volumique
Volumique
Soleil
Mercure
Venus
Terre
Lune
Mars
Phobos
Deimos
Jupiter
Léda
Adraste
Ananké
Sinope
Lysithée
Métis
Carmé
Pasiphae
Elara
Thébé
Amalthée
Himalia
Europe
Io
Callisto
Ganymède
695000
2440
6052
6378
1737
3397
10
6
71492
8
10
15
18
18
20
20
25
38
50
90
93
1569
1815
2403
2631
1.41
5.42
5.25
5.52
3.34
3.94
2
1.7
1.33
2.7
4.5
2.7
3.1
3.1
2.8
2.8
2.9
3.3
1.5
1.8
2.8
3.01
3.55
1.86
1.94
Saturne
Pandore
Prométhée
Epiméthée
Janus
Phoebé
Hypérion
Mimas
Encelade
Thétis
Dioné
Iapetus
Rhéa
Titan
Uranus
Miranda
Ariel
Umbriel
Obéron
Titania
Neptune
Triton
Pluton
Charon
60268
45
50
55
90
110
150
196
250
530
560
730
765
2575
25559
236
579
585
761
789
24764
1350
1137
586
0.69
0.7
0.7
0.7
0.67
0.7
1.4
1.17
1.24
1.21
1.43
1.21
1.33
1.88
1.29
1.15
1.56
1.52
1.64
1.7
1.64
2.07
2.05
1.83
Fig.9 : distribution des poids volumiques dans le système solaire.
Elle se découpe en trois séquences : la première, à droite, débute avec Léda à la "densité" 2.7 et se termine avec la
Terre (r=5.52) ; la deuxième est celle des "densités" moyennes, elle est centrée autour de celle du Soleil ( r=1.41) et
s’étale continûment entre Miranda (r=1.15)et Triton(r=2.07) ; la troisième, de "densité" minimale (r=0.7) est celle de
Saturne et de certains de ses satellites.
- 9 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Tableau 3: planétologie comparée
Planète
Mercure
Vénus
Distance au soleil (u.a.)
Période de révolution
(jours)
Temps de rotation
Obliquité de l’axe de
rotation
Inclinaison
sur
l’écliptique
Excentricité de l’orbite
Rayon équatorial (km)
Rayon polaire
Aplatissement
Masse (unité de masse
:Terre)
Densité moyenne
Pesanteur à l’équateur
Vitesse de libération
(km/s)
Nombre de satellites
connus
Champ magnétique
Température au sol
Albédo
Atmosphère
Terre
0.387
0.723
87.969
224.701
365.256
58.65j
-243.01
23.934 h
0°
- 2°
23.44°
Lune
Mars
Jupiter
Saturne
Uranus
Neptune
1.523
5.202
9.538
19. l8l
30.057
27.321
686.980
4332.589
10759.22
30685.4
60189.0
90465.0
id.
24.622h
9.841 h
10.233 h
l7.2 h
l7.8h
L6.38 h
L 6.41 °
23.98°
3.08°
29°
97.92°
28.80°
?
1.000
Pluton
7.00
3.39
-
1.32
1.85
1.3
2.49
0.77
1.77
17.2
0.205
2439
2439
O
0.006
6052
6052
O
0.016
6378
6356.5
r 0.003
0.055
1738
1738
0
0.093
3397
3380
0.005
0.048
71998
66770.
0.062
0.055
60000
54000
0.105
0.047
26145
?
?
0.008
24300
23650
0.02
J 0.250
l20O?
?
?
0.055
0.815
1.000
0.12
0.107
317.893
95.147
14.54
17.23
0.002 ?
5.42
3.78
5.25
8.60
5.52
9.78
3.34
1.63
3.94
3.72
1.314
22.88
0.69
9.05
1.19
7.77
1.71
11.00
r 0.6-l.7?
r 4.3?
4.3
10.3
1.2
2.37
5.0
59.5
36.6
21.22
23.6
5.3 ?
O
O
1
-
2
17
15
8
1/100 du
champ
terrestre
+430°C170°C
0.055
non
-5
0.7
CO2 96:5%
N2 3.5%
95 bars
3.3.10 T
à
7.10-5 T
+50°C
-90°C
039
N2 78%
O2 21%
1 bar
non
460°C
Faible Et
fossile
+120°C
- 180 °C
0. 1 2
non
-
2/100 du
champ
terrestre
0°C
-70°C
0. 1 54
CO2 95%
N2 5 %
qqs mbar
Pression au sol
-
Particularités
géologiques
remarquables
Pas
d’évolution
depuis 3.5.
l09 années au
moins
Révolution
Rétrograde
Atmosphère
dense
.Présence de
vie Un gros
satellite : la
Lune
Satellite
de la Terre
Présence
de glace
d’eau
Si O Fe Ti
Si Al Mg Fe
O
Si O Al Mg
Mn Fe K Ca
Ti
Si Al O Ca
Mg Fe
Si O Al
Mg Fe S
Mg Ca
Principaux
atomes
reconnus (à la surface
pour
les
planètes
telluriques)
24/10/13
-4
4. l0 T
à
15.10-4 T
oui
oui
oui?
?
-145°C
-133°C
-223°C
-193°C
?
0.53
Oui mal
connue
?
oui
La plus
dense des
géantes
Anneaux
Peut-être
un ancien
satellite de
Neptune?
0.45
He 17%
H2 82%
?
Rayonne
2.5 fois +
d’énergie
qu’il n’en
reçoit
Anneaux
0.45
0.46
93% H2
H2
?
Rayonne
1.8 fois +
d’énergie
qu’il n’en
reçoit
Anneaux
?
Présence
d’anneaux
Révolutio
n
rétrograde
Présence d’un petit noyau de silicates et de glaces
entouré d’hydrogène et d’hélium sous forte
pression et sans doute à l’état métallique
Sites WEB consultés
http://msowww.anu.edu.au/library/thesaurus/french/
http://www.iap.fr/saf/
http://solarsystem.nasa.gov/index.cfm
http://www.astrosurf.com/luxorion/
http://www.earthsky.com/
http://www.nasa.gov
http://www.damtp.cam.ac.uk/user/gr/public/index.html
http://nineplanets.org/
http://www.geologylink.comhttp://web.cortial.net/bibliohtml/epiclc_j.html
http://system.solaire.free.fr/sommaire.htm
http://www.planetary.org/
http://pubweb.parc.xerox.com/map
http://www.globe.gov
http://visibleearth.nasa.gov/Atmosphere/
http://web.ngdc.noaa.gov/mgg/image/images.html
http://www.solarviews.com/eng/homepage.htm
http://solarsystem.nasa.gov/index.cfm
Quelques idées fortes :
Le mouvement relatif des planètes par rapport aux étoiles est connu depuis au moins à 4000 ans (tablettes d’argile).
La notion d’une Terre ronde apparaît chez les Grecs, il y a environ 2500 ans :
D’abord par souci « esthétique », et par l’observation des éclipses de Lune ensuite
Il y a 2300 ans,
Eratosthène prouvait que la terre est ronde
Aristarque affirmait que la Terre est ronde et qu’elle tourne autour du Soleil
Entre le ∼II° et le XVI° siècle, le géocentrisme :
Hipparque Au ∼II°, puis Ptolémée au II° siècle, et tous les savants du moyen âge affirment le géocentrisme
Copernic, De revolutionibus au XVI° et Galilée au XVII° siècle
remet le Soleil au foyer, et notre Terre à sa place
Newton (Philosophiae naturalis principia mathematica) pose en 1786 les bases de la planétologie moderne
La Terre n’est donc décidément pas ronde
Le rayon polaire = 6356 Km ;
rayon équatorial = 6378 Km
22 Km de différence
Les planètes internes Mercure Venus Terre Mars sont rocheuses
Les planètes externes Jupiter, Saturne, Uranus Neptune, sont gazeuses
Pluton,constituée de glace et de roche (comme les comètes) est considérée comme un objet Transneptunien
- 10 -
0.6
?
?
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
CHAPITRE 1
Evacuer la Chaleur de la Planète
Francis Picabia, 1915
« Très rare tableau sur la Terre »
http://www.dadart.com/dadaisme/dada/011dada-francis-picabia.html
La Terre est une machine thermique « deux en un » :
1 - Depuis la naissance de la Terre jusqu’à sa mort, la
machine thermique endogène n’aura cessé de
transporter une chaleur interne aux origines diverses:
• chaleur « initiale » récupérée de l’énergie cinétique
des poussières, cailloux et planètésimaux
planèt
et autres
lunes lors de sa naissance par accrétion,
accrétion lire MC Planeto - Chaleur initiale - Letellier.htm;
• chaleur latente de cristallisation de son noyau,
encore à l’œuvre pour longtemps ;
• chaleur provenant de la désintégration des éléments
radioactifs contenus dans le manteau et la croûte,
croûte
lire MC - Energie interne - Radioactivite - Letellier.htm ;
2 - Depuis l’allumage du Soleil, la machine thermique
exogène transporte la chaleur externe
exter
provenant du
rayonnement solaire dans l’atmosphère, l’hydrosphère
et la partie superficielle de la croûte terrestre.
Les ordres de grandeurs des puissances de ces deux
machines sont très différents et leur mesure prend notre
imaginaire complètement en défaut,
éfaut, habitués que nous
sommes à lézarder sous le soleil d’été et à être effrayés par
les violentes colères ponctuelles de Gaïa, la Terre mère. En
effet, l’énergie solaire reçue par la Terre est estimée à 342
W. m-2, alors que le flux de chaleur interne traversant
t
la
surface du sol est estimé quant à lui à 0,08 W.m-2, soit
environ 0,02% seulement de la puissance reçue du Soleil !
Dès le XIX°, Hopkins avait noté que l'état physique
du globe, liquide, solide ou mixte, résulte de la compétition
entre les 2 modes
des d'évacuation de la chaleur, la conduction
et la convection, eux-mêmes
mêmes fonction de la viscosité du
fluide. La conduction est insuffisante dans les deux
machines terrestres, tant pour évacuer la chaleur interne à
travers les enveloppes rocheuses, que pour
pou transférer la
chaleur solaire de l’équateur vers les pôles à travers
l'atmosphère et l’hydrosphère ou la croûte. Par conséquent,
la Terre utilise aussi la convection, à travers trois «fluides
caloriporteurs»:
1 - le Fer liquide dans le noyau; le magnétisme terrestre
t
est la preuve directe et mesurable en surface de cette
convection profonde ;
2 - les solides silicatés du manteau; le déplacement des
plaques lithosphériques témoignent de
cette convection solide ;
3 - les liquides et gaz (éléments volatils)
de l’hydrosphère-atmosphère.
En outre, chaque fois qu’il sera fait
appel à la convection, nous devrons nous
souvenir que la Terre est en rotation, et
donc que la force de Coriolis est mise en
θ
œuvre. Dans une sphère en rotation, lors d’une convection
méridienne, le fluide
uide subit une déviation (gauche ou droite
selon l’hémisphère) qui transforme sa trajectoire en une
hélice. Dans les 2 milieux à grande fluidité que sont d’une
part l’atmosphère-hydrosphère
hydrosphère et d’autre part le noyau, le
rôle de la force de Coriolis est très important. Il est
négligeable dans le manteau car, même si les masses
transportées sont considérables, les vitesses de déplacement
du matériau rocheux (solide) n’y dépassent certainement pas
quelques cm/an à quelques dm/an au maximum.
A - La conduction
Elle
lle représente d'une part le transport de chaleur par
rayonnement (mais celui-ci
ci doit être très faible compte tenu
de l'opacité du milieu terrestre) et d'autre part la partie
évacuée par vibration de l'architecture cristalline,
cristalline qui se
traduit par le terme de conduction pure.
pur
La 1° loi de Fourier,
J =-k grad T,
exprime le flux de chaleur par unité de surface et par
unité de temps. Le flux est proportionnel au gradient de T°
(= dT/dx selon la direction x). Le coefficient de
proportionnalité k est appelé conductivité
onductivité thermique.
thermique
A travers la 2° loi de Fourier,
Fourier loi de conservation de
la chaleur, k.∆T + Q = ρCp∂T/∂
∂t où ρ est le poids
volumique (kg.m-3) et Cp la chaleur spécifique à pression
constante (J.kg-1.K-1) s’exprime comme la somme de la
quantité de chaleur qui traverse une unité de volume
(= k.Laplacien de T°) plus la quantité de chaleur produite à
l'intérieur de ce volume Q,
on écrit que selon x :
k∂
∂2T/∂
∂x2 + Q = ρCp∂T/∂
∂t
On suppose ici que k est indépendant de la T°, est
la densité. On accède ainsi à la variation de T° avec le
temps, selon x,
∂T/∂
∂t = K∂
∂2T/∂
T/∂x2 + Q
avec
K=k/ρCp, diffusivité thermique.
thermique
Le rayonnement correspond au transfert de chaleur
entre deux corps séparés
parés par un milieu transparent aux ondes
électromagnétiques. On définit un corps de référence appelé
« corps noir » dont on peut définir
dé
la propriété d'émittance
M, comme la puissance émise à travers une
unité de surface sur l’ensemble des
longueurs d’ondes (0<λ<
(0<
∞). On démontre
que ce flux d’énergie
’énergie est de la forme
dΩ
M σT4
M=σ
où
σ
est la constante de Stefan,
Stefan et T la
température.
dS
ϕ
Rappel : si l’on considère une source
- 11 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
émettant sur un ensemble de λ, Le flux énergétique
polychromatique (puissance) élémentaire dΦ
Φ à travers la
surface dS sous l’angle solide dΩ (stérad) est tel que :
dΦ
Φ = L dS cosθ
θ dΩ
Ω
(W/m2stérad)
Où L est la luminance de la source pour toutes les λ
dans la direction (θ,ϕ) sous l’angle solide dΩ est alors
exprimée par la relation
L = d2Φ/(dS cosθ
θ dΩ
Ω) (W/m2stérad)
L’émittance M de cette source est définie pour
toutes les λ et pour toutes les directions, comme :
M = dΦ
Φ/dS (W/m2)
Lorsque la luminance est indépendante de la
direction d'émission (θ,ϕ), on obtient après intégration sur
les directions (θ,ϕ) la relation entre émittance et luminance
M=πL
Nous avons considéré en premier lieu que l'opacité
du milieu terrestre était totale. Cela est vrai dans le domaine
du visible, mais notre globe est partiellement transparent
dans l’IR. Les expériences récentes de A. Goncharov, V.
Struzhkin et S. Jacobsen, du Laboratoire de Géophysique
de la Carnegie Institution (2006), montrent que les cristaux
de magnésio-wüstite, deuxième minéral le plus courant du
manteau inférieur (Chp4C1), sont capables de transmettre la
lumière IR à PAtm mais sont opaques aux IR dans les
conditions de pression du manteau inférieur (définition
Chp. 3.B.4.c). La magnésio-wüstite pourrait alors renforcer
l’isolation du noyau de la Terre. Si tel est le cas, dans cette
région profonde le rayonnement ne contribuerait pas au flux
global de chaleur. Cela induirait une convection
globalement plus vigoureuse à la base que dans le reste du
manteau, qui pourrait alors considérablement renforcer le
déclanchement des panaches mantelliques caractéristiques
du fonctionnement thermique de notre planète (voir cidessous et Chp. 4.B).
B - La Convection
Dans ce cas, la matière elle-même est transportée,
entre deux couches limites au sein desquelles la chaleur est
évacuée par conduction. La figure 1 représente une couche
fluide, chauffée par-dessous. Les températures de surface et
du fond sont respectivement T0 et T0+∆T. Si une goutte de
ce fluide quitte le fond et s'élève de la hauteur δz,
suffisamment vite pour ne pas échanger de chaleur avec son
environnement, sa décompression adiabatique (α,
coefficient de dilatation thermique) impliquera une baisse de
température telle que
δT = (gα
αT/Cp)δ
δz
où
(gα
αT/Cp) représente le gradient adiabatique
grad Tad.
Si le gradient de température supposé linéaire dans la
couche fluide est plus petit que le gradient adiabatique (sous
adiabatique, grad T< grad Tad , à gauche dans la figure), la
Fig. 1, la convection
24/10/13
goutte sera plus froide que son environnement, donc plus
dense. Elle redescendra et la convection avorte. Inversement
si le gradient de T° est super adiabatique, grad T<grad Tad,
à droite dans la figure, la goutte est plus chaude et plus
légère que son environnement, la convection est amorcée.
Elle tend donc à monter vers la surface. S'il n'y a pas
d'échange de chaleur avec l'environnement le gradient de T°
se rapproche du gradient adiabatique.
On pourrait en déduire que l'existence d'un gradient
de température suffit pour entraîner un écoulement
convectif. En réalité, pour que le régime convectif s'amorce,
le gradient de température doit atteindre un certain seuil. En
effet, deux facteurs jouent un rôle important pour le
mouvement d'une goutte de fluide et s’opposent :
1 - la poussée d’Archimède (dirigée vers le haut) ;
2 - la traînée visqueuse (force de frottements) dirigée dans
le sens opposé au mouvement. Sa grandeur dépend de
la viscosité du fluide.
Donc, il n’y a pas de mouvement tant que la traînée
visqueuse est égale au 2d facteur, la poussée d'Archimède.
Pour que la convection fonctionne, il faut donc
une poussée d'Archimède suffisante, c’est à dire:
1 - une pesanteur g (m.s-2), forte;
2 - un coefficient de dilatation thermique α (K-1), élevé;
3 - un gradient de température élevé, donc ∆T (K) élevé;
4 - une hauteur fluide z (m), élevée (l'écart de température
avec l'environnement augmente avec z)
5 - une production interne de chaleur, Q, n'est pas
indispensable, mais favorise la convection;
et une faible dissipation, c’est à dire:
6 - une diffusivité K (m2.s-1), et une conductivité k (W.m1
.K-1) thermiques faibles, donc une chaleur spécifique
volumique importante Cp (J.K-1.m-3);
7 - une viscosité cinématique du fluide ν (m2.s-1), basse ;
avec ν = η /ρ (η, viscosité dynamique).
On exprime l'ensemble de ces paramètres à travers un
nombre sans dimension, dit Nombre de Rayleigh,
indépendant des détails du système considéré, et qui, pour
une couche horizontale chauffée par-dessous, sera de la
forme
Ra = gα
αz3∆T / νK
et pour une sphère chauffée de
l'intérieur (Q), sera de la forme:
Ra = gα
αQ z5∆T / νK
Dans le cas où la couche de fluide est comprise entre
deux plans infinis, des calculs théoriques montrent que le
nombre de Rayleigh critique a une valeur de 1708. Des
expériences menées par P. Silveston et E. Koschmieder
laissent prévoir également que Ra est de l’ordre de 1700 ±
50.
Dans une couche horizontale simple comme la
précédente, le fluide devient instable et convecte pour une
valeur critique de Ra = 667.
La viscosité est un paramètre essentiel de la
convection, quelques rappels :
1 - Un fluide parfait, de viscosité nulle, est caractérisé par
un module élastique nul, µ = 0. Toute contrainte de
cisaillement engendre une déformation irréversible, il
coule donc parfaitement. Un fluide visqueux au
contraire résiste à l'écoulement. Donc, pour maintenir
l'écoulement à vitesse de déformation (ε) constante,
- 12 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
dε/dt = cte, il faut appliquer une contrainte de
cisaillement σ. La viscosité, η, est de la forme de σ/ε.
2 - Un solide supporte la déformation de manière élastique
en dessous d'une certaine valeur, et une déformation
irréversible au-delà. Une contrainte quelconque,
appliquée longtemps, provoque une déformation qui
croît avec le temps. Le solide s'écoule comme un
liquide, on dit qu’il flue, et sa viscosité η est encore
définie par le rapport σ/ε, où ε est la vitesse de fluage.
Le modèle du corps de Maxwell (Fig.2) rend compte
de ce comportement, en écrivant que la déformation
totale est égale à la déformation élastique (σ/µ) plus la
déformation visqueuse:
ε = (σ
σ/µ
µ) + σ/η
ηdt
Le temps de relaxation d'un tel corps est égal à
τ,= σ/η
η
Fig. 2, viscoélasticité : corps de Maxwell
µ
η
Pour une contrainte appliquée pendant un temps
inférieur au temps de relaxation, le corps a une réponse
élastique, alors que pour une contrainte appliquée pendant
un temps très supérieur, la réponse sera un écoulement
visqueux. Pour le manteau terrestre, on sait que :
1 - la viscosité η est estimée de l'ordre de 1022 poises (ou
Pascal.seconde);
2 - le module élastique de cisaillement µ est estimé de
l'ordre de 70 GPa.
D'où l'on tire un temps de relaxation, qui pour le
manteau terrestre est de 450 ans, valeur tout à fait
compatible avec la convection à l'échelle des temps
géologiques. On estime à cet égard qu'une cellule convective
est parcourue en 106 années. La valeur du nombre de
Rayleigh obtenue pour la Terre est de l'ordre de 108. Elle est
donc très supérieure à la valeur critique.
Pour une sphère en rotation rapide comme la Terre,
et un fluide à faible viscosité comme le fer liquide du noyau,
la force de Coriolis devient significative. Busse a montré
que la circulation convective prend alors la forme de
colonnes étroites parallèles à l’axe de rotation de la sphère.
La formulation de la théorie des plaques, en
combinant la géophysique et la dérive des continents de
24/10/13
Wegener, a permis d'avoir un regard à l'échelle de la planète
sur les phénomènes géologiques. Lire cours_derive-descontinents_2007.pps, nous n’aborderons pas la tectonique des
plaques dans ce poly, voir MC - Tectonique - Plaques - MartinMayembo.htm et poly La Dérive des Continents. Il est maintenant
admis que le mouvement perceptible en surface des plaques
lithosphériques rigides de la croûte terrestre n'est que le
reflet de mouvements convectifs intéressant tout le
manteau. Celui-ci est un solide à l'échelle de temps des
phénomènes acoustiques qui nous permettent de l'ausculter
(cf. Chp. 3.B), mais un fluide à l'échelle des temps
géologiques. Si l'observation directe des parties profondes
de cette circulation nous est hélas impossible, il nous reste
bien sur Jules Verne, mais surtout les modèles dérivés des
études de séismologie (cf. Chp. 3B et 4.C).
Nous avons exprimé plus avant que la convection
dans le manteau est contrôlée par le nombre de Rayleigh,
qui décrit la vigueur de la convection. Dans les modèles
terrestres, si l’on peut considérer que le plancher océanique
constitue la surface supérieure des cellules convectives du
manteau terrestre (cf. Chp. 4.E.2 lithosphère océanique), il
n’en est pas de même des continents. En effet, la lithosphère
continentale échappe presque complètement au recyclage
convectif (Chp. 4.E.1 lithosphère continentale). Elle est
certes mobile à la surface de la Terre, mais elle reste à la
surface. En outre, elle est quasi exclusivement solide, et ne
peut donc transférer la chaleur apportée à sa surface
inférieure par la convection mantellique que par conduction.
Bien identifiée par la sismique, les anglo-saxon donne à
cette « seismic-lithosphere » le nom de LID (=couvercle).
Elle agit comme un bouclier thermique, dont l´effet plus ou
moins isolant est introduit dans les modèles de convection
mantellique (e.g. S. Labrosse, C. Jaupart et C. Grigné) par
un second nombre sans dimension, le nombre de Biot. Le
nombre de Biot s´écrit : B=(kc dm)/(km dc), où kc et km sont
les conductivités thermiques respectivement du continent et
du manteau, et dc et dm sont leurs épaisseurs. Utilisé dans les
calculs de transfert thermique en phase transitoire, il
compare la résistance au transfert thermique à l'intérieur du
volume d’un corps (ici le continent) à celle de la surface du
corps considéré (ici l’interface entre le continent et le
manteau situé au-dessous).
On peut montrer que le flux de chaleur sortant du
manteau sous le continent est proportionnel à B.Ti, où Ti est
la température à l´interface entre les deux milieux. Un
nombre de Biot élevé, correspondant à une épaisseur du
continent dc faible ou à une conductivité thermique kc
élevée, implique un effet isolant très faible de la part du
continent. A l´inverse, un nombre de Biot faible correspond
Fig 3a : convection, passage de la convection en rouleaux à la convection en panaches avec le nombre de Rayleigh
1) R = 105
2) R= 106
3) R= 107
(C. Grigné)Le nombre de Biot dans ces modèles est B=10 ; flux de chaleur à la surface du manteau (en haut) ; gamme des températures (en bas).
- 13 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
à une forte épaisseur du continent ou à une conductivité
faible, et donc, à un fort effet isolant :
1 - Pour un continent immobile, la convection d'un fluide
sous un couvercle conductif se traduit toujours par le
développement d´une zone de remontée chaude
centrée sous le couvercle-continent, quel que soit son
nombre de Biot. En outre la largeur des cellules de
convection augmente par rapport à celles du modèle de
convection semblable sans couvercle, et leur nombre
décroît (2 au lieu de 4). En fonction de la vigueur de la
convection, les modèles suggèrent que l’on passe
d’une convection en rouleaux correspondant à un
écoulement lent et laminaire (Fig. 3a1, Nombre de
Rayleigh faible 105) à un modèle de gouttes séparées
de fluide chaud (panaches) plus rapides que leur
environnement, qui traduisent la turbulence du milieu
(fig. 3a2-3a3, Nombre de Rayleigh moyen et fort,
respectivement 106 et 107). L´écoulement peut
atteindre un état stationnaire dans le mode lent, mais
pas dans le mode rapide. Le second enseignement de
ces modèles de circulation mantellique est que la
largeur des cellules convectives est corrélée d’une part
au nombre de Rayleigh (fig. 3a) et d’autre part à la
taille du couvercle (fig. 3b).
2 - Pour un continent mobile, au stade initial, le
continent est immobile. Dans un premier temps la
divergence installée sous le continent par les
ascendants mantelliques provoque la dérive du
continent jusqu’au droit d’un descendant mantellique,
point de convergence des cellules convectives. L’effet
de bouclier thermique du continent devenu stable se
traduit alors par une modification complète de la
distribution des cellules, jusqu’à apparition d’une
nouvelle divergence sous le continent. Si la taille du
24/10/13
continent influe directement sur la taille des cellules
convectives, on observe en outre une évolution très
nette de la largeur des cellules convectives avec le
déplacement du continent. Initialement larges tant que
le continent reste immobile, elles sont rapidement
remplacées par un système de cellules de longueur
d’onde bien plus petite dès lors que le continent est
mobile. L’effet cumulatif de bouclier (qui se traduit
par l’allongement des cellules) disparaît avec la
mobilité de ce dernier.
La géologie nous enseigne par exemple que le rift
océanique (qui correspond à un ascendant mantellique) peut
se poursuivre à travers le continent, et qu’il peut entraîner sa
rupture (e.g. la ride Indienne qui se poursuit en Mer Rouge
et dans le rift Est-Africain). Le bouclier continental afroarabique apparaît ici passif, fragilisé et dilacéré par la
convection mantellique. Quelle est l’influence réelle de la
surchauffe continentale sur la position des ascendants
mantelliques ? La position des continents détermine-elle
celle des panaches ascendants ? Si la convection engendre
en surface la dispersion des continents elle provoque aussi
leur rassemblement en un seul supercontinent, sur un rythme
qui pourrait être de l’ordre de 400 Ma (la Pangée, dernière
occurrence de ce phénomène date du Permien, 250 à 280
Ma). Un tel couvercle conductif amène ainsi probablement
une modification très importante de la géométrie de cellules
de convection, nous y reviendrons au chapitre 4. Nombre de
géologues discutent encore le mouvement relatif des plaques
et suggèrent qu’il résulte de la traction par les plaques
subductées. La question a-t-elle un sens ? Nous verrons aux
chapitres 3 et 4 que la distinction d’un manteau inférieur et
d’un manteau supérieur vient compliquer encore la
circulation dans le manteau, et que les interactions entre le
manteau et le noyau sont aussi un facteur à prendre en
compte.
Fig 3b : modèles de convection mantellique (C. Grigné),
présence d’un continent mobile et influence de la largeur du
couvercle ; Nombre de Biot B=10 ; Nombre de Rayleigh R = 107
C - L’advection
La convection est le mode premier du transfert de
chaleur dans le manteau, ce qui n’interdit pas bien entendu
qu’une partie de la chaleur du manteau est aussi transmise
vers l’extérieur par conduction. Nous venons de voir que la
lithosphère, partie rigide de la Terre (et en particulier la
lithosphère continentale), ne permet pas la convection, et
donc que le transfert la chaleur s’y effectue par conduction.
a) couvercle de petite taille
Mais dans la lithosphère, le volcanisme en
provenance du manteau transporte lui aussi de la chaleur
vers la surface, sous forme de matériau chaud qui reste
stocké dans la lithosphère. Le volcanisme représente ainsi
une perte de chaleur qui ne s’effectue ni par conduction ni
par convection, mais par advection.
D - Les bilans énergétiques internes
b) couvercle de grande taille
La Température mesurée dans les mines, croît si vite
avec la profondeur, en moyenne 30°C.Km-1 dans les
continents, que l'on a admis longtemps que sous l'écorce
solide, la Terre devait être encore liquide. En fait, si le
gradient (ou géotherme) mesuré en surface était linéaire, la
température serait si forte au centre (environ 200 000°) que
la Terre devrait être volatilisée!
voir animations de C Crigné sur http://www.emse.fr/~bouchardon/
- 14 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
1 - Les sources de chaleur de la Terre
24/10/13
Fig. 4a : les éléments radioactifs et radiogéniques dans le tableau
périodique.
Lire MC - Energie interne - Chaleur initiale - Letellier.htm ;
MC - Planeto - Energie interne - Autixier.htm
Avant la découverte de la radioactivité (Becquerel
1896), on était obligé d'admettre que la chaleur dissipée
de nos jours était due exclusivement à l'énergie cinétique
primitive emmagasinée sous forme de chaleur lors de la
formation de la Terre. Cette chaleur primitive d'origine
gravitationnelle a été récupérée lors des 500 premiers
millions d’années de la vie de la Terre. En un premier
temps, c’est la condensation du gaz et des poussières de la
nébuleuse en petits corps qui transforme son énergie
potentielle en chaleur. Progressivement, la période
d’accrétion à froid (voir Chp.4D1a) cède place aux
impacts entre corps de moins en moins petits, puis entre
planètésimaux (lire MC - Planeto - Planetoides - Padet.htm), qui
transforment de l’énergie gravitationnelle en chaleur. Enfin,
dans une Terre que l’on s’accorde à penser être devenue
entièrement liquide, la différenciation du noyau en fer et
nickel achève cette période de récupération de l’énergie
gravitationnelle en chaleur. La séparation de ces deux
éléments, très abondants, a deux causes : i) ils sont les
plus massiques des éléments abondants, oxygène,
silicium, aluminium et magnésium (voir Chp.2B1, Fig.
6a) ; ii) ils s’associent aisément en alliage et sont
volontiers constitutifs de minéraux sans oxygène (e.g. les
sulfures). Ils ont un donc un comportement chimique
voisin, comparable aussi à celui du cuivre, on les dit
« chalcophiles ». Ils se séparent donc à cette époque
précoce et occupent le centre de la Terre, constituant ainsi
le noyau. Les autres constituants, aluminium, alcalins,
alcalino-terreux et autres, combinés à l’oxygène et au
silicium, constituent la seconde enveloppe de cette Terre
initiale, le manteau. Les éléments volatiles, qui ne peuvent
entrer qu’en petite quantité dans les structures minérales, se
rassemblent en une enveloppe extérieure, constituant une
atmosphère à cette Terre primitive.
Si l’on imagine que la Terre fut essentiellement
liquide dans un premier temps mais qu’elle ne l’est plus de
nos jours, il faut ajouter à cette énergie initiale la chaleur
latente de cristallisation de la planète. En outre, le
changement de densité qui accompagne ce changement
d’état implique la récupération simultanée d’un peu
d’énergie gravitationnelle en chaleur.
Pour en terminer avec les sources de chaleur
primitive, il faut ajouter le rôle des éléments radioactifs à vie
courte, 129I et en particulier 26Al, de période 740 000 ans
(voir Chp.2D1). Leur contribution fut éphémère et peut être
considérée comme négligeable au-delà de 10 périodes11.
Lire MC - Energie interne - Radioactivite - Letellier.htm
Pour l’essentiel, la radioactivité est due à quelques
éléments pères, dits radioactifs, qui se déstabilisent
spontanément en éléments fils radiogéniques (Fig. 4a). Tous
11
Rappel : la période (demi-vie) d’un élément radiogénique
est proportionnelle à la constante de désintégration λ qui
représente la probabilité de désintégration de cet élément par
unité de tps, T=Ln2/λ; l’expression de la concentration C de
cet élément en fonction de sa concentration initiale C0 et du
temps t est de la forme C = C0.e-λt.
très lithophiles, c'est-à-dire ayant une affinité chimique forte
pour les magmas granitiques et les minéraux des roches de
la croûte terrestre, ils sont absents ou quasi-absents du
noyau, ils sont relativement abondants dans le manteau et ils
sont très largement concentrés dans la croûte terrestre avec
les autres éléments lithophiles.
Quelques autres éléments pères
sont le fruit d’interactions de
l’atmosphère avec les radiations
cosmiques qui y parviennent ; ils sont
dits cosmogéniques et se déstabilisent
eux aussi en éléments radiogéniques
fils. Ils sont bien sûr présents
essentiellement dans l’atmosphère et
sur la surface de la Terre, dans les sols
par exemple. Ainsi, pour le béryllium
(Be), qui possède 10 isotopes dont le 9Be stable, le 10Be est
le produit d’une spallation N ou C dans la haute atmosphère.
Il est « récolté » avec la pluie, et son comportement dans les
eaux est très contrasté en fonction du pH : il est très soluble
sous pH ≤5.5, et précipite au-delà. Aussi est-il volontiers
bloqué dans les sols, pour lesquels le couple 10Be → 10B, de
période 1.5 Ma devient un excellent traceur de leur
formation ou érosion, mais aussi de l’activité solaire, qui se
traduira par le taux de spallation ; on peut aussi l’utiliser
pour la datation des glaces. Mais le 10Be peut aussi provenir
de la spallation des atomes de Si dans les grains de quartz de
la surface du sol. Au sein de ces minéraux, il constitue aussi
un traceur bien utile. Parmi les éléments cosmogéniques,
citons le 11C dont la période très courte (11mn) en fait un
traceur à usage médical, le 36Cl et le 41Ca, et enfin l’26Al.
Nous avions noté plus avant l’intérêt de ce dernier dans la
datation des chondrites. Il est aussi produit en continu par
spallation Ar dans la haute atmosphère et peut, comme le
10
Be, être incorporé dans les cycles de l’eau et dans les
sédiments ou les sols.
On estime à 4.2 1013 W (environ 40 térawatts) le
flux de chaleur qui traverse actuellement l’interface
lithosphère-atmosphère, soit 82 mW.m-2, une quantité
10000 fois moindre que celle fournit par le soleil (cf. Ch.5)
Cette estimation est faite à partir de mesures de surface dont
la répartition n’est certes pas homogène, mais elle nous
semble satisfaisante. A titre indicatif, soulignons que cette
énergie interne que dissipe la Terre dans l'espace est environ
104 fois plus faible que celle qu'elle reçoit du Soleil ! Lire
Cours/2007-2008/Geol/Geoth/Cours_2007_2008_geotherme.ppt
- 15 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig. 4b : Bilan énergétique interne
Les bilans d’énergie que l'on
Volcanisme
Refroidisement lithosphère océanique
dresse de nos jours montrent
(tableau 1 et Fig. 4b) que 50% au
moins de l'énergie interne dissipée
Tectonique
provient de la désintégration des
Radio-Activité
Convection
éléments radioactifs à période
238
235
232
40
LithoRadio-Activité
longue ( U,
U,
Th, K en
sphère
Energie Mécanique
particulier). On connaît bien la
Conduction
quantité de chaleur produite par
Radio-Activité
Manteau
unité de masse de U, Th ou K, et
Manteau supérieur
l’on connaît très bien la composition
de la croûte supérieure ; l’estimation
Mouvements différentiels
de la production est donc aisée pour
cette tranche superficielle. Par contre
Radio-Activité
Manteau inférieur
on connaît moins bien la croûte
Chaleur initiale
inférieure. De même, on connaît
relativement bien le manteau
supérieur, grâce en particulier aux
Convection
ophiolites, véritables radeaux de
champ magnétique
lithosphère océanique déposés sur
Noyau
Chaleur initiale
les
continents,
mais
nos
Radio-Activité
connaissances sur le manteau
Chaleur latente de cristallisation
inférieur restent très limitées.
Néanmoins, on peut proposer le schéma suivant :
beaucoup évolué avec le temps (Fig. 4c), à la fois
1 - les chaînes de désintégration de l’Uranium 238U ⇒ globalement on estime le dégagement de chaleur radioactive
206
Pb, de période λ=4.5 Ga., et 235U ⇒ 207Pb (λ=0.71 des premiers instants à 2.5 10-11 w.kg-1 contre 0.6
Ga.) produiraient 1013 watts dans le manteau ;
actuellement ; dans la figure, on note que les contributions
relatives des différents éléments ont beaucoup évolué, d’une
232
208
2 - La chaîne Th ⇒ Pb (λ=14 Ga.), produirait aussi
part en fonction de leur abondance initiale et d’autre part en
13
10 watts dans le manteau ;
fonction de leur période ; ainsi, 235U qui était initialement le
40
40
40
3 - La chaîne K ⇒ A, Ca (λ=1.28 Ga.) serait 1° contributeur à la chaleur dégagée, est quasi épuisé
responsable de 0.4 1013 watts dans le manteau
maintenant (1/64° de sa concentration initiale) et ne
représente plus rien en terme de chaleur actuellement.
13
Ces sources U, Th, K dégageraient 0.8 10 watts
dans la croûte. Bien que celle-ci représente un petit volume
Le total représente 3.2 1013 watts. Il reste donc 1013
par rapport à celui du manteau, elle apporte une contribution watts qui représentent la part de la chaleur initiale, soit
comparable à celle du manteau supérieur, car les éléments environ 24%
radioactifs à vie longue y ont été concentrés principalement
Le comportement du potassium lors de la
par différenciation à partir du manteau supérieur, qui
différenciation initiale de la Terre (Cf. § météorites
représente les 670 premiers Km du manteau terrestre.
différenciation) n'est pas encore clairement compris. Si l'on
La contribution des principaux éléments radioactifs a
Tableau 1, bilans énergétiques internes
Nature
radioactivité
chaleur initiale
chaleur de différentiation
chaleur latente de
cristallisation
énergie gravitaire
mouvements différentiels
processus tectoniques
séismes
météorites
lieu de
dissipation
croûte
continentale
croûte
océanique
manteau
supérieur
manteau
inférieur
noyau
manteau
noyau
quantité
d’énergie
1012W
4.2 - 5.6
0.06
1.3
3.8 - 11.6
0 - 1.2
Si l’on considère les contributions respectives de la
Fig. 4c : Evolution de la chaleur dégagée par la radioactivité
à vie longue depuis la création de la Terre
7 - 14
4–8
noyau liquide
1 - 2.8
1
manteau
lithosphère
lithosphère
0–7
0.3
0.03
?
42
total
admet qu'une partie du 40K a été entraînée dans le noyau
liquide lors de cet épisode, celui-ci possède sa propre
centrale. Dans le cas contraire, l’énergie radioactive du
noyau est nulle et il doit compter sur la chaleur sensible qu'il
détient encore  chaleur initiale plus chaleur accumulée par
les éléments radioactifs à vie courte (129I ou 26Al par
exemple) disparus depuis longtemps  et sur la chaleur
latente de cristallisation pour fonctionner (cf. § noyau).
- 16 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig. 5b : fig. 50 du poly « la dérive des continents » ;
Valeurs du flux de chaleur en fonction de la distance à
l'axe de la dorsale pour divers taux d'expansion selon le
modèle de Bottinga. D'après Borringa, 1974.
croûte et du manteau, on remarque que le gradient
géothermique doit nécessairement diminuer avec la
profondeur, au moins dans le manteau supérieur.
L'augmentation de T° n'est donc pas linéaire et l'intérieur
de la Terre n'est pas nécessairement liquide, au
contraire !
Les sondages les plus profonds ne dépassent guère la
dizaine de Km, 12 Km environ dans le forage scientifique de
la presqu'île de Kola en Russie, et les difficultés techniques
rencontrées sont déjà énormes (temps de montée des trains
de tiges, T° proche de la T° de fusion du matériel,
circulation du fluide de refroidissement - lubrification...). Il
ne paraît pas possible de dépasser beaucoup cette
profondeur dans un futur proche.
Les approches indirectes de la géophysique  la
gravimétrie, le géomagnétisme et tout particulièrement la
sismique  constituent nos seules fenêtres pour observer
l'intérieur de la Terre, nous y reviendrons au chapitre 3.
Nous disposons toutefois en surface de deux
échantillonnages distincts :
1 - les basaltes qui proviennent du manteau remontent
des fragments intacts de la partie supérieure du
manteau très significatifs des 200 premiers Km de
profondeur, que nous évoquerons au chapitre 4.
2 - les météorites, tombées du ciel, et qui nous procurent
des éléments de comparaison avec le reste du système
solaire ; Elles font l’objet du chapitre 2
2 - L’état thermique de la Terre
Les rides océaniques constituent les frontières des
plaques divergentes. Leur manteau chaud monte jusqu'à la
surface puis se refroidit en s'éloignant de la dorsale. Le
flux de chaleur mesuré près des dorsales océaniques est
très élevé (110mWm-2). Le manteau étant quasi affleurant
en cet endroit, ce flux est celui du manteau ascendant sous
les dorsales. La carte mondiale du flux de chaleur de W.D.
Gosnold (Fig. 5a) montre qu’il décroît systématiquement
en s’éloignant de la ride vers les fosses océaniques,
48 Wm-2 (Poly « LDC, La dérive des continents »).
L'évolution thermique de la lithosphère océanique peut
ainsi être modélisée par le refroidissement d'une plaque
d'épaisseur constante. Le calcul permet d'établir comment
varie le flux de chaleur en fonction de l'âge (Fig. 5b et poly
LDC), en fonction de la vitesse d’expansion de la plaque.
Fig. 5a : carte du flux de chaleur géosphérique actuel.
On notera qu’au voisinage immédiat de la ride (d = 0) et
sur une distance d’autant plus faible que la ride est lente, le
flux de chaleur chute brutalement au lieu d’être maximum.
L’intense fracturation ouverte (distension) de la ride
permet la circulation d’une énorme quantité d’eau qui
transfère la chaleur vers l’océan par advection (cf. fumeurs
noirs Chp 4).
Dans les bassins océaniques d'âge supérieur à 80
Ma., le flux mesuré ne varie pas considérablement et la
lithosphère est proche de l’état d'équilibre thermique. La
croûte océanique étant mince (Chp. 4.E.2.a) et de nature
basaltique donc pauvre en éléments radioactifs (par rapport
à la croûte continentale granitique), on peut admettre que
loin de la ride, la valeur du flux de surface est voisine de
celle du flux en provenance du manteau hors des
ascendants mantelliques, soit environ 50 mWm-2. Ainsi, les
régions les plus anciennes de la lithosphère océanique
(Chp. 4.E.2a), côtes Est-Américaines et Ouest-Africaines
de l’océan Atlantique-Nord, plancher du vieil océan avorté
entre Afrique et Madagascar, plancher Pacifique du SudEst du Japon à l’est des Philippines, sont parmi les plus
froides.
Dans les continents, la figure 5a montre que le flux
de chaleur est globalement faible par rapport aux rides.
Mais il est fort par rapport à celui du plancher océanique
qui les borde. La croûte est beaucoup plus épaisse et très
hétérogène (Chp. 4.E.1), et elle contient des quantités
importantes mais variables d'éléments radioactifs (U, Th et
K). Nous ne sommes donc pas en mesure de construire un
modèle simple et fiable du flux de chaleur continental
actuellement. Il faut mesurer12 ce flux en effectuant le plus
12
http://www.geo.lsa.umich.edu/IHFC/heatflow.html
La température est mesurée en fonction de la profondeur
dans un forage avec une précision de 0.005 K. La
conductivité thermique est mesurée pour les roches du
forage en laboratoire. Le gradient thermique est mesuré sur
une épaisseur finie dans un milieu souvent hétérogène. Le
profil thermique peut subir plusieurs types de perturbations
qui sont quantifiés (topographie, circulation d'eau, variations
de composition...). Enfin les variations du climat ont
engendré des changements de température à la surface de la
Terre. Ces perturbations peuvent être détectées et éliminées
- 17 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 6a : modèle de composition minérale du manteau, et
accessoirement du noyau.
24/10/13
courbe température profondeur ?
Nous disposons
contraintes fortes :
pour
l’établir
de
quelques
1- les kimberlites, témoins volcaniques directs les plus
profonds de l’état du manteau nous indiquent comme
raisonnable une température de 1000°C (#1300 K) à 70
km de profondeur
grand nombre possible de mesures dans des provinces
géologiques différentes. C. Jaupart et J. C. Mareschal
(1999) puis J. C. Mareschal, A. Poirier et al. 2000) ont
montré à propos du bouclier canadien, qui est constitué de
grandes provinces géologiques d'âges très différents
(Chp. 4.E.1.a, Fig. 26a), qu'il n'y a pas de tendance à la
décroissance du flux avec l'âge géologique. Le flux de
chaleur ne décroît pas non plus d'une manière systématique
vers le bord du continent Nord-Américain. Mais le flux
varie de manière significative entre les différentes
ceintures d'une même province, et ces variations ne
peuvent être dues qu'à des différences de composition de la
croûte. Les données de flux de chaleur du bouclier
canadien montrent ainsi la difficulté de définir une colonne
crustale typique ou moyenne pour les études thermiques.
Par contre, il faut noter que le flux de chaleur varie
rapidement en bordure des continents : les mesures de flux
de chaleur dans la mer du Labrador indiquent des valeurs
variant de 48 et 59 mWm-2 à plus de 75 mWm-2. Ces
valeurs montrent une transition abrupte du flux de chaleur
du manteau (quelques x100 km) qui confirme la différence
de nature et l’épaisseur des deux types de croûte. Si la
valeur du flux de chaleur en provenance du manteau est
une donnée fondamentale pour la structure thermique
crustale, elle permet aussi de contraindre les valeurs de
l'épaisseur de la lithosphère continentale. Le flux du
manteau étant limité à une gamme très restreinte,
l'épaisseur de la lithosphère est elle aussi limitée (voir
Chp. 4B4 la différence fondamentale qui existe entre
lithosphère et croûte). La lithosphère ne peut pas être plus
mince que 200 km environ et plus épaisse que 350 km.
D’après les auteurs, la lithosphère dans l'est du bouclier
canadien a une épaisseur variant entre 200 et 250 km.
2- La sismique nous informe de l’état solide du manteau
(Ch.p3). La valeur de la pression en fonction de la
profondeur est elle aussi très bien modélisée (modèle
PREM Chp.3.B.4), et l’on considère que les sauts de
densité indiqués par la sismique correspondent à des
changements de phases en réponse à l’augmentation de
la pression. Sachant que l’olivine (MgSiO4) est le
constituant majeur du manteau supérieur, on s’intéresse
d’abord aux transformations qu’elle peut subir. On a
ainsi :
• Dans la zone de transition, au sein du manteau
supérieur, la transformation progressive de la
Mg-olivine β orthorhombique
Spinelle cubique.
Elle débute vers 400 km de profondeur, soit une
pression de 18 GPa ; la température expérimentale
de cette transformation est d’environ 1500 K ;
l’olivine étant une solution solide de silicate de
magnésium et de fer, pour être dans la gamme des
concentrations du manteau on prendra une
Mg0.9-Fe0.1-olivine β, pour laquelle la température
du changement de phase est de 1400 K. La figure
6a montre que la première structure obtenue
s’appelle
wadsleyite , monoclinique dont la
structure est plus compacte que l’olivine puis elle
se transforme à peine 50 à 100 km plus bas en
ringwoodite, cubique à structure spinelle. En
parallèle, le clinopyroxène de la péridotite
mantellique disparaît au profit du grenat, plus
compact.
Fig. 6b : modèle de pression et de nature du manteau, du noyau
et de la graine (La recherche)
3 - L’allure du géotherme terrestre
Lire MC - Planeto - Energie interne - Geotherme Mayembo.htm. voir cours_2012_2013_geotherme.ppsx. Nous avons
noté que le géotherme terrestre ne pouvait être linéaire et
que nécessairement la production de chaleur devait
décroître rapidement au-delà de la croûte. Quelles sont
donc les ordres de grandeur et l’allure générale de la
par des mesures dans plusieurs forages profonds. En
pratique, le gradient géothermique est mesuré dans des
forages dont la profondeur est supérieure à 250 mètres.
http://www.ipgp.jussieu.fr/pages/060204.php
- 18 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
• Le second changement de phase possible est
Ringwoodite
pérovskite + magnésio-wüstite ;
l’olivine cubique très comprimée subit vers 25
GPa, environ 670 km, une réorganisation des
tétraèdres de SiO4 en octaèdres SiO6 qui libère et
des atomes de Mg et Fe qui composent l’oxyde
magnésio-wüstite (Mg,Fe)O. La température
d’équilibre de cette transformation à la pression de
25-30 GPa est de l’ordre de 1600-1700K ;
Outre la température et la pression à la surface de la
Terre et des mesures directes que nous pouvons faire dans
les premiers kms, plus les valeurs tirées des volcans, nous
disposons donc de 2 point profonds pour construire le
diagramme P,T du manteau supérieur (Fig. 6b).
1- On ne sait pas encore expérimenter des changements
de phases chez les silicates du manteau inférieur,
principalement la pérovskite, à des pressions
supérieures à 200 Kbar ; On sait par la sismique que les
propriétés du manteau inférieur évoluent continument,
ne nécessitant donc pas d’autre réponse à
l’augmentation de pression que la diminution de
volume de la maille cristalline, réponse rendue possible
par sa compressibilité. Par ailleurs, on sait extrapoler la
courbe de fusion de la pérovskite vers les hautes
pressions ; or la sismique nous informe (Chp.3) de
l’état solide du manteau jusqu’à la limite noyaumanteau, laquelle correspond à une pression de 136
GPa. La température de fusion de la pérovskite, qui à
cette pression est de 5000K environ, représente donc
une limite supérieure non atteinte à cette profondeur de
2900 km (Fig.6b). L’incertitude devient grande…
2- Contrairement au manteau, solide, nous tirons de
l’étude sismique et de l’étude du champ magnétique
l’hypothèse cohérente que le noyau externe est
liquide ; quant-à la graine elle est solide et que tous
deux sont un alliage de Ni-Fe. Nous avons donc là 3
nouvelles contraintes :
• La température du sommet du noyau liquide est
supérieure à la température de fusion de l’alliage à
136 GPa.,
• A 5100 km de profondeur, la limite entre noyau
liquide et graine solide issue de la cristallisation
fractionnée du noyau (voir explication de la
cristallisation
fractionnée
au
chp4.E.3.a)
correspond à la température de fusion de l’alliage.
La pression à cette profondeur est de 320 GPa. La
température de fusion des alliages Fe-Ni a été
expérimentée à cette pression par onde de choc
dans les mâchoires d’une enclume à diamants. Elle
est de 6000K pour du fer pur, et de 5000K pour un
alliage Fe-Ni tel qu’on le suppose dans le noyau
actuel c'est-à-dire : i) correspondant aux
abondances probable en ces 2 éléments ; ii) dopé à
10% en éléments légers. En effet, si un peu
d’éléments légers sont logiquement présents dans le
système noyau + graine, ils ne rentrent pas dans le
solide ; donc, au fur et à mesure de la cristallisation
de la graine, ils ont enrichi le liquide et il faut tenir
compte de la concentration vraisemblable du
liquide après plusieurs G.ans de cristallisation
fractionnée.
• Le noyau liquide est parcouru de mouvements de
convection (producteurs du champ magnétique
24/10/13
terrestre) ; il est donc raisonnable de considérer que
le gradient de température au sein du noyau liquide
comme adiabatique ; l’application d’un tel gradient
à partir de d’un interface noyau-graine à 5000 K
conduit à une température du sommet du noyau,
sous le manteau, à 2900km, de l’ordre de 3800 K
Nous pouvons donc admettre cette valeur pour le
sommet du noyau. Rappelons celle du sommet du manteau
inférieur, 1600 K, la différence est de 2200 K, à répartir
dans le manteau inférieur ? La tectonique des plaques et la
tomographie sismique (chp.4)
nous imposent de
considérer que le manteau est un solide en convection.
Comme pour le noyau, nous admettrons donc que le
gradient de température y est adiabatique. Eu égard aux
propriétés du manteau, la différence de température entre
bas et sommet du manteau inférieur est estimée à 700 K.
On voit bien dans la figure 7 comment il est loisible de
placer ces 700 K dans la fourchette précédente de 2200 K :
1- Hypothèse 1, en bas sur la figure, la limite entre
manteau supérieur et manteau inférieur n’est qu’un
Fig. 7 : 2 modèles de géotherme pour la Terre
Tireté vert, T° Mg-olivine b
Spinelle ;
Tireté rouge, T° Mg-olivine b
pérovskite + magnesiowustite ;
Tireté violet, T° limite du gradient adiabatique du noyau,
partant de 5000 K comme T° de cristallisation de la graine ;
tiretés bleus, un gradient mantellique de 700 K.
- 19 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
changement de phase qui s’opère durant la convection,
celle-ci est à un seul étage, elle s’effectue alors entre
les deux couches limites conductives, i) en bas
l’interface noyau-manteau (CMB, Core Mantle
Boundary sur la figure), ii) en haut la lithosphère rigide
(CLT). Les 700 K du gradient adiabatique viennent
donc s’ajouter au 1600 K du sommet du manteau
inférieur. La température au sommet de la CMB serait
donc de 2300 K, et cette couche frontière entre les
deux domaines convectifs absorbe une différence de
1500 K entre sa base et son sommet !
conditionne une convection à 2 étages séparés,
manteau supérieur et manteau inférieur. La couche de
transition (TZ) que représente cette séparation des deux
manteaux est donc alors une couche limite (donc
conductive et non convective) qui peut absorber une
partie des 2300 K qui ne sont plus supportés par la
seule CMB dans cette hypothèse 2. La température du
sommet du manteau inférieur est alors imprécise, « en
théorie » quelque part entre 1600 K et 3100 K. De
même la température du sommet de la CMB se
situerait quelque part entre 2300K et 3800 K.
2- Hypothèse 2, la limite entre les deux manteaux reste un
changement de phase, dont on admet cette fois qu’il
On le voit, la connaissance des températures internes
de la Terre peut encore progresser largement !
Sites WEB consultés
http://expositions.bnf.fr/ciel/index2.htm
http://ecobio.univ-rennes1.fr/files/downloads/Formation_des_nouveaux_entrants_2007.pdf
http://www.agu.org/reference/gephys/19_vschmus.pdf
http://www.nature.com/nsu/030505/030505-5.html
http://www.ens-lyon.fr/~oarboun/index.htm
http://www.ipgp.jussieu.fr/~grigne/these.html#resultats_fixe
http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/cortial/bibliohtml/epiclc_j.html
http://www.iut-lannion.fr/LEMEN/Mpdoc/Cmther/thcinrt.htm
http://www.ipgp.jussieu.fr/pages/060204.php
http://www.gps.caltech.edu/~gurnis/Movies/movies-more.html
http://giseurope.brgm.fr/ihfc.htm
http://peterbird.name/publications/2003_PB2002/PB2002_wall_map.gif
Clauser_Preprint_SurveysGeophysics_2009.pdf
http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10712-009-9058-2
http://www.gps.caltech.edu/~gurnis/Movies/movies-more.html
http://www.ipgp.fr/pages/060204.php
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0031920173900393
http://web.cortial.net/bibliohtml/epiclc_j.html
http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10712-009-9058-2 Heat Transport Processes in the Earth’s Crust
http://www.gps.caltech.edu/~gurnis/Movies/movies-more.html
http://www.ipgp.fr/pages/060204.php
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0031920173900393 Thermal regime of the Earth's core
Quelques idées fortes
Quelques idées fortes :
La Terre est une machine thermique « deux en un ».
La chaleur interne rayonnée par la Terre a une triple origine :
Energie cinétique récupérée des matériaux qui constituent la Terre
Energie de différentiation primaire du noyau et de sa cristallisation lente en graine solide
Energie radioactive de 3 éléments abondants dans le manteau et la croûte terrestre, U, Th et K
Le flux de chaleur sortant de la géosphère reflète à la fois l’épaisseur et l’âge de la lithosphère
Le manteau terrestre est un solide à l'échelle de temps des phénomènes acoustiques,
Le manteau terrestre est un fluide à l'échelle des temps géologiques,
Il permet de transporter la chaleur depuis l’intérieur de la Terre (source chaude) vers le cosmos (source froide)
par convection et par conduction ;
son nombre de Rayleigh, de l’ordre de 106 est très supérieur au nombre critique
La lithosphère, région superficielle de la Terre dont la rigidité interdit la convection en son sein,
transporte la chaleur exclusivement conduction.
La lithosphère océanique appartient aux cellules de convection du manteau
La lithosphère continentale agit comme un couvercle et accumule de la chaleur du manteau à sa verticale
La chaleur externe, reçue du soleil est 10 000 fois plus grande que l’énergie interne rayonnée par la Terre
L’atmosphère, l’hydrosphère et la partie superficielle de la géosphère transportent cette chaleur externe depuis l’équateur
(source chaude) vers les pôles (source froide)
- 20 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
CHAPITRE 2
Les météorites
Yaari Toya, « Météore », 2007,
http://www.yaarirom.com/
Lire MC - Meteorites - impact
cratere - Giavitto.htm ; MC Meteorites - impact sans cratere Giavitto.htm ; Q - Planeto Meteorites echantillons du systeme
solaire - Cisse.htm
Impuissant et le plus souvent terrifié par ces chutes
de pierres noircies, l’homme vit d’abord en elles une
intervention du divin (Fig. 1a). Ce n’est qu’à la fin du
XVIII° siècle (1793) qu'Ernst Friedrich Chladni, en
s’appuyant sur de nombreux rapports de témoignages,
échafauda la première théorie valide concernant ces objets
déroutants : ils proviennent de l'espace et il existe un lien
entre météores (étoiles filantes) et météorites.
Fig.1 a-c : Chutes de météores
a) Illustration de la chute de la météorite d’Ensiseim
(Alsace) en 1492
b) Meteor Crater, Arizona, Diam. 1.2km, profondeur 200m
c) Chixculub Crater, Golf du Mexique, Limite crétacéTertiaire, diam. 180 km , http://miac.uqac.ca/MIAC/chicxulub.htm
Ses affirmations furent confirmées par une
succession d’événements ; en 1794, une pluie de pierres
s’abattit sur Sienne (Italie) ; En 1795, une autre chute
météoritique eut lieu ; en 1796 ce fut au Portugal et en 1798
en Inde. L’analyse physico-chimique de cette récolte révéla
que ces pierres sont bien différentes des roches terrestres et
que certaines présentent d'importantes quantités de nickel.
Le premier astéroïde fut découvert en 1801, confirmant
l’origine extraterrestre de ces objets. En 1803, une pluie de
plusieurs milliers de fragments s'abattit sur la Normandie.
L’enquête révéla que de toute évidence, ces pierres
provenaient de l'espace. Il était définitivement ( ?) temps de
renvoyer les « Esprits » à des occupations plus sérieuses…
La Terre reçoit en de l’ordre de 40000 Tonnes/an de
matière extraterrestre, qui frappe la Terre au sommet de
l'atmosphère. Il s’agit pour l’essentiel de micrométéorites de
moins d'un millimètre de diamètre, dont le nombre est
évalué à 10 millions de milliards par an (MC - Meteorites Micrometeorites - Padet.htm). Plus grosses, souvent en essaims
que la Terre traverse à date fixe (Aquarides de mai,
Perséïdes d'août, Géminides de décembre) elles se
volatilisent le plus souvent en étoiles filantes dont le
scintillement, au mieux de plusieurs secondes, est
proportionnel à la masse. Quelques dizaines de tonnes/an
seulement de météorites atteignent le sol. Les deux tiers
plongent dans les océans, et les particules trop fines sont le
plus souvent perdues. La population la plus importante est
de l'ordre de quelques centaines de microns. Depuis le début
des années 1980, on les ramasse sur les glaciers de
l'Antarctique. 99% de ces micrométéorites appartiennent au
groupe des météorites carbonées hydratées (comme celles
de
Murchison,
Chp. 2.A.1.a).
Notre
protection
atmosphérique brûle complètement les météorites un peu
plus grosses, mais elle n'arrête pas les fractions les plus
grossières, jusqu’à des “ bolides ” pouvant mesurer
plusieurs Km de diamètre qui ont de tout temps percuté
notre sol. Il tombe en moyenne sur Terre une seule
météorite/1000 ans comme celle qui a formé le Meteor
Crater en Arizona (50 000 ans ; 30m ; 100 000 tonnes de
fer, Fig. 1b). Dans l’espace, plus un corps est massif plus il
est rare, et plus sa probabilité de chute sur Terre est faible.
Pour un corps de taille plurikilométrique comme celui
(Fig. 1c) qui contribua certainement à affaiblir, voire même
à faire disparaître les dinosaures il y a 65 Ma., cette
probabilité est de l’ordre de une fois tous les 100 Ma. Cette
image ne représente pas la forme exacte du cratère mais son
remplissage par des matériaux de plus faible densité que
celle des sédiments environnants. Noter toutefois le double
bombement central, interprété comme le soulèvement
caractéristique de la partie centrale des cratères complexes
(Fig. 1d). La carte de du gradient d’anomalie de Bouguer
(Fig. 1e) met en évidence cette structure, limitée au nord par
le trait de côte actuel (en blanc) et elle la corrèle avec un
ensemble de cénotes, nom Maya donné à des entonnoirs ou
dolines (points blancs sue la carte) partiellement remplis
d’eau, dont la partie profonde peut être marine (alimentation
profonde par failles). S’ils dessinent un essaim à l’Est du
- 21 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Tableau 1a : Minéraux des météorites :
Mg-Olivine
Mg-Orthopyroxène (enstatite)
silicates
Mg-Clinopyroxène
Plagioclase
oxydes :
Mg-Spinelle
24/10/13
SiO4 Mg2
Si2O6 Mg2
Si2O6 MgCa
Si2Al2O8 Ca
Fe-Olivine
silicates Fe-Orthopyroxène
Fe-Clinopyroxène
MgAl2O4
oxydes :
Fe-Spinelle
Magnétite
sulfures:
sulfures: Troïlite
Alliages
Alliages
Chicxculub, ils dessinent aussi un arc de cercle remarquable
jalonnant le flanc Sud-Ouest de la structure.
L'étude des météorites écrit un chapitre important de
la planétologie du système solaire. Elle permet aussi
d’accéder à la protohistoire de notre système, voire même à
l'histoire des étoiles qui nous ont donné naissance, lorsque
chaque espèce minérale ou groupe de cristaux ou cristal,
d'une seule météorite, devient un témoin (cf. § chondrites).
A – Classification des météorites
Lire MC - Meteorites - Nature Composition Ages Vitesse Giavitto.htm ; MC - Meteorites - Nomenclature - Bantegnie.htm ; Q Meteorites - Les meteorites et le passe du systeme solaire - Turon.htm ; MC
- Meteorites - classification - Cisse.htm.
Sur la base de leur composition minérale (Tableau 1)
Fig.1d-e : Cratère météoritique
d) coupe schématique d’un cratère d’impact
Kamacite
Taenite
SiO4Fe2
Si2O6 Fe2 (Mg0.8, Fe0.2 =
bronzite)
Si2O6 FeCa
FeAl2O4
Fe2+Fe3+2O4 (basse T°)
FeS
(Fe,Ni) 4-7% Ni
(Fe,Ni) 16-60% Ni
et de leur structure, on classe d'ordinaire les météorites en 3
groupes, qui viennent s’ajouter à celui des comètes:
1- les météorites pierreuses, ou aérolithes ;
2- les météorites métalliques ou sidérites ;
3- les météorites mixtes, ou sidérolithes.
1 - Les aérolites : chondrites-achondrites
Les aérolites ou Météorites Pierreuses sont les plus
nombreuses (de l’ordre de 25000 à 30000 individus
reconnus), et surtout constituées de silicates, parfois de
roches carbonées plus quelques traces de fer. Elles
constituent, selon les auteurs, de 80 à 90% des chutes, et
représentent une masse connue de 50 tonnes environ, soit 70
à 80% de la masse des météorites recensées. On divise les
aérolithes en deux grands groupes : les chondrites (93%) et
les achondrites (7%), selon qu'elles contiennent ou non des
sortes de microbilles sphériques (Fig. 2a-1).
a - Les chondrites :
Lire MC - Meteorites - Non différentiées Chondrites BenFadhel-Padet-Sautier-Turon.htm
Jamais observées dans aucun autre matériau connu,
reconnues dès 1802 par E. Howard, ces microbilles ont été
appelées chondres en 1864 par Gustav Rose. Leur taille
varie entre 0.01 et 10mm environ. Elles sont scellées dans
une matrice.
http://saturniancosmology.org/files/impact/sect18_4.html
e) Horizontal gradient map of the Bouguer gravity anomaly
over the Chicxulub crater,
Ces chondres sont constitués de silicates de haute
Température bien visibles en lame mince (Fig. 2a-2),
olivine, pyroxènes, plus diverses phases minérales dont
Fig.2a-1 : les chondres
Ce sont des microbilles de quelques microns à quelques
millimètres, constitués de silicates de haute T° et d'autres
minéraux dont certaines espèces (sulfures, nitrures entre
autres) sont inconnues sur Terre
http://miac.uqac.ca/MIAC/chicxulub.htm
- 22 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig.2a-2 : Microbilles, entières et fragmentées
Lame mince, collection ENS, noter en lumière naturelle à
gauche et en lumière polarisée à droite, la morphologie de ces
microbilles, qui peuvent avoir subi une histoire plus tardive
que leur agglomération au sein d’une matrice, l’ensemble
ayant été fracturé (certains chondres sont décalés par des
microfailles).
http://planet-terre.ens-lyon.fr/image-de-la-semaine/Img166-2006-06-19.xml
certaines espèces (sulfures, nitrures entre autres) inconnues
sur Terre témoignent parfois d'un environnement
extrêmement réducteur. Leur forme sphérique prouve qu'ils
ont été liquides et ont cristallisé en état d'apesanteur.
L'origine de ces gouttes liquide est controversée. Elle se
situe très tôt dans l’histoire du système solaire, durant la
phase de condensation des poussières ferro-silicatées, à
partir du gaz de la nébuleuse (Lire MC - Solaire - Nebuleuse BenFadhel-Turon.htm). Ont alors eu lieu un ou plusieurs
épisodes très brefs de haute température qui fondent tout ou
une partie des poussières agglomérées. Plusieurs
mécanismes ont été proposés pour expliquer ces épisodes de
fusions :
1- chauffage par de bref flash lumineux du proto-Soleil ;
2- phénomènes de décharges électriques dans le nuage de
poussières de la nébuleuse;
3- phénomènes de compression et/ou de friction rapides
dus aux passages d'ondes de choc acoustiques.
Tableau 1b, Minéraux des CAIs :
Minéral
Formule
Ca2Al[AlSiO7] et
Melilite
Ca2Mg[Si2O7]
anorthite
CaAl2Si2O8
Spinel
MgAl2O4
perovskite
CaTiO3
Hibonite
CaAl12O19
Ca-pyroxène CaMgSi2O6
forsterite
Mg2SiO4
épisodes de haute température. Enfin, l’accrétion de ces
corps parents avec une matrice restée froide a constitué les
chondrites que nous pouvons observer.
On observe au sein des chondrites d’autres
agglomérats, encore plus réfractaires et plus précoces que
les chondres. Lire MC - Geochim - Elements réfractaires - Sautier.htm
Ce sont des inclusions appelées CAIs (pour CalciumAluminum rich Inclusions, Fig. 2c, tableau 1b) qui sont des
agglomérats d’un matériau constitué de minéraux titanifères
ou des aluminosilicates de calcium qui témoignent d’une
température de formation très élevée, >1500K. Sortes
« d’enclaves » exotiques, les CAIs sont apparus très tôt
dans l’effondrement de la nébuleuse solaire, voir même
avant l’effondrement… (voir Chp.2.D.1).
Chez les chondrites en général, et chez les chondrites
carbonées en particulier, les CAIs et les chondres (de très
haute et de haute T°) sont noyés dans une matrice de basse
T° faite de silicates plus ou moins hydratés, de sulfates
(SO4) hydratés et de carbonates (CO3). Cette matrice est
riche en grains métalliques, ce qui les rend attirables par un
aimant, et en troïlite (sulfure FeS). Quelques individus
montrent du cuivre natif ou de silicium natif (Si) en
inclusions dans les grains métalliques. La présence de Fer
métal (kamacite Fe-Ni généralement à Fe 95% et Ni 5%,
voir ci-après § Chp2.A.2, Sidérites), du cuivre natif ou du
silicium (et nom de la silice SiO2) témoigne du caractère
réducteur du milieu, mais son origine est encore très
controversée. S’il peut en effet résulter directement de la
condensation du nuage de gaz (nébuleuse solaire), il peut
aussi apparaître par réduction des silicates, lors d’une
réaction contrôlée soit par la fugacité en oxygène de
La figure 2b montre la texture en barre de certains
chondres. Celle-ci correspond à une texture creuse (un peu
comme les cristaux de neige) à cloisons parallèles qui
emprisonnent un matériau soit vitreux soit dévitrifié
(recristallisé). Il semble que ce type de cristallisation en
creux témoigne d’une
cristallisation
très
Fig.2b : chondrule (BO) olivine barrée
à matériel interstitiel vitreux
rapide
(quelques
minutes à heures ?) et
donc
d’un
refroidissement très
brutal.
L'accrétion a
alors
agrégé
les
chondres
nouvellement formés,
avec des poussières
préexistantes
qui
avaient échappé à la
fusion et/ou issues
d’une condensation
survenue après les
24/10/13
http://www4.nau.edu/meteorite/Meteorite/BookChondrules.html
- 23 -
Fig. 2c : CAIs Inclusions réfractaires
(blanchâtres) dans une chondrite carbonée. carbonaceous
chondrite NWA 3118 from the Sahara Desert
http://astrobob.areavoices.com/2012/04/26/meteorite-hunters-scour-hills-nearsutters-mill-site-of-the-california-gold-rush/
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Tableau 2 : classification des chondrites, http://perso.wanadoo.fr/pgj/meteorit.htm
classement en fonction de leur minéralogie et de leur teneur en métal
Ordinaires
A enstatite
H
bronzite, olivine (silicate de fer et magnésium), 15 à 251% de fer
L
bronzite, olivine (silicate de fer et magnésium), 7 à 15% de fer
LL
bronzite, olivine 30% (silicate de fer et magnésium), 2 à 7% de fer
EH (high)
pyroxène (silicate de fer magnésium, calcium), forte teneur de fer >25%
EL (low)
pyroxène (silicite de fer magnésium, calcium), faible teneur en fer
Chondrites
40% d'olivine, 30% de pyroxène, 10% de plagioclase (calcium et sodium), carbone sous forme
organique, très peu de fer
Carbonées
CI (Ivuna)
3 à 5 % de carbone, 20 % d'eau
CM (Murchison)
0,6 à 2,9 % de carbone et 1,3 % d'eau
CV (Vigarano)
Moins de 0,2 % de carbone et 0,03 % d'eau
CR (Renazzo)
CO (Ornans)
1 à 0,2 % de carbone, moins de 1 % d'eau
CK (Karoonda)
CB (Bencubbin)
CH (High Iron)
Kakangari type K
Rumurutiites
R
l’atmosphère solaire soit par la présence de carbone C dans
la matrice des chondrites. La matrice peut contenir 20% de
son poids en eau ; cette eau contribue largement à
l’altération des minéraux anhydres des chondres, à
l’effacement des structures, et à la recristallisation
métamorphique de certaines chondrites qui ont subi un
réchauffement ultérieur (sans rapport avec leur rentrée dans
l’atmosphère terrestre). Cette matrice contient aussi souvent
des composés organiques qui ne sont pas nécessairement
biotiques, et dont certains sont inconnus sur Terre. Elle peut
aussi être faite d'un mélange de minéraux de haute
température (olivine riche en fer en particulier) et de débris
de chondres, qui suggèrent une histoire complexe :
formation à haute température des chondres, fragmentation
des chondres, et agglomération ultérieure avec des
matériaux froids.
Aucune roche comparable aux chondrites, aucun
chondrule, n’a jamais été observé sur Terre ou sur la
Lune. Leur composition chimique globale est d’une part
remarquablement homogène (elle varie très peu d’un
individu à un autre) et d’autre part étonnement comparable à
celle de la moyenne terrestre (cf. tableau 3). Cela suggère
fortement que la Terre est formée du même matériel que les
chondrites et que ce matériel primordial a subi sur Terre un
fractionnement auquel les chondrites ont échappé. La
similitude de composition des chondrites avec l'atmosphère
solaire, excepté en éléments volatils (H, O, gaz nobles) bien
que le Carbone soit encore présent dans les chondrites
carbonées, suppose aussi qu'elles n'ont subi que très peu de
modifications depuis leur fabrication. Quelle que soit
l’hypothèse de leur formation, il est essentiel de noter que
contrairement aux sidérites ou sidérolithes (§ suivant), les
chondrites n'ont pas subi de différenciation chimique
ultérieure majeure. On s’accorde alors à assimiler la
composition des chondrites à celle qu'a pu avoir la Terre
avant la différenciation profonde en un noyau métallique et
un manteau silicaté, et les géochimistes utilisent souvent
leur composition moyenne comme référence dans l'étude des
roches terrestres.
Parmi les chondrites carbonées, la météorite de
Murchison (tombée en 1969 en Australie) est célèbre pour
avoir changé notre façon d’envisager l'origine de l’eau et,
plus accessoirement, celle de la vie sur Terre. On a
longtemps considéré que l’atmosphère terrestre (et son
océan) résultait du seul dégazage du manteau terrestre,
qu’elle était en quelque sorte la fille unique des volcans.
Mais outre la présence de nombreux composés organiques
ainsi que des acides aminés (lire A. Magid
http://fr.wikipedia.org/wiki/Acide_amin%C3%A9,),
une
grande
richesse en azote, une grande abondance en volatils, la
météorite de Murchison présente (comme l’essentiel des
micrométéorites échantillonnées) environ 50% d'une argile
qui contient de l’eau. Or cette eau présente un rapport
isotopique D/H (2H/1H) semblable à celui de la moyenne de
l’océan terrestre (cf. le fractionnement isotopique,
Chp2.C.2) alors que celui-ci diffère justement du rapport
isotopique des eaux issues de volcans. On considère donc
aujourd’hui que le rôle joué par les météorites de ce type,
ainsi que celui des comètes (Chp. 2.E.2), a été sans doute
important pour l’océan, dans l’histoire de notre atmosphère
(Chp. 5.F) et dans l’apparition de la vie et plus largement
dans l’acquisition d’un vernis géochimique extraterrestre
durant l’Hadéen (Chp. 4.D.1.b).
Les chondrites sont classées selon leur composition
minéralogique (tableau 2).
1.Chondrites ordinaires : 80% des chondrites ; elles
contiennent de l'olivine, de la bronzite, du plagioclase
(cf. tableau 1) et d'autres minéraux à base de fer. On
les divise en deux sous-groupes, H et L.
2. Chondrites à enstatite sont divisées en deux sousgroupes, 1 et 11, suivant leur teneur en fer (<12 % et
jusqu’à 35 % respectivement). Elles sont constituées en
grande partie de pyroxène et peuvent contenir du
quartz(SiO2) Elles ont été métamorphosées à des
températures supérieures à 650° C et sont notées E
dans les collections.
- 24 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
3. Chondrites carbonées : 8% des chondrites ; elles
contiennent en général 40% de plagioclase, mais aussi
du carbone, parfois sous forme organique. Par contre
elles ne contiennent que très peu, ou pas du tout, de fer.
C'est un groupe assez hétérogène qui est divisé sousgroupes, en fonction de leur teneur en C et en Fe, puis
en fonction de leur teneur en fer et de leur degré de
fusion:
• Les chondrites CI (I = Ivuna, Tanzanie, 1938) sont
caractérisées par l’absence de chondres, une
quantité plus faible de carbone ;
• Les chondrites CM (M = Mighei, Ukraine, 1889)
dont les chondres présents sont de petite taille, les
teneurs en C et en eau sont plus faibles
• Les chondrites CR (R = Renazzo, Italie, 1824)
montrent non plus des petits chondres dispersés
mais des agglomérats (de chondres) liés entre eux
par du carbone et un peu d’eau
• Les chondrites CV (V= Vigarano, Italie, 1910)
présentent de gros chondres et des teneurs faibles
en C et en eau
• Les chondrites CO (O= Omans, France, 1868) sont
aussi à mini-chondres et teneurs comparables en C
et en eau
• Les chondrites CK (K= Karoonda, Australie, 1930)
montrent, outre de gros chondres, une grande
abondance d’oxygène se traduisant par l’absence de
métaux
• Les chondrites CH (H= high Iron et non une
localité) ont du fer pur, très peu de carbone, et elles
présentent des chondres de très petite taille.
Le nom d’une chondrite est suivi d’un chiffre — Voir
http://www.wwmeteorites.com/Chondrites%20gen.html — de 1 à
7, dont la signification est la suivante :
1. absence quasi-totale de chondre,
composition inhomogène
2. chondres nets et facilement discernables les uns des
autres, composition inhomogène
3. chondres très nets et parfaitement séparés, non altérés,
composition inhomogène
24/10/13
4. chondres assez bien individualisés,
composition homogène
5. chondres encore discernables quoique avec difficulté,
composition homogène
6. chondres mal définis, composition homogène
7. recristallisation et équilibration chimiques des
minéraux quasi totale, présence éventuelle de reliquats
de chondres, composition homogène
La classification des chondrites est résumée dans le
tableau 2.
b - Les achondrites :
Les achondrites : Elles présentent une texture et une
composition minéralogique qui laissent penser qu'elles ont
dû se former à partir d'un magma analogue à celui qui
conduit aux roches ignées terrestres. Certaines d’entre elles
proviendraient de la Lune, ou encore de Mars (S.N.C.). Elles
constituent 10% des chutes au maximum, on distingue deux
grandes catégories :
1. achondrites riches en calcium (CaO>5%) ;
2. achondrites pauvres en calcium (CaO<3%).
La classification des achondrites est résumée dans le
tableau 3.
Parmi les achondrites, quelques individus découverts
récemment ont clairement une structure achondritique, mais
une composition proche de celle des chondrites. On
considère ces échantillons (de type Acapulcoites, Lodranites
ou Winonaites) comme d’anciennes chondrites qui auraient
subi ultérieurement un métamorphisme à haute température,
voir même une fusion partielle suivie de la perte de la
fraction fondue ; on nomme ces météorites achondrites
primitives, en raison du matériel chondritique (= primitif)
qu’elles ont contenu.
2 - Les sidérites, ou Fers
Les sidérites ou Météorites Ferreuses, dites encore
Fers; constituent une population d’un millier d’individus
environ, qui représentent en nombre de l’ordre de 5% des
Achondrites
Tableau 3 : classification des achondrites, http://perso.wanadoo.fr/pgj/meteorit.htm
Classement en fonction de leur teneur en calcium (de 0 à 25%)
Eucrites
EUC
+ de 5% de calcium, pigeonite et feldspath calcique
Angrites
ANG
+ de 5% de calcium, riche en pyroxène calcique titanifère, troilite et olivine
Howardites
HOW
+ de 5% de calcium, mélange eucrite-diogenite
Diogénites
DIO
-3 de % de calcium, Hypersthène, pyroxène moyennement riche en fer
Urélites
URE
-3 de % de calcium, olivine-pigeonite, ferro nickel, clinopyroxène et parfois du diamant
Aubrites
AUB
-3 de % de calcium, enstatite, silice et magnésie
Shergottites
SHE
riche en calcium, roche basaltique composée essentiellement de pyroxène et de plagioclase, plus
quelques éléments oxydés et minéraux hydratés.
Nakhlites
NAK
augite, plus quelques éléments oxydés et minéraux hydratés, diopside-olivine
Chassignite
CHA
riche en calcium, olivine, quelques éléments oxydés et minéraux hydratés
Lunar
LUN
basalte et régolithe
Acapulcoite ACAP
Lodranite
LOD
olivine, pyroxène
olivine, pyroxène
Brachinite BRACH
Winonaite
olivine
WIN
Chassignites, Shergottites, and Nakhlites sont regroupées comme météorites SNC
- 25 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
chutes et en masse environ 10%. Si le nombre d’individu est
peu élevé, leur masse peut être considérable, et c'est parmi
eux que l'on trouve les plus grosses météorites. Par
conséquent, contrairement aux autres météorites qui passent
souvent inaperçu, sauf lorsque l’on fait des comptages
systématiques comme dans les glaces de l’antarctique, les
fers sont surreprésentées et la masse totale reconnue est de
570 tonnes environ. La plus importante (70 tonnes) fut
découverte en 1920 ; elle est restée en place à Hoba, en
Namibie. La seconde provient de Cap York (Groenland),
elle pèse 59 tonnes. Dans le désert de Gobi, la météorite de
Shingo pèse environ 35 tonnes ; on l'appelle aussi «le
chameau d'argent», à cause de sa forme. La météorite de
Chaco (Argentine) pèse à peu près le même poids, et l’on
connaît plusieurs autres météorites pesant plus de dix
tonnes, comme celle de M'Bosi (Tanzanie) qui pèse 16
tonnes. Les sidérites sont constituées d'un alliage de fernickel probablement très comparable (au moins
chimiquement) au cœur de notre Terre. La classification des
sidérites est basée sur leur structure, mais elle reflète aussi
leur composition en nickel. Leur structure est bien mise en
évidence par l’attaque acide d’une surface polie, qui fait
apparaître une sorte de grille formée de bandes, souvent
observables à l'œil nu, de symétrie cubique ou hexagonale,
appelée texture de Widmanstätten (chimiste allemand du
XIX°, Fig. 3).
bordées de taénite, les espaces polyédriques compris entre
ces deux minéraux étant comblés d'une association
microcristalline de ces deux minéraux, appelée plessite : ce
sont les figures de Widmanstätten qui s'expliquent par
l'étude du refroidissement du système fer-nickel. Le
diagramme concentration en Ni dans le système Fe-Ni
versus T°C (Fig. 4) nous montre les phases en présence.
L’abscisse représente la composition du système ; à 0% de
Ni, le système ne contient donc que du fer, et à 60% de Ni, il
contient encore 40% de Fer. Ce diagramme nous montre
l'existence de deux domaines monophasés (en bleu) où la
composition du solide peut varier (il s’agit de solutions
solides) aux températures considérées. Il s'agit du domaine
de la taénite (Alliage de Nickel-Fer) et du domaine de la
kamacite (Alliage Fe-Ni pauvre en nickel). Ce diagramme
nous montre aussi l'existence d'un espace vide (en blanc),
qui est le domaine dans lequel il ne peut exister de solide
homogène stable aux températures considérées, c’est un
domaine à 2 phases. Prenons par exemple un solide de
composition Fe 80%, Ni 20% ; à la température de 450°C, il
se situe dans le domaine à 2 phases solides (taénite +
kamacite) dans lequel, à la température donnée (450°C), il
existe non plus un mais deux solides en équilibre, une
kamacite plus une taénite, dont les compositions respectives
sont celles des limites du domaine à 2 phases à la
température considérée.
On distingue 3 groupes de sidérites, les hexaédrites,
les octaédrites et les ataxites, détaillées ci-dessous.
Suivons maintenant sur la figure 4 le refroidissement
du solide de composition définie X :
a - Les hexaédrites
Elles contiennent de 5 à 7% de nickel sont des
assemblages de gros hexaèdres de kamacite, parfois un seul
cristal qui se rompt à l'impact. L’attaque à l'acide
chlorhydrique d’une surface polie met en évidence un réseau
de bandes orientées (bandes de Neumann) provenant de la
déformation mécanique subie par la kamacite à une
température comprise entre 300 et 600° C.
b - Les octaédrites,
Elles sont les plus nombreuses, et contiennent de 6 à
18% de nickel. L'attaque à l'acide d'une face polie met en
évidence quatre systèmes de bandes de kamacite. Trois
séries se coupant selon un angle de 60°, la quatrième série
étant parallèle au plan de section dans la figure 3. Elles sont
Fig. 3: Section Polie de la météorite de Casas Grandes,
kamacite à texture
Widmanstätten, et globules
de Troïlite (FeS)
1 - A 700°C, le solide Tn de composition X, homogène,
est une taénite à 15% de Ni.
2 - A 640°C environ, ce solide homogène voit apparaître
en son sein (exsolution) une quantité infinitésimale de
kamacite Km, 0 à 4% de Ni.
3 - A 600°C le solide est composé des 2 phases Km1 et
Tn1, de compositions respectives 5% et 18% Ni, dans
les proportions pondérales respectives 73% de Km1 et
27% deTn1.
4 - A 400°C, les compositions des solides Km2 et Tn2
sont respectivement 6.5% et 48% Ni, dans les
proportions pondérales respectives 22% et 78%.
c - Les ataxites
Elles sont très rares et très riches en nickel, plus de
16% de nickel (jusqu’à 30%) Elles doivent leur nom à
l’absence de texture visible à l’œil nu car la largeur des
Fig. 4 : diagramme de phases des alliages Fe-Ni
- 26 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Tableau 4 : classification des sidérites
Hexaédrite Ataxite Octaedrite
HEX
ATAX
Opl
Octaedrite Off
Octaedrite
Octaedrite
Octaedrite Om Octaedrite Og
Of
Ogg
Pitts (USA)
Udei Station
Toluca (Mexique)
Woodbine
(Nigeria)
Guin (USA)
(USA)
Four Corners (USA)
I AB, Fe-Ni
Silicates Carbures
IC,
Fe-Ni
II AB,
Fe-Ni-Cr
24/10/13
Winburg (Afr du S)
Sikhote Alin
(Russie) Lake
Murray (USA)
Braunau
(Tchequie) Uwet
(Nigeria)
IIC,
Fe-Ni
II D, Fe-Ni
Unter Massing
(Allemagne)
II E,
Fe-Ni-Silicates
Mont Dieu (Mexique)
Watson (Australie)
Carbo (Mexique)
II F, Fe-Ni
Miles (Australie)
Weekeroo
(Australie)
Kofa (USA)
Henbury Sacramento
(USA) La Porte
(USA)
Mundrabilla
(Australie) Watson
(Mexique)
Nantan (Chine)
III AB, Fe-Ni
Troïlite Phosphores
III CD, Fe-Ni
Carbiures
III E, Fe-Ni
Carbures Graphite
Willow Creek
(USA)
St Genevieve
(USA)
III F, Fe-Ni
Gibeon (Namibie)
Steinbach
(Allemagn)
IV A, Fe-Ni
IV B, Fe-Ni
silicates graphite
Bendego (Brésil)
Arispe (Mexique)
Chingla
(Russie)
bandes de Widmanstätten diminue avec l'enrichissement en
nickel, pour disparaître au-delà de 15 %.
Fig 5a: pallasite brute
Sur la base de la présence de phases minérales
mineures et de rapports inter éléments concernant des
éléments en concentration mineure, on distingue encore 13
sous-groupes (IAB, IC, IIAB, IIC....) qui sont résumés dans
le tableau 4. Depuis Tschermak on distingue en outre six
sous-groupes en fonction de la largeur des lamelles de
kamacite, liée à la teneur en nickel de la météorite ; ce sont
les sous-groupes Og, Ogg, Om, Of, Off et Opl (depuis «très
grosses» jusqu’à «très fines»).
pallasite sciée et polie
Impossible d'afficher l'image. Votre ordinateur manque peut-être de mémoire pour ouv rir l'image ou l'image est endommagée. Redémarrez l'ordinateur, puis ouv rez à nouv eau le fichier. Si le x rouge est toujours affiché, v ous dev rez peut-être supprimer l'image av ant de la réinsérer.
La classification des sidérites est résumée dans le
tableau 4. On considère les sidérites comme des fragments
du noyau de corps planétaires. L’alliage de fer-nickel qui les
constitue est probablement très comparable, au moins
chimiquement, au cœur de notre Terre.
3 - Les sidérolithes
Les sidérolithes ou Météorites Ferro-Pierreuses
comptent très peu d’individus, 150 tout au plus, qui sont de
nature intermédiaire entre les sidérites et les aérolithes
achondrites. Les sidérolithes sont composées de silicates
(grains d'olivine pure, ou d'olivine plus pyroxène, ou de
pyroxène plus plagioclase) noyés dans une matrice à olivine
et d'alliage métallique, et représentent des sortes de
Tableau 5 : classification des sidérolithes
cristaux plurimillimétriques d'olivine
Pallasites
noyé dans l'alliage de ferro-nickel
mélange égal ferro-nickel silicates
Mésosidérites
(pyroxène et plagioclase)
Iodranites
ferro-nickel, olivine et pyroxène
Fig. 5b : Mesosidérite de Vaca Muerta, Clili,
Ca-Plagioclase (feldspath) en blanc
http://enc.tfode.com/Mesosiderite
- 27 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
“ brèches ”, mélange de sidérite et d'aérolite, susceptible de
correspondre à la couche terrestre D'' (Chp. 4.B.1), interface
entre noyau et manteau.
24/10/13
Fig.6a : abondances cosmiques relatives des éléments
(pour 106 atomes de Si) vs nombre atomique ;
La Pallasite (Fig. 5a) montre une olivine (Mg2SiO4) en gros
cristaux, dans une matrice d'alliage Fe-Ni, montrant
d'intenses déformations tectoniques obtenues à haute
température (proche du point de fusion). La composition
moyenne de l'olivine est très magnésienne (SiO4 Mg2) et
comparable à celle de l’olivine du manteau de la Terre ou
des laves basaltiques (Chp. 4.C.1).
On les divise en trois groupes (tableau 5):
a - Pallasites :
Elles contiennent des gros cristaux d'olivine allant du
millimètre au centimètre, de couleur variant du jaune brun
au vert chartreuse, inclus dans une matrice de ferronickel.
Sciées et polies, ce sont sans doute les météorites les plus
esthétiques (fig. 5a). Leur nom vient du naturaliste Pallas
qui, en 1775, trouva une «éponge de fer» en Sibérie. Elles
sont rares, une cinquantaine connues seulement.
http://www.accessscience.com
observation n’est en rien surprenant car la composition de
notre Soleil, comparable à beaucoup d’autres étoiles, est
riche en fer.
1 - Aperçu de la composition du Soleil
b - Mésosiderites :
Elles présentent un mélange de parties à peu près
égales de métal (ferronickel) et de deux silicates (pyroxène
et plagioclase). Peu nombreuses (environ 150 connues dont
presque la moitié provient d’Antarctique), elles présentent
l’allure de brèches comprenant des agrégats ou des
morceaux d’alliage fer-nickel ou de silicates (fig. 5b)
c - Lodranites :
Du fait qu’elles contiennent en parties égales, du
métal, de l'olivine et du pyroxène, certains auteurs classent
les lodranites dans les sidérolithes ; néanmoins leur
proximité de composition avec les chondrites tend de nos
jours à les classer avec achondrites primitives.
B - Composition chimique des météorites
Lire MC - Meteorites - classification - Cisse.htm. On observe
qu’une forte proportion des météorites recueillies appartient
au groupe des sidérites, les météorites riches en fer. Cette
La figure 6a nous rapporte la composition du Soleil,
le silicium étant ramené à 106 atomes. Trois observations
peuvent être faites à partir de ce diagramme :
1. globalement, les abondances des éléments décroissent
avec leur masse atomique
2. les éléments de nombre atomique pair présentent des
abondances plus grandes que leurs voisins impairs (e.g.
C, N, O, respectivement Z= 6, 7, 8, …, Na, Mg, Al, Si,
P respectivement Z= 11, 12, 13, 14, 15 etc.…)
3. Certains éléments ont une abondance anormale, celle
de Fe, Ni est très élevée, celles de Li, B et Be sont très
faibles
L’anomalie d’abondance des éléments pairs par
rapport aux impairs traduit la plus grande stabilité des
nucléons pairs.
La dominance de H et He trouve son explication dans
la nucléosynthèse primordiale qui, après apparition de
l’atome d’hydrogène dans le big-bang, a pu fabriquer de
l’hélium en abondance par fusion proton-proton (fig. 6b).
Cette première synthèse s’est arrêtée là, au moment de
Fig.6b : nucléosynthèse par fusion
Proton-Proton Cycle
1
Step one, deuterium
H + 1H ------> 2H + e0 + neutrino
0
e = positron: masse de l’électron et charge >0
Neutrino = sub-particule de charge nulle et quasi sans masse
1
Step two, helium 3
H + 2H -----> 2He3 + radiation γ
3
Step three, helium 4
He + 3He -----> 4He + 1H + 1H
La fusion nucléaire dans le soleil produit 653 000 000 tonnes d’helium par seconde, convertissant 22 000 000 tonnes
du soleil en énergie.
Carbon-Nitrogen-Oxygen Cycle
12
Step one,
C + 1H ------> 13N + radiation γ
13
Step two,
N ------> 13C + radiation β (t½ = 10 minutes)
13
Step three,
C + 1H ------> 14N + radiation γ
14
Step four,
C + 1H ------> 15O + radiation γ
15
Step five,
O ------> 15N + radiation β (t½ = 10 minutes)
15
1
Step six, N + H -----> C12 + He4
L’effet global du cycle CNO est encore de transformer de l’hydrogène en helium. Le carbone n’est pas un élément produit dans ce cycle ; il ne peut
être produit que durant la contraction lente du cœur d’helium des géantes rouges, par fusion d’un triplet de noyaux d’helium (triple α process).
L’oxygène sera à son tour produit dans les mêmes conditions par fusion d’un de ces carbone avec un helium.
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/astro/astfus.html#c2
- 28 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig.6c : Nucleosynthèse par capture
24/10/13
1. Les météorites pierreuses achondrites présentent une
composition dominée par le groupe O-Mg-Si-Al, qui
est le premier groupe d’éléments abondants après le
groupe des éléments très légers H-He
H
et volatils. Cette
sélection d'éléments va permettre de construire les
phases silicatées de ces météorites;
2. Les sidérites sont centrées sur le pic
p du Fe-Ni, qui vont
constituer la base de tous les alliages de ces météorites
et des sidérolithes ;
3. Les chondrites ont une composition quasi identique à
celle du soleil, sauf pour les éléments volatils (fig. 6d),
ce qui signifie que contrairement aux autres
aut météorites,
elles n’ont subi que fort peu de modifications par
rapport à leur père, le Soleil.
C - Les météorites différenciées et le
fractionnement chimique dans le système solaire
http://zebu.uoregon.edu/~js/ast223/lectures/lec21.html
l’expansion brutale
ale de l’univers et de la chute de pression
qui l’accompagne. Tous les autres éléments ont été fabriqués
plus tard, au cours de nucléosynthèses secondaires dans des
étoiles ; les éléments lourds impliquent des températures et
un confinement que l’on trouvee seulement dans des étoiles
de type géantes rouges, voir lors de nova.
De manière extrêmement schématique, on peut dire
que de l’Hélium au Fer, les éléments sont fabriqués par
fusion (fig. 6b), sauf le triplet des éléments Li Be B dont la
section efficace ne le permet pas et qui, de ce fait,
fait ne suivent
pas la courbe des abondances. Au-delà
delà du fer, les éléments
lourds sont fabriqués par capture de neutron par le noyau.
Ce processus, facilité par l’absence de charges, conduit à
fabriquer des isotopes de pluss en plus lourds d’un même
élément, jusqu’à fabriquer un isotope instable qui donne un
nouvel élément fils (fig. 6c, exemple du passage du
cadmium à l’indium après plusieurs captures de
d neutrons).
Le process S (Slow-neutron-capture)) décrit les réactions
nucléaires qui se produisent dans les novas d’étoiles de
masse moyenne (novas thermonucléaires), à faible densité
de neutrons. Elles produisent les éléments lourds jusqu’au
209
Bismuth, qui est le dernier (le
le plus lourd)
lourd des éléments
non radioactifs. Au-delà,, la capture neutronique S est trop
lente au regard de la décroissance radioactive des éléments
qui pourraient être nouvellement formés,
formés pour que ceux-ci
puisse survivre dans ces novas. C’est donc le process R
(Rapid-neutron-capture) qui prend la relève dans
da les novas
de type II (effondrement du cœur de l’étoile) dont l’onde de
choc qui expulse la partie externe de l’étoile présente une
haute densité neutronique, capable d’engendrer assez de
captures Rapides pour fabriquer les éléments les plus lourds,
tels que radium, thorium, uranium et plutonium.
plutonium
Lire MC - Meteorites - Differentiees - Cisse & Turon.htm ; MC Meteorites - classification - Cisse.htm ; MC - Geochim - fractionnement Cisse.htm.
L'organisation de notre système en un groupe de
planètes rocheuses localisées dans le voisinage du Soleil et
un groupe de planètes gazeuses à l'extérieur (Introduction)
montre qu'il n'est pas chimiquement homogène,
contrairement à ce que l'on
'on observe dans les nuages de gaz
interstellaires qui donnent naissance à des étoiles. Notre
système paraît donc avoir subi une intense différenciation
(ségrégation des éléments), qui doit avoir eu lieu avant ou au
cours de la formation des planètes au plus
pl tard.
Le terme «différencié» recouvre en fait plusieurs
échelles de phénomènes, au moins deux ici:
1- Une différenciation à l'échelle du système solaire d'une
part, qui nous questionne sur le mode de construction
des planètes : comme noté au cours de l’introduction,
l’
Fig. 6d : Abondances des éléments (en unités molaires)
dans la photosphère solaire versus leur abondance dans la
chondrite carbonée d’Orgueil
Orgueil (CI1). L’alignement est quasi
parfait sauf pour les volatils
olatils H, C, N, O et les gaz rares
(non figurés) qui sont déprimés dans les chondrites
c
(formées à un stade où les volatils ont déjà été
différenciés), et le lithium qui est déprimé dans le Soleil par
les réactions nucléaire.
Le fer est l’élément qui présente le noyau le plus
stable, et il se trouve de ce fait surabondant par rapport à la
courbe moyenne. Il en résulte que l’abondance du fer
équivaut à celle du magnésium et du silicium.
silicium
2 - Météorites et composition solaire
A travers ce schéma grossier de l’origine des
éléments, on comprend mieux la triple nature des
météorites :
http://elements.geoscienceworld.org/content/7/1/11/F3.expansion.html
- 29 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 7a : Astéroïde Cérès 933, vu par Hubble.
Cérès apparaît avec une résolution de +/- 50 km. Une formation
circulaire de 250 km de diamètre est mise en évidence, dont la
nature ne peut toutefois être déterminée avec certitude (cratère ?
différence d’albédo ?), pour laquelle le nom de baptême de
Piazzi a été proposé d’emblée. L’examen de cette image a permis
d’évaluer le rayon de Cérès à 484,8 (± 5,1) et 466,4 (± 5,9) km.
http://www.windows2universe.org
http://www.windows2universe.org
http://www.solstation.com/stars/ceres.htm
cette différenciation a concentré l’essentiel des
éléments réfractaires vers le Soleil, et l’essentiel des
éléments volatils vers la périphérie du système;
2- Une différenciation à l'échelle de chacun des corps en
cours de formation d'autre part, qui va donner les
noyaux des planètes décrits dans l’Introduction
(Fig. 1) ; D’autres corps aussi s’étaient différenciés,
que l’on retrouve en fragments rocheux qui
constituent l’ensemble des météorites différenciées.
Lorsqu’ils percutent la Terre, on les nomme sidérites,
sidérolithes, et aérolithes achondritiques. Par
opposition, on parlera de météorites indifférenciées
pour les chondrites, puisque ces fragments de cailloux
n’ont aucune des caractéristiques des roches
planétaires, et qu’ils paraissent par conséquent refléter
l’état du système solaire avant la différentiation (cf. §
suivant « météorites indifférenciées »).
1 - Relation de Titius et ceinture d’astéroïdes
On imagine généralement que les planètes du
système solaire sont nées presque en même temps que le
soleil, de l'effondrement gravitaire de la nébuleuse (gaz), par
agrégation et collision de poussières (accrétion à froid). La
relation de Titius (XVIII° siècle) tente de traduire les
caractéristiques fondamentales du disque gazeux
protosolaire. Il était sans doute animé comme aujourd’hui
d'un mouvement de rotation qui lui a conféré une symétrie
axiale (de révolution). L'essentiel de sa masse était déjà
confiné en son centre. Il suffit alors, qu'il ait été invariant
d'échelle pour rendre compte de la distribution observée
des planètes. “ Invariant d’échelle ” signifie que ses
propriétés
physiques
suivaient
une
progression
géométrique. Autrement dit, la variation de la propriété p
entre R et 2R (distances au soleil), est la même qu'entre 4R
et 8R. On écrit ainsi :
R n= R0.kn
où n est l'ordre de la planète, et R n et R0 sont
respectivement les rayons orbitaux des planètes de rang n
et zéro. La raison k vaut environ 1.7 pour les planètes en
rotation autour du Soleil.
Cette relation de Titius écrite à l'époque sous une
autre forme, était finalement bien vérifiée pour les 5
planètes connues du vivant de Titius. Elle avait même
conduit Bode à supposer dès la fin du XVIII° siècle qu'une
24/10/13
planète avait dû exister puis avait dû exploser entre Mars
et Jupiter. Or, l’analyse des trajectoires des météorites que la
Terre reçoit (lorsque c’est possible) nous montre qu’elles
proviennent certainement pour l’essentiel de cette région de
l’espace ; et c’est précisément dans cette région que l’on
observe une ceinture très riche en astéroïdes. Cette notion
de richesse en bien sûr toute relative. Le total de la masse
des corps de cette ceinture n'excède pas quelques % de la
masse de la Terre, et les quelques corps massifs que l'on y
trouve en représentent plus de la moitié. Le plus gros corps
et le premier reconnu dans la ceinture d'astéroïdes, Cérès,
atteint 930 Km de diamètre (Fig. 7a, Giuseppe Piazzi
1801). Pallas, Vesta (Fig. 7b), Hygiea (400 à 525 km,
fig. 7c) et 23 autres corps ont une taille de plus de 200 Km.
Tous les astéroïdes de plus de 100 km nous sont connus ou
presque, et sans doute connaît-on 50% des corps de plus de
10 km. Par contre, on ne sait à peu près rien du million ou
plus d’astéroïdes de l’ordre du km qui peuplent cette
ceinture. La grande majorité présente une faible excentricité
et une inclinaison sur le plan de l'écliptique presque toujours
inférieure à 4° (maxi 30°).
On a longtemps rapporté les météorites qui
parviennent sur Terre à l'explosion de la planète dite
«manquante» de Titius ; mais deux arguments essentiels
sont venus infirmer cette hypothèse :
1 - la distribution des radio-isotopes dans les météorites
impose qu’elles ne sont pas issues d'une planète unique
fragmentée tardivement, soit à la suite d'une collision,
soit sous l’influence de marées trop fortes provoquées
par Jupiter, mais de corps souvent chimiquement
distincts les uns des autres ;
2 - ce ne sont pas exclusivement des fragments de planète
qui nous parviennent de cette région particulière, mais
quasi toutes les météorites, y compris les chondrites, or
les chondrites sont constituées d'un matériau non
planétaire.
Toutefois Titius n’avait pas complètement tort. Dans
cette zone orbitale située entre Mars et Jupiter, les
interactions fortes entre le champ gravitationnel de Mars et
celui que crée la masse énorme de Jupiter constituent un
piège pour les grains de poussière ou les cailloux passant
dans son voisinage. Ces interactions sont si fortes qu’elles
empêchent la formation d’un anneau homogène. La
Fig.7b : Vesta vu par Hubble à gauche, et de la Terre à droite.
Sa topographie est en image couleur. Image centrale en couleur:
le bleu représente les creux et le rouge les bosses, noter le
cratère d'impact (450 km de diamètre)
http://nssdc.gsfc.nasa.gov/image/planetary/asteroid/hst_vesta_2.jpg
- 30 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 7c : Lacunes de Kirkwood dans la ceinture d’astéroïdes.
Abondance des astéroïdes vs. taille en UA du demi grandaxe ; la lacune principale correspond à la résonance 3 :1
http://ssd.jpl.nasa.gov/images/ast_histo.ps
24/10/13
fréquentes, qui ont pu donner naissance par fragmentation
ultérieure aux météorites différenciées, achondrites, sidérites
et sidérolithes.
Il reste que cette relation de Titius a aussi largement
favorisé la découverte des planètes externes, Uranus,
Neptune et Pluton, mais la progression géométrique de
raison 1.7 n'est que très mal vérifiée pour ces dernières.
Cette relation conserve-t-elle un sens physique? Elle traduit
à coup sûr le fait imposé par l'attraction universelle que deux
corps en cours d'accrétion ne peuvent être trop rapprochés
sous peine de voir la compétition pour la capture de la
matière environnante interdire leur croissance (cf. la
ceinture d’astéroïdes), et que dans le nuage protosolaire un
ensemble de perturbations gravitaires allaient contribuer à la
constitution des planètes, ou inversement interdire leur
constitution, Dès lors, on peut donc sans doute parler avec
André Brahic dans «Sciences de la Terre et de l'Univers»
(1999) d'une fausse bonne piste à propos de la relation de
Titius, mais elle fut féconde !
distribution des orbites des astéroïdes fait apparaître des
distances de demi grand-axe auxquelles aucun astéroïde ne
correspond. Ces domaines non peuplés sont appelés lacunes
2 - le fractionnement des éléments chimiques
de Kirkwood (Fig. 7c). Elles correspondent aux distances
des
corps
massifs et les météorites différenciées
orbitales auxquelles un objet soumis à ces conditions serait
en résonance avec la planète géante Jupiter. Le phénomène
Le nuage de gaz et de poussières qui constituait la
de résonance se produit lorsque la période de l'orbite de nébuleuse protosolaire se transforma en un disque plat sous
l'objet est une fraction entière de celle de celle de la planète l’effet de la rotation et de la gravitation (cf. paragraphe Les
voisine (ici Jupiter). Les lacunes principales sont observées chondrites sont des objets apparus très tôt dans
pour les rapports 3:1, 5:2, 7:3 et 2:1 entre astéroïde et l'effondrement gravitaire de la nébuleuse) Au sein de ce
Jupiter. Ces lacunes ne sont observables que dans la disque, les poussières sont agrégées en corps de plus en plus
distribution des demi grand-axes et pas dans celle de la gros, jusqu’à constituer des planètésimaux.
densité des astéroïdes dans la ceinture. En effet,
Comment s’est opérée cette d’accrétion ; fut-elle
l'excentricité orbitale des astéroïdes, bien que faible, suffit à homogène ? Hétérogène ? S’est-elle produite à froid ? À
ce que ces objets franchissent en nombre les domaines chaud ? La géochimie terrestre propose un modèle
lacunaires définis par les demi grand-axes.
d’accrétion hétérogène fondé sur des bilans de matière
Il est donc très vraisemblable qu’aucune planète simple, dans lequel l’évolution de la température est un
paramètre clef. On remarque en particulier que l’essentiel de
importante n’a jamais pu se constituer dans cette région en
l’eau terrestre est contenue dans son atmosphère, et on note
raison des instabilités auxquelles conduisent les interactions
que la Terre en possède suffisamment pour oxyder
avec la planète géante voisine, interactions à ne pas
l’essentiel du fer terrestre. Or celui-ci est contenu
confondre avec la limite de roche13 de Jupiter qui ne croise principalement à l’état Fe2+ dans le manteau et sous forme
pas la ceinture d’astéroïdes (loin s’en faut) et encore moins métal dans le noyau. Il faut donc admettre qu’au moment où
celle de Mars. Inversement, le piège gravitationnel que ce noyau s’est individualisé l’accrétion était pauvre en eau,
constitue cette région aurait par contre favorisé et que notre Terre a reçu son eau plus tardivement. Si l’on
l'accumulation d'astéroïdes, en dispersant les fragments admet ici (cf. $ condensation de la nébuleuse) qu’au stade
rocheux au cours de leur accrétion. Par ailleurs, ces précoce du fonctionnement du Soleil il s’est mis en place un
interactions et instabilités provoquent vraisemblablement
des chocs entre objets, et donc des modifications brutales Fig. 7d : Toutatis, géocroiseur de 4,6x 2,4 x 1,9 km.
des orbites de ces astéroïdes. Certains d’entre eux seraient Passsé le 20 septembre 2004 à 4 fois la distance Terre Lune
alors éjectés sur des orbites très elliptiques recoupant le
champ d’attraction des planètes, comme Géographos,
Adonis, ou Toutatis (Fig. 7d). En outre, certains corps, à
l'image de Cérès, ont pu atteindre une taille suffisante pour
qu'ils aient pu connaître une différenciation chimique. Ce
sont de tels corps, situés initialement dans cette ceinture
soumise aux perturbations complexes des attractions de
Jupiter et de Mars où les collisions sont probablement
13
On appelle limite de roche la distance en dessous de
laquelle la force de cohésion d’un satellite d’une planète
devient inférieure aux forces des marées provoquées par la
planète. Le satellite est alors désagrégé.
http://lunarmeteoritehunters.blogspot.fr
- 31 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
fort gradient de température qui s’est ensuite atténué, on
comprend que les premiers condensats s’accrétant en
planètésimaux devaient être
constitués de matériaux
réfractaires, et que des condensats de glace n’ont pu arriver
arri
sur Terre qu’à un stade plus froid, et donc plus avancé.
Sur un planètésimal en formation, les vitesses
relatives des objets qui entrent en collision avec lui
augmentent avec la masse du planètésimal parce que cette
masse accroît le champ de pesanteur à son voisinage.
L'énergie cinétique récupérée lors des collisions s’ajoute à la
compression adiabatique (corollaire de l'augmentation de sa
taille) pour en accroître la température, jusqu’à engendrer la
fusion de cette protoplanète.. En fin d'accrétion les
le collisions
deviennent si violentes qu'elles ont pu modifier
considérablement les planètes qui viennent de se former.
Citons Mercure qui aura perdu ainsi une grande partie de
son manteau et aura vu ainsi sa masse volumique moyenne
augmenter, et la Terre qui
ui donnera naissance à la Lune après
une capture - collision cataclysmique (cf. Chp. 4.D.1.d).
Avec la fusion (au moins partielle) des matériaux
accrétés à froid, apparaît le premier mode de fractionnement
responsable de la ségrégation d’un noyau ferreux chez
c
les
planètes telluriques. En effet, à l’état liquide, la gravité
permet le transfert du fer (très abondant) vers un noyau
dense.
A l’état solide, un autre mode de transfert du fer vers
le noyau peut être envisagé. En effet, les silicates (ils
constituent
ent l’essentiel des minéraux des planètes rocheuses,
en particulier leur manteau) sont des solutions solides
capables d’assimiler dans leur réseau des proportions de fer
souvent beaucoup plus élevées aux faibles pressions qu’aux
fortes pressions. Il s’ensuit
it donc que ces phases minérales
devenues instables dans la convection descendante
« expulsent » leur fraction Fer à la base du manteau, lui
permettant de rejoindre ainsi le noyau.
On appelle fractionnement chimique l'ensemble des
processus qui tendent à séparer
éparer les espèces chimiques ou
minéralogiques, en fonction de leur densité et/ou de leur
affinité chimique, dans les conditions P, T° de stabilité des
solides (minéraux) et des liquides qui les contiennent. On
appelle sidérophiles et chalcophiles les éléments
élém
chimiques
ayant tendance à constituer respectivement des alliages avec
le fer et des minéraux avec le soufre (sulfures métalliques en
particulier). On appelle lithophiles les éléments volatils ou
les éléments volontiers “ capturés ” par Si et O (silicates
(silic
et
Fig. 8 : Structures filamenteuses danss ALH84001.
ALH84001
Météorite trouvée en 1984 dans la région d'Allan Hills
(Antarctique) dans des glaces de 13000 ans. ALH84001, 4.5
Gans, elle provient vraisemblablement de la croûte de Mars et a
du se former juste après l'accrétion et la différenciation de Mars.
Mar
24/10/13
oxydes), Mg, Al, Alcalins, alcalino-terreux.
alcalino
Parmi les
lithophiles, les éléments à gros rayon ionique et/ou à forte
charge, ont des difficultés à entrer dans les réseaux silicatés
stables à haute T° et haute P. Ils ont donc quelques
difficultés à entrer
ntrer dans les minéraux du manteau terrestre.
En outre, certains éléments ont une forte tendance à
constituer des complexes très stables dans les liquides
silicatés, préférant ainsi le liquide au solide pour une T°
d'équilibre donnée. Tous ces éléments sont
son donc “ distillés ”
à T° décroissante dans des produits ultimes de cristallisation,
et vont constituer ce que Claude Allègre appelle “ l'écume
de la Terre ”, ou croûte terrestre, et en particulier les
continents.
On imagine ainsi que dans les protoplanètes
rocheuses en fusion, le noyau s'individualise en raison de
la forte densité du fer. Il regroupe avec lui les éléments
sidérophiles, le Ni en particulier. Les lithophiles constituent
le manteau silicaté puis plus tard la croûte. Parallèlement le
dégazage des éléments volatils constitue l’atmosphère
primordiale de ces corps.
Certains aérolithes achondrites proviennent
d'anciennes roches fondues de compositions très
comparables à de la croûte terrestre ou lunaire. Elles
résultent d'un fractionnement chimique
chimiq important. Il peut
aussi s'agir de fragments de croûte arrachés à la Lune ou à
Mars lors d'impacts. L’une d’entre elles, ALH 84001,
défraye la chronique depuis 1996 car elle pourrait apporter
le témoignage que l’exobiologie n’est pas un mythe ? Les
structures
ctures que l’on y observe (Fig. 8) ressemblent beaucoup
à des bactéries terrestres, mais elles sont 100 fois plus
petites, ce qui rend toute confirmation impossible. Pour
nombre de biologiste une telle taille ne permet pas le
"rangement" d'une usine cellulaire
aire complète, peut-être
peut
des
organites cellulaires? Ces nanostructures sont observées
dans des microbilles carbonatées
carbonatée qui contiennent aussi des
sulfures. Sur Terre
erre les sulfures provenant de la réduction
bactérienne de sulfate est courante, mais elle s'accompagne
s'acc
d'une séparation isotopique qui
qu enrichit le sulfure
biogénique en 32S, ce qui n'est pas démontré sur ALH84001.
ALH84001
En tous cas, elles sont suffisamment troublantes pour
motiver une part importante du programme d’exploration de
Mars dans les années à venir.
Si l’on rapporte les achondrites à de la croûte
planétaire, on assimile corrélativement les sidérites à des
morceaux de noyau planétaire, et les très rares météorites
mixtes (sidérolithes) à l'interface noyau-manteau.
noyau
Nombre
de météorites proviennentt donc de ce qui fut sans doute un
ou des corps différencié(s), puis dispersé(s) (Fig. 9).
Les datations obtenues sur des achondrites et des
sidérites convergent vers 4.4 Ga.±0.1, c'est à dire quelques
centaines de millions d'années au plus après la naissance
naiss
du
système solaire (4.57 Ga. Allègre et al. 1995.). Cet âge
pourrait représenter l'épisode de la différenciation des
corps planétaires dans le système solaire. Une sidérite
Fig. 9:Formation
ormation des météorites différenciées
http://www.nirgal.net/alh84001.html
- 32 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
datée à 3.8 Ga. démontre que ce
processus de différenciation a pu
affecter
des
corps
«très»
tardivement dans la protohistoire de
notre système.
Les planètes gazeuses ne
sont
pas
exemptes
de
différenciation
(cf.
Chp. introduction), mais celle-ci est
beaucoup plus froide (séparation de
l'H2 liquide et métallique par
exemple) et ne peut donner
naissance qu'à du gaz lors des
collisions avec des météores (e. g.
comète de Lévy avec Jupiter en
1994, Fig. 10) et ne peut éjecter des
matériaux condensés.
Fig 10: Collision de la comète
Shoemaker-Levy 9 avec Jupiter.
24/10/13
On peut donc considérer que tout
composé constitué d’éléments présentant des
isotopes sera, en quelque sorte, marqué par
un ensemble de rapports isotopiques
caractéristiques. Si un tel composé est engagé
dans un processus, chimique ou physique, les
différences de masse entre les isotopes aura
pour effet de fractionner les espèces légères
et lourdes de ce composé. Quatre types de
fractionnement peuvent se produire :
1 - fractionnements
chimique 2) physique ;
d’équilibre,
1)
2 - fractionnements cinétiques, 3) transport
4) réaction.
Le spectromètre de masse, outil qui
mesure simultanément les concentrations
isotopiques en séparant spatialement les
espèces différentes par application de la force centrifuge lors
de leur déplacement (Fig. 11), permet d’accéder avec
précision à ces rapports isotopiques.
les fragments de la comète ont été
rapprochés sur l'image
3 - le fractionnement isotopique des espèces
chimiques
Lire MC - Geochimie fractionnement - Cisse.htm. Nous avons
vu jusque-là un ensemble de processus capables de
fractionner les éléments chimiques. Mais les processus
physico-chimiques sont aussi capables de fractionner les
différentes espèces isotopiques d’un composé engagé dans
ces processus. De tels fractionnements isotopiques des
espèces chimiques constituent un outil extrêmement
performant pour tracer les processus géochimiques, que le
lecteur retrouvera en des endroits très divers de ce
polycopié. On s’intéresse ici aux isotopes stables (non
radioactifs et non radiogéniques), dont la quantité dans un
réservoir donné n’évolue pas par radioactivité, mais par
déplacement vers ou depuis un autre réservoir au cours de
processus physico-chimiques. Nous n’aborderons pas ici le
cas des isotopes radioactifs d’éléments pères, dont la
décroissance naturelle au cours du temps provoque la
croissance naturelle d’éléments fils dits radiogéniques,
couples classiquement utilisés en datation.
Nous décrirons ici sommairement les principes du
fractionnement isotopique d’isotopes stables, en reprenant le
manuel « Géologie isotopique » de C. Allègre, 2005, partant
de l’exemple de l’eau, constituée de deux H et un O. Ce
composé comprend ainsi diverses molécules, à base de 1H
(l’hydrogène léger, H), de 2H et 3H (les hydrogènes lourds,
Deutérium, D, et Tritium, T), et de trois isotopes de
l’oxygène, 18O, 17O, 16O du lourd au léger. Pour molécules
les plus courantes, nous aurons donc :
1 - H218O (2.2%) ;
H217O (0.5%) ;
H216O (97%) ;
2 - D218O ;
D217O ;
D216O ;
3 - DH18O ;
DH17O ;
DH16O (0.3%) ;
Aussi utilise-t-on communément les variations de ces
rapports, en les comparant à ceux d’une substance prise en
référence. Il s’agira d’un carbonate de calcium CaCO3
référence (bélemnite14 de la Peedee formation, U.S.A)
appelé « PDB standard carbonate », pour étudier les
variations 18O/16O dans le carbonate des coquilles
d’organismes vivants ou fossiles (CaCO3 eux aussi). Pour
les variations isotopiques de l’eau, les valeurs standards de
référence furent d’abord la moyenne des concentrations
océaniques (SMOW, « Standard Mean Ocean Water » H.
Craig, 1967). Mais rapidement (1968) le besoin s’est fait
sentir de disposer d’un standard eau pure, plus accessible
qu’une eau océanique déminéralisée. Le vocable V-SMOW
(ocean water) a néanmoins été conservé, avec V pour
Vienna Standard Mean Ocean Water (du nom de l’Agence
Atomique Internationale de Vienne). La composition
isotopique de SMOW est donc parfaitement définie15. Ces
variations de composition sont en fait très petites, et on les
exprime en unité delta, fonction des rapports R mesurés et
standards, exprimée en %o, telle que :
δ = [(REch - Rstd) / Rstd].103
On appellera ainsi δ18O d’une eau (prononcer delta
O18), l’écart entre la mesure du rapport 18O/17O faite sur un
échantillon d’eau et la valeur standard SMOW de ce
rapport :
δ18O = [(18O/16OEch - 18O/16OSMOW) /
18
O/16OSMOW].103
a- Le fractionnement d’équilibre chimique
Voyons la réaction d’échange 18O
16
O suivante :
Notons que quatre espèces isotopiques seulement
sont > 0.1%, dont une qui domine largement.
Fig. 11 : schéma simplifié d’un spectromètre de masse
14
Bélemnite = sorte de seiche fossile chez qui le rostre
calcaire, minuscule pointe de l’os chez la seiche actuelle,
était très largement développé.
15
Composition du standard SMOW:
2
H / 1H = 155.76 ±0.1 ppm
3
H / 1H = 1.85
±0.36 10-11 ppm
18
16
O / O = 2005.20
±0.43 ppm
17
O / 16O = 379.9 ±1.6 ppm
1ppm = 1 10-6.
- 33 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Si18O2 + 2H216O
Si16O2 + 2H218O
Comme toute réaction chimique elle admet pour
constante d’équilibre (loi d’action de masse) thermo
dépendante (Ln K = a’ +b’/T +c’/T2)
K(T) = (Si16O2).(H218O)2 / (Si18O2).( H216O)2
H. Urey a montré (mécanique statistique quantique)
que si K est bien voisine de 1, elle est néanmoins différente
de 1, et pour une réaction d’échange d’isotopes entre deux
composés, A et B, constitués de deux isotopes is1 et is2
d’un élément commun aux deux composés,
aAis1 + bBis2
aAis2 + bBis1
Selon la thermodynamique statistique, la constante
d’équilibre s’écrit :
K(T) = [Q(Ais2)/Q(Ais1)]a . [Q(Bis1)/Q(Bis2)]b
Où les fonctions Q(Ais1), Q(Ais2) …etc., sont
appelées fonctions de partition des différentes molécules
isotopiques.
Avec, pour chaque composé, deux molécules (1 et 2),
constituées respectivement des isotopes is1 et is2:
M1 et M2, les 2 masses des deux molécules
σ1 et σ2, leurs nombres de symétrie ;
E1 et E2, leurs niveaux d’énergie (rotation-vibration)
I1 et I2, leurs moments d’inertie
Le rapport des fonctions de partition pour cette
molécule
Q2/Q1= (s1/s2).(I1/I2).(M2/M1)3/2.[Σ
Σ exp(E2/kT) /.[Σ
Σ
(E1/kT)
exp
]
24/10/13
comme :
Pgaz= Ptotale . Xgaz
Pour des espèces d’eau différentes par leurs isotopes
de l’oxygène, lors de l’évaporation de l’eau liquide,
l’équilibre liquide
gaz conduit à écrire (loi de Henry) :
P(H216O) = Ptotale . Xgaz(H216O),
P(H218O) = Ptotale . Xgaz(H218O),
et considérant le mélange comme un gaz parfait, avec
P°, pression de vapeur saturante :
P(H216O) = Xliq (H216O) . P°(H216O)
P(H218O) = Xliq (H218O) . P°(H218O)
Le coefficient d’échange α lors de la vaporisation ne
sera donc dépendant des pressions de vapeur saturante des
deux espèces, il sera de la forme
αvap-liq = P°(H218O) / P°(H216O)
Or le liquide le plus dense est le moins volatil, donc
αvap-liq <1
Dans le cas de l’eau pris en exemple, les coefficients
de fractionnement, à 20°C, sont :
α(18O) =0.9911 ; α(D) =0.9180
Le fractionnement à 20°C du Deutérium est donc (10.918)/(1-0.9911) = environ 9 fois plus fort que celui de
l’18O. La température doit en effet être précisée car,
reprenant l’expression de Clapeyron α= a/T +b, on remarque
que le coefficient de fractionnement isotopique physique est
lui aussi dépendant de la température.
c-
Le
fractionnement
transport
cinétique
de
2 - La thermo dépendance de K, plus la T° augmente, plus
K est proche de 1, plus le fractionnement des deux
espèces est faible.
Lorsqu’un processus engage un phénomène de
transport, l’énergie utilisée pour ce transport va se traduire
par des différence de la vitesse acquise par les différents
composés transportés en fonction de leur masse, en respect
de la loi E = ½ mv2 Pour deux espèces isotopiques 1 et 2
d’un composé, les vitesses v1 et v2, auxquelles les
molécules isotopiques 1 et 2 se déplacent sont fonction de
leurs masses m1 et m2.
On définit le coefficient de fractionnement isotopique
chimique α, dépendant de la température,
αAB = (Ais2 / Ais1) / (Bis2 / Bis1)
Le coefficient de fractionnement isotopique cinétique
de transport, est donc de la même forme que le rapport des
vitesses v1/v2 = (m2/m1)1/2 :
Fait apparaître deux caractères essentiels de la
réaction d’échange isotopique:
1 - Le fractionnement entre deux espèces isotopiques est
proportionnel au rapport des masses de ces espèces ;
Les coefficients α et K sont liés par la relation
α = K1/n
où n est le nombre d’atomes échangeables dans cet
équilibre. Dans le cas de l’échange des isotopes 16 et 18 de
l’oxygène entre une espèce de SiO2 (e.g. Quartz) et de l’eau,
le nombre d’atomes échangeables est n = 2.
b- Le fractionnement d’équilibre physique
Un fractionnement isotopique intervient aussi lors
des changements de phase d’un composé. Ainsi, pour l’eau
lors de l’évaporation (e.g. au-dessus des océans) et lors de la
précipitation (pluie ou neige), on peut s’attendre à un
fractionnement de l’oxygène, entre 18O et 16O de masses très
différentes, mais aussi à un fractionnement de l’hydrogène
entre 1H et D, lors de l’évaporation (e.g. au-dessus des
océans) et lors de la précipitation (pluie ou neige).
Continuant notre lecture de l’ouvrage de C. Allègre,
nous définirons la pression partielle Pgaz d’une espèce
gazeuse présente à la concentration Xgaz dans un mélange
a léger-lourd= vléger/vlourd = (mlourd/mléger)1/2
Lors du déplacement d’une masse d’air par exemple,
les molécules de dioxygène 16O2 sont fractionnées par
rapport aux molécules un peu plus lourdes de 17O2,
enrichissant l’air transporté comme suit :
a (16O2-17O2) = (2x17 / 2x16)1/2 = 1.03078
Contrairement aux précédents coefficients de
fractionnement isotopique, celui de cinétique de transport
est indépendant de la température ; il ne dépend que du
rapport des masses des molécules isotopiques.
d- Le fractionnement cinétique de réaction
Les vitesses de réaction de deux molécules
isotopiques d’un composé donné dans une réaction chimique
ne sont pas non plus exactement les mêmes. Les molécules
légères sont un peu plus réactives, d’une part parce qu’elles
se déplacent plus vite et accroissent ainsi leur nombre de
collisions avec les autres réactifs, d’autre part parce qu’elles
sont un peu moins stables que leurs sœurs lourdes. C.
- 34 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Allègre prend ici l’exemple de l’oxygène dans la réaction
d’oxydation du carbone C + O2 → CO2 ; en raison des
abondances naturelles des isotopes de l’oxygène, deux
réactions sont dominantes :
C + 16O16O → C16O16O de cte cinétique nommée K16
C + 16O18O → C16O18O de cte cinétique nommée K18
Et l’on peut montrer, connaissant les concentrations
deux molécules isotopiques des réactifs et des produits que
le coefficient de fractionnement isotopique cinétique de
réaction est de la forme α = (K18/K16)
Ce coefficient de fractionnement cinétique est-il lui
aussi indépendant de la température ? La différence de
réactivité des molécules isotopiques provient de différences
de vitesse, donc d’énergie, donc de la température ? A
PRIORI, la température devrait favoriser le fractionnement,
mais l’échange isotopique est lui aussi un processus
cinétique favorisé par la température. Ce double processus
se traduit par une courbe « Fractionnement versus
température » en cloche ; dans un domaine de relativement
basse température, une élévation de la température
augmente le fractionnement jusqu’à un maximum ; au-delà
l’échange devient dominant conduit vers un fractionnement
de plus en plus faible. Pour l’heure, nous ne disposons pas
d’une expression générale décrivant cette compétition des
deux processus.
Lors des transferts du minéral vers le vivant les
processus biologiques opèrent aussi un fractionnement qui
favorise les isotopes légers. On observe ainsi un
enrichissement des plantes en 12C par rapport au 13C par le
biais de la synthèse chlorophyllienne, processus de
réduction du CO2 atmosphérique en C incorporé dans des
molécules organiques
D - Les
différenciées
chondrites,
météorites
non
Lire aussi MC - Meteorites - Non differentiees Chondrites BenFadhel-Cisse-Padet-Sautier-Turon.htm ; MC - Planeto - Differentiation
planetaire - Badji-BenFadhel &Turon.htm
L’épisode de différenciation que nous retracions plus
avant est en fait déjà le second phénomène qui affecte notre
système solaire encore tout jeune. Il se situe en effet
nécessairement après celui de la condensation de la
nébuleuse solaire en une multitude de corps minuscules
rendus plus ou moins massifs par accrétion. L’étude des
chondrites va maintenant nous permettre d’accéder à cet
épisode précoce de notre histoire.
Rappelons que si elles proviennent bien elles aussi de
la ceinture d’astéroïdes, les chondrites s'opposent au reste
des météorites (achondrites) par leur texture juxtaposant des
chondres chauds dans une matrice froide mais aussi par leur
composition voisine de celle du Soleil et que seule la
composition en éléments volatils des chondrites diffère
significativement de celle du soleil (fig. 6d). L’ensemble de
ces caractéristiques, auxquelles s’ajoute l’existence de
chondrite ayant subi un début de fractionnement (les
achondrites primitives) conduit nécessairement à penser que
les chondrites sont des objets restés en marge de l’évolution
du système depuis leur formation, en particulier lors de la
différenciation des corps massifs du système. Seules les
comètes que nous verrons plus loin sont probablement
encore moins évoluées.
24/10/13
1 - Objets très précoces
Les chondrites sont toutes datées à 4.55 Ga. ± 0.1 par
méthode Rb-Sr. C’est donc dire qu’elles ont à peu près l’âge
du système lui-même. Parmi elles, les chondrites carbonées,
en particulier celles dites de type CI (I pour Iruna,
Tanzanie), sont considérées comme les objets les plus
primitifs que nous ayons échantillonnés dans le système
solaire. La météorite du Lac Tagish, (Canada, 2000), celle
d’Allende (Pueblito de Allende, Mexique, 1969) ainsi que
celle d’Orgueil (France, fin XIX°) sont parmi les plus
primitives jamais trouvées, et celle du lac Tagish contient
des poussières interstellaires et des composés organiques
semble-t-il plus vieux que le Soleil ! Les CAIs sont
légèrement plus âgés que les chondres, respectivement
4.567 GA environ (+- 1Ma) contre 4.564 environ (+- 1Ma).
Pour HC Connolly et R. H. Hewins (1995), cette
période très mouvementée de création de notre étoile n’a
duré en fait qu’un laps de temps extrêmement court. La
première preuve nous en fut donnée en 1976, par l’étude des
isotopes du Magnésium des minéraux de la chondrite CI
d’Allende (Mexique). Les observations sont les suivantes :
1 - le rapport 26Mg / 25Mg y est anormalement élevé par
rapport à celui des autres matériaux connus (même très
anciens) ;
2 - cet excès du rapport des 2 isotopes du Mg est corrélé à
la teneur en 27Al de ces minéraux.
Les deux isotopes 25Mg et 27Al sont stables, et donc
leurs quantités n’ont pas varié depuis le stade initial, c. à d.
depuis la constitution du nuage de gaz protosolaire. Par
contre, 26Al est un isotope instable, et il donne du 26Mg par
désintégration β; ( 26Al → 26Mg + β+) Donc, avec le
temps, et tant qu’il restera du 26Al, le rapport 26Mg /
25
Mg sera croissant. Bien évidemment, cet accroissement
est d’autant plus fort que la teneur initiale en 26Al est
importante. Par conséquent, on peut affirmer16 que, quelle
qu’ait été la valeur du rapport initial des deux isotopes de
l’Aluminium 26Al et 27Al dans la nébuleuse, plus il entrait d’
27
Al (stable) dans un minéral de notre chondrite en train de
se former, plus il y entrait aussi de 26Al (radiogénique), et
donc plus le rapport 26Mg/25Mg était susceptible d’évoluer à
la hausse ensuite. Inversement, la corrélation positive
observée de nos jours entre ce rapport 26Mg/25Mg et la
quantité de 27Al (inchangée depuis le départ) démontre que
lorsque les minéraux de la chondrite d’Allende se sont
26
formés,
il
existait
encore
du
Al.
(Lire
cours_2008_2009_geotherme.ppsx). L’extraordinaire dans cette
découverte réside dans le fait que la période de 26Al,
extrêmement courte (λ = 740 000 ans), impose que les
minéraux des chondrites de type Allende aient été formés
très tôt, à peine 10 millions d’années après l’explosion de
la Nova qui ensemença notre nuage en 26Al. Outre le fait
que d’autres radionucléides éteints (53Mn, 60Fe, 129I, 146Sm,
182
Hf, 244Pu) sont venus depuis conforter ce modèle
d’effondrement–expulsion suivi d’un refroidissement rapide,
il semble que le 41Ca (λ = 100 000 ans !) soit en passe
d’imposer des contraintes de temps encore plus drastiques.
16
Sachant que les phénomènes de cristallisation sont
incapables de séparer des isotopes.
- 35 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 12: la Nébuleuse d'Orion, pouponnière d'étoiles.
24/10/13
Fig. 13a: La naissance d'une étoile (Brahic et al.).
Cela impose aussi des contraintes de distance
nécessairement courte entre la Nova qui donne naissance à
ces isotopes à vie courte et le gaz protosolaire, qui fut
suffisamment pollué pour porter la trace de radioéléments
encore vivants juste après son effondrement.
Ces cailloux exceptionnels nous invitent clairement à
faire un petit retour en arrière, sur l'épisode de contraction
de la nébuleuse protosolaire et sa condensation, allons-y.
Rappelons tout d’abord que depuis son allumage,
notre Soleil reste bloqué au stade étoile ordinaire, et que tant
qu’il lui restera de l’Hydrogène à brûler en Hélium, et il ne
produira rien d’autre que cet Hélium. Ce n’est qu’à ce stade
que son effondrement gravitaire pourra reprendre vers de
plus hautes pressions et de plus hautes températures,
jusqu’au stade de Géante Rouge. Il ne dépassera d’ailleurs
pas ce stade, sa masse étant trop faible. Il ne peut donc être
le père des éléments lourds qu’il contient actuellement.
Seules les étoiles massives en fin de vie comme les
géantes rouges, ou mieux encore les étoiles de type Nova
(avec les étoiles Wolf-Rayet) sont capables de fabriquer des
éléments lourds (Masse Atomique>Fe).
On observe aujourd’hui des nuages certainement
comparables à ce que fut le nôtre (fig. 12) ; ils ont une taille
considérable, jusqu'à 200 A.L., et une origine elle aussi
indubitablement complexe. En outre, ils contiennent des
grumeaux plus froids, et donc plus denses, que le nuage luimême (10K). Dans un tel gaz les éléments s’associent au
moins partiellement en molécules, plus ou moins complexes
(e.g. H2O = eau ; MgSiO3 = enstatite, un pyroxène).
Tout semble avoir commencé pour nous il y a
4.57 Ga., soit sous la pression même du gaz provenant de la
Nova qui ensemença notre gaz en éléments lourds, soit lors
de la traversée de notre nuage déjà ensemencé par un bras
galactique (onde de densité), comme cela semble se passer
de nos jours pour les étoiles jeunes dans la nébuleuse
d'Orion (e.g. 4 étoiles très lumineuses in Fig. 12).
Une telle onde de densité pourrait provoquer la
fragmentation de ce nuage en globules, puis leur
effondrement. L'un de ces grumeaux, que l’on nomme
globules de Bok, aurait été la nébuleuse protosolaire. Le
passage du stade grumeau au stade étoile est encore très mal
compris. Le confinement qui en résulte représente une
augmentation de densité de 1020! La figure 13a en résume
- 36 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig. 13b: image des jets bipolaires (en rouge pour HH30 et blanc pour CRL 2688.
l’étoile n’est pas visible en raison de la forte extinction provoquée par le disque circum stellaire, très sombre .
l’étoile HH 30
Nébuleuse de l’Oeuf
http://www.astrosurf.com/stog/Travaux-Recherches-%C9tudes/NGC2261/2261osj.htm
les principales étapes: peu après création du globule, son
effondrement commence. La chaleur du nuage, son champ
magnétique et sa vitesse s'y opposent, et le scénario de
contraction gravitaire serait bloqué à ce stade si l'étoile en
formation ne pouvait expulser une grande quantité de son
énergie sous forme de jets polaires (Fig. 13b) confinés par
le champ magnétique de l’étoile, qui éjectent ainsi de la
matière à des vitesses considérables (quelques centaines à
plus de 1000 Km s-1). L'effondrement du globule en rotation
provoque la concentration de la matière dans le plan
équatorial et en son centre, où la pression s’accroît et
provoque la condensation du gaz de la nébuleuse, et où la
température s’accroît jusqu’à ce que s’allume la réaction
nucléaire de l’Hydrogène en Hélium. L’énergie dégagée
s’oppose dès lors à l’effondrement gravitaire, qui va rester
bloqué durant toute cette étape de combustion tranquille qui
dure depuis 4.56 Ga. Et devrait durer encore 10 à 15Ga
environ…
2 - Produits de la condensation de la
nébuleuse
L’opposition de nature entre les CAIs
plus les chondres — constitués de silicates de
haute Température plus diverses phases minérales
dont certaines espèces (sulfures, nitrures entre
autres) inconnues sur Terre et témoignent parfois
d'un environnement extrêmement réducteur — et
les réactions nucléaires se sont allumées, et le système a pu
commencer à se refroidir. Avec le refroidissement du
système solaire, un point situé à une distance donnée du
soleil voit alors la séquence progresser dans le temps de la
gauche vers la droite. A la fin du processus, on distingue
deux régions :
1 - Dans le voisinage chaud du soleil, seuls les éléments
ou molécules les plus réfractaires peuvent se condenser
en poussières solides. Les autres éléments ou
molécules y sont bien présents, mais restent à l’état
gazeux ; avec la distance au soleil nous rencontrons
d’abord le domaine des oxydes réfractaires de Ca, Al,
Ti, puis celui des métaux (e.g. Fe et Fe-Ni), puis celui
des silicates ferromagnésiens (e.g. olivine –pyroxène),
pour voir enfin à T<600K la molécule OH se
condenser avec les silicates (pour former des
amphiboles par exemple). Nous sommes dans le champ
du fer et des silicates (tableau 7 site ENS Lyon);
2 - Loin du Soleil, en dessous de 175K, les éléments ou
molécules plus volatils se condensent à leur tour, et
l’on pénètre dans de monde de la glace d’eau et des
hydrates d’ammoniac ou de méthane (tableau 7). Les
Fig. 14a : La séquence de condensation dans la nébuleuse proto-solaire,
à P=10-4 Atm, d’après Grossman et Larimer 1974.
la matrice hydratée et carbonée donc restée
froide, impliquent une naissance plus
complexe que ce que pensaient certains, qui
suggéraient que les chondrites carbonées
étaient issues des comètes. Lors de la phase
d’effondrement du nuage, jusqu’à l’allumage
de l’étoile, il s’établit un gradient de densité
et de température décroissant en allant vers la
périphérie du nuage de gaz. Il s’établit donc
un profil de température qui, selon
Grossmann et Larimer (1974, fig. 14a), a
guidé la condensation du gaz de la nébuleuse,
en fonction du caractère plus ou moins
réfractaire des éléments chimiques (Tableau
6). Il faut bien comprendre que ce gradient
n’a rien de statique, et qu’au fur et à mesure
de la condensation du gaz, des régions encore
froides devenaient chaudes.
L’augmentation de température du
système a dû s’arrêter avec l'arrêt de
l'effondrement du Soleil, c’est à dire lorsque
http://bibliotheque.clermontuniversite.fr/sites/files/portail/documents/mercrediscience/Devouard1.pdf
- 37 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Tableau 6 : classification de Goldschmidt des éléments chimiques:
• Réfractaires Tc 1400 K (T°condensation)>
• Modérément réfractaires Tc~1300 K
• Modérément volatils 800 K<1200 K
• Volatils Tc< 800 K
Eléments lithophiles. Ce sont des éléments qui sont localisés préférentiellement dans les roches silicatées (manteau, croûtes) et
qui n'ont aucune affinité pour le fer et ses alliages (noyau). Ils peuvent être réfractaires ou volatils. On peut distinguer :
• Lithophiles réfractaires : Be, Al, Ca, Sc, Ti, V, Sr, Y, Nb, Ba, terres rares, Hf, Ta, Th, U
• Lithophiles modérément réfractaires : Mg, Si, Cr
• Lithophiles modérément volatils : Li, B, Na, K, Mn, Rb, Cs…
• Lithophiles volatils : F, Cl, Br, I
Eléments sidérophiles. Ce sont des éléments qui ont une affinité pour la phase métallique et sont localisés préférentiellement
dans le noyau. Ils peuvent être réfractaires ou volatils. Ainsi on peut distinguer :
• Sidérophiles réfractaires : Mo, Ru, Rh, (W), Re, Os, Ir, Pt
• Sidérophiles modérément réfractaires : Fe, Co, Ni, Pd
• Sidérophiles modérément volatils : P, Ge, (As), Sn, (Pb), (Sb) , Au
• Sidérophiles volatils : C, Tl, Bi
Eléments chalcophiles. Ce sont des éléments qui ont un comportement comme le soufre. Ils sont très volatils.
• Chalcophiles volatils : Cu, Ag, (Ge), (Cr), (Sn), (Mo), Pb, (Fe), Zn, Cd, Hg, As, Sb, Ga, , In, S, Se, Te
Eléments atmophiles. Ce sont tous des éléments très volatils. Ils se retrouvent préférentiellement dans l'atmosphère et l'océan.
• H, He, C, N, O, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn
Tableau 7 : Série de condensation à l’équilibre d’un gaz de composition solaire ;
à T° donnée ( ou à une distance donnée du centre de la nébuleuse), tout ce qui est au dessous de la température est solide, tout
ce qui est en dessus est gazeux.
K
Chimie des condensats
1 600 K
Condensation des oxydes réfractaires (CaO, Al2O3, oxydes de titane,
Champ du Fer
zirconium)
1 300 K
Condensation de l’alliage Fer-Nickel
1 200 à 490 K
Condensation de l’enstatite MgSiO3, et réaction avec FeO pour donner
Champ des silicates
FexMg(1-x)SiO3
1 000 K
Na réagit avec Al2O3 et les silicates pour former Feldspaths et minéraux
alcalins
550 à 425 K
H2O se combine aux minéraux CaMgFe (amphibole, serpentine)
175 K
150 K
120 K
< 120 K
< 20K
La vapeur d’eau se condense en glace
NH3 gazeux réagit avec la glace et forme un hydrate solide (NH3,H2O)
CH4 gazeux réagit avec la glace et forme un hydrate solide (CH4,H2O)
Condensation des derniers gaz résiduels (Ar, N2)
Condensation de l'H et l'He (n'arrivent jamais dans la nature)
silicates et le fer sont encore présents, mais se couvrent
d'un givre glacé, donnant un mélange fer-silicatesglaces baignant dans un mélange gazeux fait
d’Hydrogène et d’Hélium. Notons que la température
n'est jamais assez basse pour que l’Hydrogène et
l’Hélium se condensent.
On situe la limite entre ces deux domaines au niveau
de la ceinture d’astéroïdes entre Mars et Jupiter (environ 750
millions de km du centre du nuage, Fig. 14b, page suivante),
car c’est d’ici que viennent les chondrites, dont on sait
qu’elles contiennent une matrice riche en volatils parfois
carbonée et même riche en eau, et l’on constate en outre
qu’en deçà de cette limite, la phase de condensationaccrétion a mené aux planètes telluriques, alors qu’au-delà
elle s’est traduite par la formation des planètes gazeuses.
Selon ce schéma de condensation, les CAIs se
seraient donc formés au-dessus de 1500K et les chondres
apparaissent comme des condensats à peine moins chauds
(ils se formeraient vers 1300K). Ils sont donc anormalement
Champ des glaces
chaud vis-à-vis de la matrice froide qui fut capable de
condenser des volatils. Il faut donc imaginer qu’ils se sont
formés au voisinage du Soleil, dans les mêmes régions que
les planètes telluriques, au sein du disque de matière en
cours d’accrétion, dans lequel les planètes vont bientôt
apparaître. La présence de chondres à inclusions de
réfractaires Al-Ca dans certaines chondrites laisse même à
penser que leur condensation pourrait avoir eu lieu très près
du Soleil, comme pour les CAIs, à l’intérieur de l’orbite de
la future Mercure. Il faut donc ensuite transporter ces
condensats chauds vers des régions plus éloignées et froides,
dans le champ des glaces. Durant la phase d’accrétion
planétaire, le champ de gravité des planètes s’est accru, et
les corps massifs ont pu agir très tôt vis à vis des nombreux
projectiles légers croisant dans leur environnement comme
des frondes17.
17
C’est probablement ainsi que l’énorme pesanteur des deux
- 38 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig14b: la séquence de condensation.
A une distance correspond une température et donc différents types de corps formés lors du refroidissement.
refroidissement
Néanmoins, il ne s’agit là que d’un des
d scénarios
possibles, et la formation des chondres garde encore
largement son mystère Le fait que ces fameuses gouttelettes
résulte d’une fusion reste très surprenant pour des
condensats, car sous les basses pressions qui règnent dans
une nébuleuse, la phase
hase liquide ne devrait pas exister. SontSont
ils formés en un instant lors de chocs entre planètésimaux ?
Volcanisme d’astéroïdes ? Condensation chaude ? Aucune
de ces hypothèses ne répond à l’ensemble des questions
posées par ces microbilles (texture, composition).
compos
Nombre
de chercheurs tendent alors à penser que leur formation
résulte d’un chauffage transitoire et rapide, au sein de la
nébuleuse, dans un environnement ne dépassant pas les
650K ; collision des petits cors métriques ? Chauffage par
friction entre
re grains de poussière durant l’effondrement ?
Flashs magnétiques provenant du Soleil ou reconnexion des
lignes du champ solaire qui s’allume à un champ externe ?
Souffle de chaleur accompagnant le vent solaire très fort de
la phase T-Tauri18 ? Un quelconquee phénomène encore
planètes géantes, Jupiter et Saturne a pu faire le vide de tous
les petits objets situés dans leur environnement, voir même
peut-être Pluton( ?), et contribuer à enrichir la ceinture de
Edgeworth-Kuiper et le nuage de Oort en corps glacés. Les
planètes telluriques ont pu elles aussi renvoyer des
condensats chauds vers des régions plus externes, mêlant
ainsi condensats chauds ou très chauds venus de l’intérieur
et matériel froid probablement condensé in situ. Certains de
ces condensats mixtes se seraient trouvés piégés dans la
ceinture d’astéroïdes, et auraient subi ici des débuts de
différenciation menant à des achondrites primitives, des
cailloux, des planètésimaux ou enfin des planètoïdes
plan
(Lire
MC - Planeto - Planetoides - Padet.htm) avortés, éventuellement
différenciés puis fragmentés comme nous l’avons vu plus
avant.
18
Le vent stellaire de la phase précoce, dite T. Tauri (étoile
T du Taureau) est très intense et a probablement expulsé
vers l'extérieur du tout jeune système solaire les matériaux
non encore condensés (gaz nébulaire, poussières ?), voire
même probablement les atmosphères primaires des planètes
rocheuses (cf. chapitre 5). Peut-être faut--il voir là aussi une
des causes possibles de la distribution des masses
volumiques moyennes des corps planétaires au sein du
système solaire.
entièrement inconnu ? Les possibles sont nombreux….
L’histoire des chondrites s’arrête au stade accrétion ; elle est
seulement suivie (Fig. 15)) de la fragmentation des petits
cailloux ainsi formés dans la ceinture d’Astéroïdes, que le
hasard
sard des changements de trajectoire propulsera peut-être
peut
vers la Terre.
Ce modèle de condensation permet aussi de mieux
comprendre la composition chimique des planètes géantes.
Au-delà
delà de la ceinture d’astéroïdes, la glace d’eau pouvait se
condenser ; or l’hydrogène et l’oxygène sont deux des
éléments les plus abondants dans le gaz nébulaire, et de ce
fait, la glace d’eau devenait dominante dans cette région.
Ces poussières de glace riches en ammoniac et
hydrocarbures s'agglomèrent pour former des gros corps
cor
glacés (constitués de glace à 60 %),
% dans un environnement
froid, qui acquirent alors une gravité suffisante pour retenir
l'hydrogène et l'hélium de la nébuleuse dans leur
atmosphère. Quatre corps faits de fer, silicate et surtout
glaces (les noyaux des futurs Jupiter, Saturne, Uranus et
Neptune) se sont ainsi entourés d'une énorme masse de gaz,
devenant de ce fait les 4 planètes géantes. Dans leur
voisinage, des corps glacés trop petits pour capturer et
retenir une atmosphère sont devenus des satellites de glace,
excepté les satellites les plus internes de Jupiter, comme Io
(purement ferro-silicatés)
silicatés) et Europe (corps ferro-silicaté
ferro
recouvert seulement d’une centaine de km d'eau), situés
dans les corps à densité>2.7 (cf. introduction Fig. 3,
première séquence
ence des densités). Peut-être
Peut
la masse
exceptionnelle de Jupiter a-t-elle
a
reproduit dans son
voisinage les conditions de hautes pressions et hautes
températures que l’on retrouve à proximité du soleil ? Ceci
expliquerait pourquoi les satellites les plus externes
ex
de
Jupiter sont des satellites de glace, comme Ganymède et
Callisto (séquence des densités moyennes). Peut-être
Peut
les
marées de Jupiter sur ses satellites proximaux (comme Io)
sont-elles
elles trop fortes, et dégagent-elles
dégagent
trop de chaleur pour
que de la glace y subsiste ? Ganymède et Callisto, peu
Fig. 15: schéma de formation des chondrites
- 39 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
chauffés, auraient gardé l'intégralité de leur glace ?
Au-delà de Neptune, la densité des agglomérats de
matière est semble-il toujours restée trop faible pour
permettre la constitution d’un objet de type planète gazeuse.
La ceinture d’Edgeworth-Kuiper serait le résultat de l’étape
de condensation froide de cette région, et ses corps les plus
gros résulteraient de cette agglomération protoplanétaire
« avortée ». Dans un tel schéma, Pluton et son satellite
Charon ne constituent que des avatars excentriques issus de
cette ceinture.
3 - Vers une contribution de plusieurs étoiles à
la chimie de notre Soleil ?
Ce modèle de condensation – accrétion suppose, au
moins en première approximation, que le gaz nébulaire
initial était homogène. Toutefois, en y regardant de très près,
R. N. Clayton, L. Grossman et T.K. Mayeda ont observé
en 1973 dans les CAIs de la chondrite carbonée Allende que
la diversité de composition chimique des chondrules des
chondrites est non négligeable. Leur analyse isotopique a
mis en évidence des hétérogénéités de composition :
1 - la composition isotopique en 50Ti des chondres de la
population des chondrites est hétérogène ; en
première hypothèse, cette variabilité pourrait refléter
un processus de fractionnement héliocentré très
précoce au sein de la nébuleuse pré-planétaire, et en
seconde hypothèse, elle pourrait refléter la contribution
de plusieurs étoiles différentes dans la constitution du
nuage de gaz protosolaire ; le choix reste ouvert.
2 - la répartition des rapports isotopiques 17O/16O et
18
O/16O est différente chez les chondrites de celle
que l’on trouve tant dans les océans que dans les
roches terrestres, comme le montre le diagramme de
variation des isotopes de l’oxygène, δ18O versus δ17O
(fig. 16, d’après Rubin 200019).
24/10/13
conservant la proportionnalité des masses atomiques des
isotopes (cf. § 2.C.2).
Par conséquent, on admet que si un processus
chimique a provoqué une modification du rapport initial
17
O/16O en l’accroissant par exemple de une unité
(δ17O/16O=1), il aura produit corrélativement une
augmentation du rapport 18O/16O de 2 unités (δ17O/16O=2),
car la différence de masse 18O-16O est deux fois plus grande
que celle de 17O-16O. La droite reliant des échantillons ayant
subi de tels processus dans figure 16 est donc logiquement
de pente ½, c’est le cas des matériaux du couple Terre Lune.
Conformément à cette hypothèse, la pente de la droite de
corrélation dans le diagramme de la figure 16 est de 0.52.
Or on constate aussi dans la figure 16 que les
rapports des minéraux des échantillons de chondrites20 ne se
distribuent pas sur cette droite, et en particulier que les CAIs
et les chondrites carbonées constituent une autre droite, de
pente 1, qui, dans notre hypothèse, ne peut être obtenue à
partir du même système initial par de simples réactions
chimiques. La droite de pente 1 fut alors interprétée comme
un mélange entre deux réservoirs, dont l’un avait la même
composition isotopique que l’oxygène du système solaire, et
l’autre correspondait à une composante de 16O pur (jusqu’à
5 p.100 en 16O pur dans certains minéraux des inclusions
réfractaires). Une origine extérieure au système solaire des
anomalies en 16O paraissait donc l’explication la plus
vraisemblable, et fut attribuée à des processus nucléaires de
combustion explosive dans une supernova. On pensait enfin
démontré que des phases minérales dans les inclusions
réfractaires des chondrites carbonées contenaient des
fractions qui n’avaient pas été homogénéisées avec
l’oxygène solaire.
Mais il n’en était rien. En 2005, la composition
isotopique de l'oxygène présent dans le Soleil était analysée
au CRPG de Nancy dans un fragment du sol lunaire prélevé
par Apollo 17 (en 1972), et le Soleil a une signature
isotopique de CAI…
Ce second point est complexe et nécessite un
développement. L’oxygène est l’élément condensé le plus
En premier lieu on peut affirmer avec G. J. Taylor
abondant du système solaire. Par conséquent les anomalies (2011) que les CAIs se sont donc bien formés au voisinage
isotopiques qu’il présente doivent révéler de phénomènes du Soleil, à l’intérieur de l’orbite actuelle de Mercure, dans
majeurs. Dans le diagramme de la figure 16,
où l’eau des océans est prise en référence (en Fig. 16 : a) Contenu isotopique des chondrites hérité d’un mélange de nébuleuses.
17
18
X, δ17O/16O=0 ; en Y δ18O/16O=0, cf. § ordonnées δ O (°/°°), abscisse δ O (°/°°) b) agrandissement du carré jaune
2.C.2), les roches terrestres, les météorites
achondrites plus les matériaux lunaires sont
tous distribués sur une même droite. Cela
suggère que tous ces objets sont hérités d’un
système qui fut initialement homogène, et
qu’aucune des modifications, réactions et
transformations qui ont pu se produire
ensuite n’ont été capable de modifier le
rapport 17O/16O indépendamment du rapport
18
O/16O. Cela est généralement admis
comme vrai car les réactions chimiques
respectent la conservation de la masse, et
donc tous les phénomènes chimiques que le
système solaire a connus en 4.57 Ga., s’ils
ont pu altérer ces 2 rapports isotopiques (e.g.
différentiation des roches terrestres), l’on sans doute fait en
20
Attention, le raisonnement est conduit ici sur les minéraux
des chondrites, et n’a donc rien de commun avec celui que
19
Adresse
web :
http://mon.univnous avons mené sur le rapport D/H de l’eau des chondrites
montp2.fr/claroline/backends/download.php?url=L01ldGVvcml0ZXMvR0xTVDIwM
carbonées hydratées (Chp2.A.1.a).
l9Qb2x5X01ldGVvcml0ZXNfMi5wZGY%3D&cidReset=true&cidReq=GLST202
- 40 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 17: hétérogénéité isotopique des chondrites héritée de la nucléosynthèse.
24/10/13
Chrome montrent que deux cas peuvent
alors se produire, (Fig. 17) :
1 - A gauche, les produits de la
nucléosynthèse de chaque étoile condensent
(clairs condensat étoile 1, sombre condensat
étoile 2) en espèces minérales différentes (à
gauche, carrés et triangles), et donc après
mélange des condensats chaque espèce
minérale de la chondrite (parent body)
possédera sa signature isotopique, c'est ce
que semble montrer 54 Cr;
2 - A droite, les produits de la
nucléosynthèse de chaque étoile condensent
en espèces minérales identiques, et donc, au
sein de chaque espèce minérale dans la
chondrite, il devrait exister des souspopulations qui posséderaient leur signature
isotopique?
la zone la plus chaude. On sait maintenant que chaque
inclusion de CAI présente un enrichissement particulier en
16
O et donc reflète des conditions particulières de
condensation. Dans cette région la quantité d’16O était plus
abondante qu’en périphérie du nuage et sans doute
graduellement décroissante. Les CAIs y auraient été
produits par une irradiation du CO provoquée par les UV
très durs du Soleil en phase T-Tauri, d’autant plus forte que
la condensation se produisait à proximité du Soleil. On
observe en effet au sein des nuages moléculaires
interstellaires que les UV sont capables de dissocier
préférentiellement le CO constitué avec de l’17O ou avec de
l’18O, plus que celui fabriqué avec de l’16O. La raison en est
que les UV susceptibles de dissocier le CO fait avec l’16O
sont en en fait incapables de traverser le nuage moléculaire.
Ainsi, les oxygènes 18O et 17O, séparés du C, sont libres de
se recombiner avec de l’hydrogène, fabriquant alors de la
glace enrichie en 17O et en 18O. On appelle ce processus
“self-shielding” car il crée un écran auto-protecteur du CO
constitué d’16O dans le disque en cours d’accrétion autour de
l’étoile, augmentant ainsi considérablement la fraction 16O
dans le CO par rapport à l’eau. On retrouverait alors cette
eau enrichie en isotopes lourd condensée plus tard dans les
matériaux planétaires.
On a pu en outre observer que certaines bordures de
CAIs présentent un rapport isotopique plus proche des
matériaux terrestre. Cela suggère que les CAIs ont dû quitter
rapidement leur région initiale de formation. Inversement,
certaines franges extrêmes de CAIs sont plus riches en 16O,
témoignant sans doute d’un retour vers le Soleil ?
Par ailleurs, en étudiant non plus la population des
chondrites mais les chondrites une à une, H.C. Conolly
(1995) a montré qu’au sein même de chaque chondrite
étudiée, le 54Cr semble présenter des hétérogénéités
isotopiques d'une espèce minérale à l'autre. Cet élément (du
groupe du fer réputé très stable) est formé par
nucléosynthèse dans les étoiles massives lorsque qu'elles
atteignent la fin de leur vie, Nova et en particulier
Wolf-Rayet. Comme pour chaque élément, chaque étoile
massive, où a lieu la nucléosynthèse du Chrome, est
caractérisée par un flux de neutrons qui lui est propre, et l'on
peut penser en corollaire qu'elle possède sa signature
isotopique, en fabriquant des isotopes riches en neutrons
d'un élément dans des proportions spécifiques; ceux du
À ce point, une remarque importante doit être faite.
Des expériences réalisées en 1983 simulant la haute
atmosphère avaient montré que dans la production
d’échantillons d’ozone par décharges électriques dans de
l’oxygène neutre, on obtient dans le diagramme δ17O/16O vs
δ18O/16O une droite de pente égale à 1. Dans le
fractionnement isotopique (chp2.C.2), nous n’avons pas
abordé l’effet de symétrie moléculaire sur le fractionnement
des molécules isotopiques. Or on a découvert que, dans
certains cas, le fractionnement de 18O/16O est égal à celui de
17
O/16O et non le double comme prévu par les différences de
masse. Pourquoi et comment ? Si le comment est encore
inconnu, il semble que le pourquoi réside dans la symétrie
des molécules impliquées. On observe ainsi actuellement
dans la fabrication de l’Ozone O3, dans la haute atmosphère
terrestre sous l’effet des UV courts venus du Soleil (cf.
Chp. 5.B.2.a, cycle de Chapman), qu’il n’y a de
fractionnement entre les deux molécules symétriques d’O3,
54
O3 = 18O18O18O et 48O3 = 16O16O16O, alors que la molécule
asymétrique 51O3=18O17O16Oest enrichie 200 fois. Un
fractionnement isotopique indépendant de la masse est
donc possible au cours d’une réaction, dans des conditions
particulières de champ électromagnétique élevé en tout cas.
Les anomalies isotopiques de l’oxygène ont pu être
produites dans la nébuleuse protosolaire par les
rayonnements des radionucléides à vie courte, par les rayons
ultraviolets, ou encore par les décharges électriques
ionisantes produites sous l’action de champs magnétiques
intenses. Une telle explication des anomalies isotopiques de
l’oxygène modifie radicalement le scénario d’une origine
extérieure au système solaire de la composante 16O. D’autres
expériences, sur d’autres isotopes, ont aussi conduit à des
hypothèses d’origines nucléosynthétiques situées dans la
nébuleuse protosolaire. Encore récemment, il a été
découvert du 10Be dans la météorite Allende. Les chercheurs
affirment que cet isotope radioactif du Béryllium n'a pu être
produit que par des collisions entre des noyaux d'hydrogène
ou d'hélium accélérés à de très hautes énergies, alors que le
Soleil encore très jeune émettait un rayonnement nucléaire
intense.
Certaines chondrites contiennent même des phases
ou des grains, dont l’âge apparaît «pré solaire», et qui
portent les signatures indubitables ( ?) de processus
nucléosynthétiques qui se sont produits dans divers types
- 41 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
d’étoiles. Ces phases ont-elles été formées dans
l'environnement de diverses étoiles avant la naissance du
soleil ? Quelques-unes de ces phases dites pré solaires sont
bien identifiées: diamant, carbure de silicium, graphite,
corindon (Al2O3). Faut-il conclure à la contribution des
plusieurs étoiles ? À des nucléosynthèses dans le nuage
protosolaire ? La suite reste à démontrer... En attendant, on
peut proposer le schéma de production des chondrites
suivant.
24/10/13
Fig. 19a : 2 types d’orbites des comètes.
4 - Schéma de production des chondrites
Au premier stade aurait eu lieu la production des
CAIs très tôt après l’ « allumage » du Soleil, dont les UV
courts ont balayé la périphérie, modifiant les rapports
isotopiques de l’oxygène des constituants les plus
réfractaires
Juste après ce stade apparaît la production des
chondres, silicatés, dans l’environnement encore très chaud
du Soleil et jusqu’à une distance limite… se situant aux
environs de la ceinture d’astéroïdes, en gros dans la zone des
planètes telluriques.
Des CAIs et chondres formés subissent dans un
second temps une dispersion vers la périphérie du système
(Fig. 18) sous la poussée du vent solaire très intense dans
cette période d’étoile jeune. Ainsi, on observe des silicates
jusque dans les objets les plus externes, les comètes que
nous verrons plus loin. A cette époque, le disque de
poussière continue son aplatissement et l’accrétion se
poursuit. En zone interne elle donnera des planètes
rocheuses dont le destin, passé une masse critique, était de
se différentier. Au niveau de la ceinture d’astéroïde et audelà les matériaux condensés à froid et restés froid ont
donné naissance aux chondrites, mix de matériaux chauds et
de matrice froide lorsque la taille des corps est restée petite,
et aux planètes gazeuse différentiées lorsque la masse
atteinte l’a permis.
E - Les comètes, second type d’objets
primitifs, encore plus froids
Fig. 18 : schéma de production des chondrites.
http://www.sciencemag.org/content/314/5806/1708/F1.expansion
Les premières images détaillées de comètes nous ont
été fournies par la sonde Giotto (Fig. 19a page suivante).
Les comètes sont sans doute les objets les plus primitifs
que nous puissions connaître. Depuis 4 Ga., elles constituent
la mémoire du système solaire.
1 - Des petites boules de neige sale
Lire MC - Planeto - cometes - Cisse & Padet.htm. Avec les
chondrites, les comètes constituent l’ensemble des corps
primitifs non différentiés connus du système solaire. Depuis
4.56 Ga., elles constituent la mémoire du système solaire.
On observe que ces petites boules de neige sale,
comme les appelait F. Whipple en 1950, se répartissent en 2
groupes selon leur orbite :
1. Les comètes à période courte, qui se subdivisent en 2
sous-groupes, i) un dont l’aphélie est proche de l’orbite
de Jupiter (e.g. Wild 2 et Tempel 1 dans la figure 19a)
et ii) l’autre dont l’aphélie est située dans la ceinture
d’Edgeworth-Kuiper (Halley dans la figure)
2. les comètes à période longue, qui viennent donc croiser
dans la région centrale du système solaire beaucoup
plus rarement, comme la comète de Hyakutake dans la
figure, dont l’aphélie se situe aux confins du système
solaire, entre 30 000 et 150 000 unités astronomiques
(UA = distance Terre-Soleil). Ces
dernières proviendraient du nuage de Oort.
Rappelons
que
la
Ceinture
d’Edgeworth-Kuiper et le Nuage de Oort
ne se situent pas du tout à la même
distance du soleil, et que ces deux
domaines ne présentent pas non plus la
même géométrie (Fig. 19b).
1. La ceinture d’Edgeworth-Kuiper est
un anneau transneptunien (au-delà de
Neptune) qui prolonge le plan équatorial
du système solaire. Elle s’étend de 30 à 55
UA. Elle est constituée de blocs et de
planètésimaux
englacés,
dont
la
composition est essentiellement de
méthane (CH4), d'ammoniac(NH3) et d’eau
(H20). Ils se sont formés durant la même
période protosolaire que les autres objets
cométaires ou météoritiques. On recense
actuellement 70 000 corps de plus de 100
km, dont quelques-uns sont reconnus
http://www.psrd.hawaii.edu/June11/traveling_CAI.html
- 42 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 19b : représentation du système solaire à l’échelle
du nuage de Oort.
http://www.astro-rennes.com/planetes/kuiper_oort.php
comme des planètes naines au même titre que Pluton,
dont l’orbite elliptique s’enracine dans la ceinture
de Kuiper.
2. Le nuage de Oort constitue une coquille sphérique
autour du système solaire. Sa limite extérieure se
situerait au ¼ de la distance de notre voisine la plus
proche, Alpha du Centaure. Le disque entre les deux
domaines est peuplé, en faible densité, d’objets dits
« Epars ». De même que la ceinture d ’EdgeworthKuiper, le nuage de Oort serait rempli d’objets dont on
pense qu’ils se seraient formés très tôt dans l’histoire
du système solaire, pour l’essentiel des glaces et au
moins un objet rocheux reconnu.
Les comètes n’ont pas subi les épisodes chauds
qu’ont pu subir les chondrites. Ce sont sans doute les objets
les plus primitifs que nous puissions connaître. On a
longtemps pensé que les comètes, avaient été fabriquées aux
confins du système solaire lors de la phase d’accrétion à
froid de la nébuleuse, à une distance d’environ une annéelumière, dans la ceinture d’Edgeworth-Kuiper et qu’elles
avaient pu être ensuite dispersées sous l’effet de
perturbations gravifiques en un nuage, le nuage de Oort.
On pense de nos jours que le nuage de Oort aurait
précédé la ceinture d’Edgeworth-Kuiper. L’ensemble serait
constitué d’objets formés dans la zone d’influence du Soleil
en formation, c'est-à-dire relativement proche de l’étoile.
Les comètes auraient ainsi été formées au voisinage des
planètes joviennes (paragraphe fractionnement des éléments
et des corps), puis ensuite elles auraient été éjectées vers la
périphérie du système solaire « au gré des rencontres »
gravitationnelles (relire la note infrapaginale sur le rôle des
deux planètes géantes, Jupiter et Saturne), tant dans le plan
de condensation du nuage (ceinture d’Edgeworth-Kuiper),
qu’à l’extérieur du plan (nuage de Oort). Ce sont ainsi des
milliards de petits morceaux de la nébuleuse primitive qui
tournent ainsi autour du soleil21. A cette distance du Soleil,
24/10/13
l'environnement est si froid (quelques degrés K) qu'il a
permis aux comètes de conserver leurs éléments volatils
depuis leur création. En outre, la taille des comètes qui ont
été observées lors de leur passage au voisinage du Soleil ne
dépasse pas quelques hectomètres à quelques kilomètres, ce
qui garantit aussi qu’elles n’ont pas subi de réchauffement
important lors de la phase d’accrétion.
A la suite de perturbations du champ de gravité
solaire, probablement provoquées par la proximité d'autres
étoiles, les comètes décrochent de leur nuage pour une
orbite très excentrique qui les fait passer très près du Soleil.
La Terre est, semble-t-il, largement protégée de leurs
impacts par les planètes géantes qui créent une perturbation
gravitaire suffisante pour détourner nombre de projectiles,
comme ceux de juillet 94 sur Jupiter. A chaque révolution,
elles subissent un réchauffement, et une fraction de la glace
cométaire est sublimée au voisinage du Soleil. La
composition des comètes commence à peine à être connue,
grâce en particulier à la spectrométrie UV tout d’abord puis
IR dans les années 80. Notre atmosphère est largement
opaque dans ces longueurs d’ondes et il a fallu mettre au
point des méthodes embarquées par les sondes spatiales. La
radioastronomie au sol vient compléter cet attirail. Leur
connaissance n'a donc largement progressé que durant les
toutes dernières décennies, tout particulièrement depuis le
passage de la comète de Halley en 1986
2 - La chevelure des comètes
Le dégazage commence à une distance du Soleil
(ou température) variable, entre 5 et 15 UA, probablement
en fonction de la composition de la glace de la comète. La
Comète (environ 600 Km3 pour la comète de Halley)
s’entoure
alors
d’une
atmosphère très ténue,
Fig. 20a : comète Hale-Bopp.
constituée de molécules
appelées mères (tableau 8)
que la très faible gravité de
l’objet ne pourra retenir.
C'est cette atmosphère qui
est à l’origine de ce que
nous appelons la queue de
la comète. Cette chevelure
est en fait double.
La partie brillante
est constituée de grains de
Fig. 20b : Comète de Halley, composition de l’atmosphère.
21
Dans la ceinture de Kuiper il existe aussi quelques corps
de plusieurs centaines de km ( e. g. astéroïde 2001 KX76,
1270 km ; 2002 LM60 "Quaoar", environ 1000 km) qui
paraissent très semblables aux gros astéroïdes de la ceinture
entre Mars et Jupiter (comme Cérès par exemple). Ont-ils
subi une élévation non négligeable de la température ?
- 43 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
poussières (silicates plus métaux) qui, entraînés avec la
sublimation, réfléchissent la lumière. Cette première partie
de la queue est fortement arquée par le flux de photons
(pression de radiation Fig. 20a).
La seconde partie est constituée d’ions provenant
de la dissociation et de l’ionisation par les UV de molécules
de l’atmosphère de la comète. Elle est moins arquée, par les
particules chargées du vent solaire, et constituée de
molécules
dites
filles
Tableau 8: Abondances des
(Fig. 20b). On y a
molécules mères dans les
reconnu
en
comètes recensées
premier lieu H et OH, mais
Molécules
Abondances
aussi nombre de
100
2-20
3
0.03-4
1-8
<0.2
<1?
0.1-1
~0.1
0.02-0.2
~0.2
0.1
<0.3
<0.001
0.05
H2O
CO
CO2
H2CO
CH3OH
HCOOH
CH4
NH3
HCN
N2
H2S
CS2
OCS
S02
S2
composés
carbonés et azotés, tels que
CN, CH, CO, CH3O. Tous
proviennent
de
la
dissociation de molécules
plus
complexes
dont
quelques-unes seulement
ont aussi été observées.
Outre H2O, citons les
molécules HCN (acide
cyanhydrique),
CH3OH
(méthanol),
H2CO
(formaldéhyde), auxquelles
vient s’ajouter H2S. Des raies caractéristiques de C2 et de C3
laissent à penser que des cycles aromatiques devraient aussi
être présents dans la glace, avec C2H6O2 (éthylène-glycol)
déjà identifié dans la comète Hale-Bopp.
24/10/13
vérifier ces dires en analysant le contenu isotopique de cette
eau et en le comparant à celui de l’eau de notre océan. Le
rapport D/H (deutérium/hydrogène) des 3 comètes étudiées
est dix fois plus élevé que dans le système solaire en
général, et il est deux fois plus fort que dans l’eau terrestre.
Est-ce à dire que l’eau terrestre n’est pas d’origine
cométaire ? Pas certain, car les trois comètes étudiées sont à
période longue, donc à trajectoire très elliptique et, comme
le dit J. Crovisier de l’observatoire de Paris, dont l’essentiel
de l’histoire se passe à grande distance du Soleil. Or, la
probabilité pour un objet de heurter la Terre (et donc pour
une comète de contribuer à sa teneur en eau) est d’autant
plus faible que son orbite est externe. Pour l’heure, on
ignore tout du rapport D/H des comètes à courte période, qui
ont donc une histoire différente marquée par leur vie plus
interne dans notre système et qui ont sans doute été plus
nombreuses à venir percuter la Terre…
4 - Les météorites ultracarbonées (UCAMM)
Il existe parmi les micrométéorites une famille
particulièrement rare dénommée « ultracarbonaceous
micrometeorites » (UCAMM).
Leur composition ressemble à celle des chondrites
carbonées dans la mesure où elles sont un assemblage de
minéraux (olivine, pyroxènes) et de matière organique. Mais
cette matière organique, très abondante, à la particularité
d’être très riche en azote et en deutérium (pics azotés dans la
figure 21). Or les cosmologistes considèrent ces deux
paramètres comme hérités, non de l’influence solaire qui on
l’a vu marque les chondrites (en particulier les CAIs et les
chondres), mais hérités à la fois des très basses températures
qui règnent aux confins du système solaire et à l’action du
rayonnement cosmique galactique, dont l’influence peut
devenir prépondérante avec l’éloignement.
Les comètes apparaissent donc constituées de 80%
de grains minéraux, entourés de glace (20%) riche en
composés organiques. L’origine de ces composés
organiques reste à trouver. Sont-ils contemporains de
Selon E. Dartois et al (2013) de l’Institut
l’épisode d’accrétion? Du nuage interstellaire antérieur? Ces
fossiles vivants, témoins de nos origines peuvent avoir eu d'astrophysique spatiale, les UCAMM doivent être
une importance considérable dans la constitution des
Fig. 21 : Images MEB et spectres IR de 2 fragments d UCAMM.
atmosphères planétaires.
On a en effet de bonnes raisons de penser
(cf. Chp. 4.D, « Naissance tourmentée de la Terre »)
que le bombardement météoritique et cométaire ne
s’est pas arrêté brutalement avec la phase de
refroidissement du système solaire, mais que cette
accrétion terminale postérieure à la phase T-Tauri a
apporté aux planètes déjà formées et différenciées,
une sorte de vernis de matériaux précoces et froids,
dont de l’eau et du carbone. Le rôle des météorites
carbonées hydratées de type Murchison pourraient
avoir joué un rôle clef, et peut-être que la vie sur
Terre n’aurait pas eu lieu sans cet apport en
composés organiques.
3 - Les comètes et l’eau terrestre
Lire Q - Planeto - L'origine de l'eau sur Terre En raison de ce bombardement tardif,
on a longtemps argumenté aussi l’abondance de
l’eau terrestre par cet épisode que la planète a
subi durant son premier Ga. et nombreux sont
ceux qui s’accordent à penser que l’océan terrestre
doit quelque chose à cet épisode « tardif »,
Gagnot.htm.
Avec l’étude des comètes lors de leur passage
dans le voisinage du Soleil, il devient possible de
Ces particules montrent un spectre comparable à celui d’un nitrure de
carbone hydrogéné polyaromatique et, dans le cas de DC060594, ceux
de la forstérite (olivine) et de l’enstatite (pyroxène) vers 1000 cm-1 .
Pour comparaison, les courbes (A) à (E) sont celles de différents
produits de synthèse de matière organique contenant de fortes teneurs
en azote (10 % à 30 %).
http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/astronomie/d/on-a-peut-etre-decouvert-des-
- 44 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
considérées comme transneptuniennes, provenant au
minimum de la ceinture d’Edgeworth-Kuiper et plus
probablement du nuage de Oort, car elles diffèrent aussi des
24/10/13
poussières de la Comète Wild 2 échantillonnées par la
mission Stardust en 2006, et semblent très marquée par leur
vie passée sous influence galactique plus que solaire.
Sites WEB consultés
http://www.nirgal.net/crater.html
http://www.meteorcrater.com/
http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap960604.html
http://www.obs.u-bordeaux1.fr/
http://www.cfa.harvard.edu/
http://www2.cndp.fr/archivage/valid/10860/10860-2374-2498.pdf
http://www.caltech.edu/
http://ssd.jpl.nasa.gov/images/ast_histo.ps
http://www.agab.be/discussions/Chondre_BO_site-2.html
http://www.image-contrails.de/overview.html
http://miac.uqac.ca/MIAC/chicxulub.htm
http://palaeo.gly.bris.ac.uk/Communication/Lee/main.html
http://www.unb.ca/passc/ImpactDatabase/images.html
http://www.nirgal.net/main.html
http://perso.wanadoo.fr/pgj/meteorit.htm
http://www.sat-net.com/spnews/planetarium/meteorites_class.html
http://hubblesite.org
http://www.obspm.fr/
http://eleves.mines.u-nancy.fr/~astro/TIPE.doc.
http://www.gps.caltech.edu/~gurnis/Movies/movies-more.html
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/astro/astfus.html#c2
http://zebu.uoregon.edu/~js/ast223/lectures/lec21.html
http://denali.gsfc.nasa.gov/research/earth_grav/earth_grav_med.jpg
http://www.astro-rennes.com/planetes/kuiper_oort.php
http://www.sciencemag.org/content/314/5806/1708/F1.expansion
http://www.psrd.hawaii.edu/June11/traveling_CAI.html
http://enc.tfode.com/Mesosiderite
http://www4.nau.edu/meteorite/Meteorite/Book-Chondrules.html
http://astrobob.areavoices.com/2012/04/26/meteorite-hunters-scour-hills-near-sutters-mill-site-of-the-california-gold-rush/
http://bibliotheque.clermont-universite.fr/sites/files/portail/documents/mercrediscience/Devouard1.pdf
http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/as.tronomie/d/on-a-peut-etre-decouvert-des-micrometeorites-du-nuage-doort_45807
http://sismalp.obs.ujf-grenoble.fr/sismalp.html
http://www.csr.utexas.edu/grace/gravity/
http://www.csr.utexas.edu/grace/publications/press/03-07-24-space.com.pdf
http://www.ngdc.noaa.gov/geomag/
http://www.seismo.unr.edu/
http://www.newgeology.us/presentation35.html
http://www1.gly.bris.ac.uk/~george/gjift96/gjift96.html#figs
https://www.fas.org/irp/imint/docs/rst/Front/tofc.html
http://www.psrd.hawaii.edu/June11/traveling_CAI.html
https://www.fas.org/irp/imint/docs/rst/Sect18/Sect18_4.html
https://www.fas.org/irp/imint/docs/rst/Sect18/Sect18_5.html
https://www.fas.org/irp/imint/docs/rst/Sect18/Sect18_3.html
https://www.fas.org/irp/imint/docs/rst/Sect18/Sect18_2.html
https://www.fas.org/irp/imint/docs/rst/Sect18/Sect18_1.html
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103513001103 =
1-s2.0-S0019103513001103-main.pdf UltraCarbonaceous Antarctic
micrometeorites, probing the Solar System beyond the nitrogen snow-line Meteorites-cut.ppt
http://mon.univmontp2.fr/claroline/backends/download.php?url=L01ldGVvcml0ZXMvR0xTVDIwMl9Qb2x5X01ldGVvcml0ZXNfMi5wZGY%3D&cidRe
set=true&cidReq =GLST202 LES ISOTOPES DE L'OXYGENES
http://www.lpi.usra.edu/publications/books/CB-954/chapter3.pdf = Formation of impact craters
http://sciences.blogs.liberation.fr/home/files/Cazenave_et_al_GPC_2008.pdf = Sea level budget over 2003 – 2008: A reevaluation from GRACE space
gravimetry, satellite altimetry and Argo
http://findfreemediaservices.com/downloading/Astro_Meteorites_Impacts_2nd_Sem.pdf.html?wm=137&sub=1127&u=IWw2ml8iUdqdXdgNppDn6laSxb9
kxpvD8LUCmP7X_VCE
http://ipag.osug.fr/~beckp/Research/Teaching_files/Mineralogie_Chondrites.pdf
http://www-sop.inria.fr/apics/sbpi/Master1_modes.pdf = Free oscillations of the earth
http://nssdc.gsc.nasa.gov/planetary/comet.html
- 45 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Quelques idées fortes
Quelques idées fortes :
La seule réaction nucléaire qui existe dans le Soleil est la fusion de l’hydrogène en Hélium
Tous les autres éléments présents sont hérités de nucléosynthèses préalables, (Géantes rouges, Nova ou Wolf-Rayet)
L’élément le plus stable est le fer
On appelle différenciation n’importe quel processus capable de transformer un système homogène
en un ensemble d’objets physiquement et chimiquement distincts.
Le fer et le silicium étant parmi les éléments les plus abondants dans l’univers, la différenciation des planètes est bipolaire :
noyau Ferreux
manteau Silicaté
Les éléments chimiques se regroupent, en fonction de leurs affinités, et en fonction des structures minérales présentes :
Sidérophiles : affinité avec le fer et les alliages, dans le noyau planétaire ; réfractaires ou volatils
lithophiles : aucune affinité pour le fer et les alliages, dans les silicates (manteau, croûtes) ; réfractaires ou volatils:
chalcophiles et atmophiles sont tous très volatils.
La condensation du gaz nébulaire induite par son effondrement conduit à la différentiation du système solaire en deux domaines :
Le domaine interne, champ du fer et des silicates, qui évolue vers les planètes rocheuses
Le domaine externe, champ des glaces, qui évolue vers les planètes gazeuses
La Ceinture d’astéroïdes entre Mars et Jupiter se situe à la frontière des deux domaines
La ceinture d’Edgeworth-Kuiper est un anneau 30-55 UA de blocs de glaces, prolongement transneptunien du disque solaire
Le Nuage de Oort est une coquille sphérique de blocs de glace, de rayon ¼ de la distance de à Alpha du Centaure
Les planètes satellites et astéroïdes se sont généralement différenciés :
internes ils sont différenciés à chaud en noyau ferreux, manteau (et éventuellement croûte) silicaté
externes, restés froids ils sont différenciés en un noyau rocheux et des enveloppes de glace
Les comètes proviennent des confins du système solaire, les météorites sont originaires de la ceinture d’astéroïdes :
Les comètes sont des corps fabriqués par accrétion froide dans le nuage proto-solaire ; elles n’ont pas pu évoluer depuis lors.
Les météorites constituent 2 groupes majeurs de nature distincte et d’origine différente, les chondrites et les achondrites.
Les chondrites sont des météorites indifférenciées (nées avant / pendant la différenciation du gaz proto-solaire en planètes)
Elles sont constituées d’un assemblage de chondres et de CAIs noyés dans une matrice
CAIs = Calcium-Aluminum rich Inclusions, hautement réfractaires >1700K
chondres = microbilles constituées de réfractaires condensés à chauds >1400K,
matrice = condensat froid riche en volatils, matériaux hydratés condensés à température <500K et glaces <300K
La composition chimique des chondrites est :
identique à celle de la chromosphère du Soleil,
semblable à celle du manteau terrestre ajouté au noyau (sauf en volatils).
Les chondrites ont grosso modo l’âge du système solaire, 4.56 Ga , comme les comètes :
l’âge des CAIs, 4.567 Ga (+- 1Ma) est légèrement supérieur à celui des chondres, 4.564 Ga (+- 1Ma).
Les chondrites ont probablement conservé la trace des évènements pré-solaire et proto-solaires
Les micrométéorites ultracarbonnées (UCAMM) sont des sortes de chondrites provenant du nuage de Oort et non de la ceinture
d’astéroïdes.
Elle portent la marque du rayonnement galactique (dont l’essentiel du système solaire est protégé par le vent solaire.
Les achondrites sont des météorites différenciées (nées après / pendant la différentiation de planètes, planètésimaux ou satellites)
Les météorites différenciées sont de trois types :
sidérites = morceaux de noyaux ferreux de corps planétaires différenciés
aérolithes = morceaux de manteau ou de croûte provenant de corps planétaires différenciés
sidérolithes = morceaux du domaine limite entre le manteau et le noyau de ces corps
Les achondrites sont plus jeunes, jusqu’à 3.8 Ga environ (fin de l’époque d’accrétion des planètésimaux)
Les planètes et planètésimaux sont de résultat d’une histoire en deux temps majeurs :
i)
l’accrétion de chondrites ;
ii)
une différentiation provoquée par la masse et la chaleur accumulées.
Les corps de petite taille proches du Soleil ont perdu l’essentiel de leurs volatils = planètes telluriques.
Les corps de grande taille et éloignés du soleil = planètes joviennes essentiellement gazeuses.
- 46 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Sabin-Corneliu Buraga
« Streams of energy »
24/10/13
CHAPITRE 3
. La Terre vue par la géophysique
On en déduit:
Trois outils fondamentaux permettent d'imaginer
l'intérieur de notre globe:
1 - un fil à plomb plus un poids suspendu à un ressort,
dans le champ de gravité;
2 - un stylet et un cylindre à l'écoute d'une planète qui
s'ébroue;
3 - une aiguille libre et aimantée boussole dans le champ
magnétique.
A - Gravimétrie et Géodésie
Voir cours-2012-2013-gravimetrie.ppsx La gravimétrie, en
déterminant la direction et l'intensité de la pesanteur,
résultante
tante des accélérations appliquées à un corps au
repos dans le référentiel Terrestre, permet d'une part de
repérer des variations de densité (souvent utile dans la
recherche minière),
), et d'autre part de définir précisément
les formes de la Terre (Géodésie).
On sait depuis 1687 avec Philosophiae
Philoso
Naturalis
Principia Mathematica de I. Newton que lorsque les
pommes de masse m tombent, la force F qui les attire vers la
Terre de masse M peut être décrite sous la forme
F = G m M / r2
1 - Cavendish a mesuré la constante
con
G, en
1798 à Paris.
Son dispositif expérimental (Fig. 1) comprenait deux
petites masses égales, suspendues en équilibre au bout d'un
fil non torsadé. En approchant symétriquement les 2 masses
M, Henry Cavendish provoque le rapprochement des
masses m: connaissant la distance entre les masses m et M,
la force mise en jeu (celle qu'il faut appliquer au dispositif,
hors de la présence des masses M, pour obtenir le même
déplacement des masses m) Cavendish déduisit la valeur de
G= 6.67 10-11 SI (N.Kg-2.m2).
Dès lors, la masse de la Terre M devient accessible,
en mesurant l'accélération de la pesanteur, g. La mesure de
g, effectuée sous vide par le bureau national des poids et
mesures (chute d'un miroir interférométrique sous lumière
monochromatique) donnee la valeur de 9.801 m.s-2. Dans le
cas des pommes, puisque la masse d'un corps peut être
considérée comme ponctuelle et rapportée au centre de
gravité du corps, on admettra que la distance entre les deux
masses est très peu différente du rayon terrestre (r).
L'accélération g subie par les pommes de masse m serait
donc, avec mg = G.m.M/r2, de la forme
g= G M / r2 (si la Terre ne tournait pas!).
M=g.r2/G. = 5.976 1024Kg
Connaissant le volume de la terre on en déduit alors
une masse volumique moyenne
yenne pour la Terre de 5.517
kg.dm3.
Or AUCUNE roche ordinaire échantillonnée à la
surface du globe ne possède un poids volumique dépassant
3.3 kg.dm3 et la moyenne est de 2.7 kg.dm3. Le globe
terrestre est donc constitué de 2 couches au moins, et les
l
masses
sses volumiques de ces enveloppes sont très
différentes.
Nombre d'observations directes ou indirectes
suggèrent que la Terre est constituée de deux couches, un
noyau dense et un manteau:
1 - la nature des météorites différenciées, soit ferreuses
soit silicatées,
es, qui suggère que la séparation (partielle)
du fer soit un phénomène courant dans les objets
rocheux solaires;
2 - la structure sismique de la Terre met en évidence un
saut de densité majeur et un seul, à 2900 km de
profondeur (voir § modèle PREM discontinuité
discontinui de
Gutenberg);
3 - la concentration en fer du manteau, faible par rapport à
celle des météorites indifférenciées, qui suggère une
redistribution du fer dans la Terre au profit du noyau
dense
On peut évaluer sommairement les densités et les
rayons respectifs
fs du noyau dense et du manteau silicaté en
se basant sur trois contraintes:
1 - la masse de la Terre et son rayon RTerre, donc son
poids volumique moyen, ρ moy= 5.517 ;
2 - la différence entre le moment d'inertie réel du globe
terrestre (= 0.33.MR2) et celui d'un
d'u globe homogène
(0.4 MR2 ) ;
Fig. 1: Expérience de Cavendish.
Cavendish
- 47 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 2 : x= Rnoyau/RTerre vs. y = ρnoyau/ρ
ρmanteau
3 - le poids volumique du manteau, qui est au minimum
celui des roches connues du manteau supérieur,
ρmanteau =3.3 kg.dm3; le poids volumique du noyau
ρnoyau, est inconnu.
On écrit alors la relation liant les poids volumiques
de la Terre, telle que :
ρmoy = ρmanteau+ (ρ
ρnoyau-ρ
ρmanteau)(Rnoyau/RTerre)3
et celle liant les moments réel et théorique,
0.331ρ
ρmoy
=
0.4[ρ
ρmanteau+
(ρ
ρnoyauρmanteau)(Rnoyau/RTerre)5]
on en tire une relation entre le rapport des poids
volumiques ρnoyau / ρmanteau et le rapport des rayons RR =
Rnoyau/RTerre
telle que:
ρmanteau+ (ρ
ρnoyau-ρ
ρmanteau)(Rnoyau/RTerre)3
= 0.4/0.331 [ρ
ρmanteau+ (ρ
ρnoyau-ρ
ρmanteau)(Rnoyau/RTerre)5]
avec ∆ρ =(ρ
ρnoyau - ρmanteau)
et RR = Rnoyau/RTerre
on a:
ρmanteau + ∆ρ.RR3 = 1.21 ρmanteau+ 1.21D
1.21 ρ.RR5
∆ρ = 0.21 ρmanteau /(RR3-1.21RR5)
ρnoyau-ρ
ρmanteau = 0.21 ρmanteau /(RR3-1.21RR5)
et
ρnoyau / ρmanteau = 1+ 0.21/(RR3-1.21
1.21RR5)
Le diagramme joint (Fig. 2) montre que ρnoyau / est au
moins égal à 2.5ρmanteau. Pour un noyau situé à 2900 km
(RR=0.55) et pour une densité moyenne du manteau de 4.1,
le poids volumique calculé pour le noyau, de l'ordre de 12.2,
est tout à fait compatible avec une nature ferreuse.
2 - La mesure de la pesanteur
Lire MC - Planeto - Difference gravite-pesanteur
gravite
Le Bellour.htm. La pesanteur au point P considéré,
appliquée à une masse unité m, est définie comme la
résultante des accélérations appliquées à m, corps au repos
dans le référentiel Terrestre. Cette pesanteur peut
pe être
représentée en tout point autour de P par un ensemble de
vecteurs g→, définis en sens direction et intensité, ensemble
que l'on appelle champ de gravité (lire MC - Planeto - Champ
24/10/13
Fig. 3 : Pesanteur terrestre.
1 - la gravité terrestre (Fg=mg)
avec g= G.M/r2 ≈ 980 gal;
le gal équivaut à 10-2m.s-2
2 - la force centrifuge (Fc = m.ω
m.ω2r ≈ m.ω
ω2R.cosφ
φ );
3 - l'attraction du reste de l'univers non figurée ici (< 1
mgal), qui exerce des forces de marées (de l'ordre de
20cm pour les marées terrestres) souvent négligées.
Les conséquences en sont :
1 - le fil à plomb (g) ne passe pas par le centre de la
Terre, sauf aux pôles;
2 - l'intensité du champ de g varie avec la latitude.
Une Terre qui tourne, si elle se comporte comme un
fluide, peut être considérée comme un ellipsoïde de
révolution. Les mesures
Fig 4: Applatissement polaire.
de méridiens (Fig. 4),
effectuées au XVIII° au
pôle et à l'équateur,
aboutirent à une valeur
estimée de 1/280 à
1/266.
La
valeur
adoptée vers 1950,
avant le 1° Spoutnik,
était de 1/297 (Harold
Jeffreys).
Avec Spoutnik-2 King-Hele
Hele révise sa valeur en 1957
(1/298), valeur très proche de la valeur
valeu admise de nos jours,
1/298.25
En outre, deux paramètres locaux viennent encore
perturber la pesanteur, l’altitude au point considéré et la
topographie autour de ce point:
1 - l'altitude, accroît la distance au centre de la Terre, et
donc augmente Fc et diminue Fg
2 - La topographie, en introduisant des excès ou des
déficits dans les masses environnantes, modifie la
direction et l'intensité de la pesanteur. (Fig. 5).
Fig. 5: Effet topographique,
topographique
Cgm centre de gravité de la masse montagneuse
gravitationnel - Sautier.htm ; Q - Planeto - Comment mesure t on la
pesanteur - Le Bellour.htm).
La pesanteur est composée de 3 termes (Fig. 3):
- 48 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
On comprend donc dès lors, que pour être
intelligible, toute mesure du champ de pesanteur doit être
rapportée à une surface de référence. On utilise
internationalement l'ellipsoïde de référence nommé
«ellipsoïde de Hayford» dont l'aplatissement est de
1/298.25.
24/10/13
Fig. 6 : Corrections des mesures de pesanteur.
Il faut ensuite corriger la valeur mesurée en chaque
point (Fig. 6).
Il faut donc corriger la valeur mesurée en chaque
point (Fig. 6) la valeur g0 eq = 978.033 gals de la pesanteur à
l'équateur:
1 - par une correction de latitude qui tient compte de la
force centrifuge, soit (parenthèse est nulle à
l'équateur)
g0 th = 978.033 +(1 +0.005.sin2φ-0.000006 sin2.2φ
φ)
qui nous donne la valeur théorique de la
pesanteur à la latitude φ du point de mesure p.
2 - on introduit une correction dite “ à l'air libre ” ou
de Faye ou correction d'altitude, faite en supposant
qu'il n'y a que de l'air entre le point de mesure p et le
géoïde (Fig. 6); Elle est égale à (δg/δz) h avec un
gradient vertical de gravité (δg/δz) = 0.309 mgal m-1
et h l'altitude au-dessus de l'ellipsoïde. on appelle
anomalie à l'air libre (FA) la différence entre la
valeur mesurée gmes corrigée de l'altitude au-dessus
de l'ellipsoïde et la valeur théorique en ce point de
l'ellipsoïde :
FA = [gp mes + (δg/δz) h] – g0 th.
Elle ne dépasse pas 100 mgal en valeur
absolue, et met en évidence un déficit de masse au
droit des fosses océaniques et inversement un
excédent au droit des chaînes de montagne, avec un
couple négatif positif très net au niveau des zones de
subduction (Fig. 9b).
3 - on opère enfin les 2 corrections de Bouguer,
a) la correction dite “ de plateau ”, qui prend en
compte l'attraction des masses comprises entre le
point considéré et le géoïde de façon homogène, et
b) la correction dite “ topographique ” qui tient
compte de la répartition des reliefs.
On appelle finalement anomalie de Bouguer, l'écart
entre la pesanteur théorique calculée au point considéré sur
l'ellipsoïde de référence, et la pesanteur mesurée et corrigée.
3 - Isostasie : comportement hydrostatique de
la lithosphère
Lire MC - Tectonique - Isostasie - Grizard LeBellour Martin &
Mayembo.htm. L’écart entre la pesanteur théorique calculée et
la pesanteur mesurée et corrigée peut être fort, de l'ordre de 300 à + 300 mgal. Il est négatif au droit des chaînes de
montagnes et positif au droit des océans. Tout se passe donc
Fig. 7: Les modèles d'isostasie.
comme si le calcul de la réduction de Bouguer était
largement inutile et que l'excès de masse que crée le relief
montagneux au-dessus du géoïde était déjà quasi compensé
(avant toute correction) en dessous de la surface de
référence choisie, la correction introduisant alors un
«déficit» apparent de masse. Cette anomalie<0 résulte donc
largement du calcul de correction lui-même et le poids d'une
colonne de terrain apparaît finalement constant d'une
verticale à l'autre. Il s'opère donc, d'une verticale à l'autre,
une compensation de type hydrostatique, appelée
isostasie.
Plusieurs modèles ont vu le jour (Fig. 7). Tous
admettent que la croûte, rigide et moins dense que le
manteau fluide, flotte sur celui-ci (Archimède). L'équilibre
des poids des différentes colonnes de terrain est donc
parfaitement réalisé au-delà d'une certaine profondeur, dite
de compensation. Le modèle de Pratt, à la fin du siècle
dernier, mettait en jeu des colonnes de terrain de densités
différentes, donc d'épaisseurs différentes. Celui de Airy,
quelques années plus tard, mettait en jeu des colonnes de
même densité discrétisant une couche homogène. Enfin, le
modèle de Vening Meinesz, datant du milieu du XX°,
s'appuie sur le fait que la réponse élastique de la croûte est
d'une amplitude beaucoup plus importante que la dimension
des reliefs qu'elle porte. Autrement dit, la compensation
isostatique d'un relief est régionale.
L'influence des racines peut être exprimée par une
nouvelle correction, dite “ isostatique ”. Toutefois,
l'existence d'anomalies résiduelles montre que l'équilibre
n'est pas réalisé partout. La cause en est la viscosité très
élevée du manteau qui implique un temps de réponse
important à toute modification de l'équilibre. Ainsi, le
bouclier Baltique remonte encore de nos jours alors qu'il est
allégé depuis 10 000 ans environ du poids des glaces qui le
couvraient.
Le premier enseignement essentiel de la
gravimétrie est donc la confirmation de la plasticité de la
Terre, grâce à son manteau viscoélastique, malgré sa
croûte élastique (rigide).
On appelle géoïde la surface équipotentielle de
pesanteur coïncidant avec le niveau moyen des mers,
prolongée à travers les continents. Si la Terre était ellipso
concentrique pour toutes ses propriétés, le géoïde serait un
Fig. 8 : Effet des reliefs sous marins sur la déviation de la
pesanteur et le niveau des mers (géoïde)
- 49 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 9a: Altimétrie satellitaire.
Lire MC - Ocean - Altimétrie satellitaire - Grizard.htm
24/10/13
Fig.9b: Carte des anomalies de la gravité , Grace 2003.
Echelle en mgals
Chaîne continentale
Arc - Fosse
ride océanique
ellipsoïde, et les isothermes seraient des ellipsoïdes
«conformes» au géoïde.
En fait, la Terre n'est ellipso concentrique qu'en toute
première approximation. Aux effets topographiques des
fonds océaniques (Fig. 8) et de la surface continentale qui
introduisent des ondulations du géoïde à l'échelle de
quelques dizaines à centaines de Km, viennent s'ajouter des
ondulations de l'ordre du millier de Km reflétant des
hétérogénéités lithosphériques, et des ondulations à l'échelle
de plusieurs milliers de Km, dues à la circulation convective
dans le manteau. Ces ondulations du géoïde sont calculées
en comparant la valeur théorique de la pesanteur sur
l'ellipsoïde et la valeur mesurée rapportée à l'ellipsoïde.
4 - Géodésie satellitaire
Les satellites artificiels ont été utilisés de 2 façons: en
mode passif, le satellite servit tout d'abord de réflecteur, la
télémétrie laser apportant dans les années 60 une précision
de la mesure de la position instantanée du satellite de l'ordre
du mètre; en géodésie dynamique, l'objectif est de
déterminer le mouvement du satellite par comparaison des
données de poursuite avec la trajectoire théorique, modèle
calculé à partir des équations de la mécanique Newtonienne.
Les données accessibles sont de 3 types:
1 - mesures de distance (télémétrie laser, Fig. 9a)
2 - mesures de vitesse (effet Doppler)
3 - mesures angulaires (photographies sur fond d'étoiles)
La modélisation de la trajectoire nécessite de
Fig. 10: le géoïde terrestre ,
color Scale, Upper (Red) : 85.4 meters and higher;
Anomalies de grande longueur d’onde
connaître les paramètres suivants:
12345-
la position des stations de mesure au sol;
le champ de pesanteur;
le freinage lié à l'atmosphère;
la pression du vent solaire;
les déformations de la Terre liées aux marées,
terrestres et océaniques;
6 - le mouvement de l'axe de rotation de la Terre;
7 - l'attraction de l'ensemble des planètes du système
solaire.
Aucun paramètre n'est connu parfaitement, et la
géodésie dynamique consiste donc à opérer un ajustement
itératif des données au modèle théorique. L'utilisation
conjointe de plusieurs satellites sur près de 30 années a
permis de proposer des modèles de plus en plus affinés du
champ de la pesanteur terrestre. L'analyse de la trajectoire
des satellites fournit une image très précise du géoïde
(Fig. 10). En effet, les ondulations du géoïde à l'échelle de la
centaine de km (flèches noires) traduisent très fidèlement la
topographie car la compensation isostatique d'une chaîne ou
d’une fosse sous-marine par exemple, dépasse largement la
Color Scale, Lower (Magenta) :-107.0 meters and lower
http://principles.ou.edu/earth_figure_gravity/geoid/index.htm http://principles.ou.edu/earth_figure_gravity/geoid/index.htm
- 50 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 11 : Carte des anomalies à l’air libre sur les océans,
océans
calculées par inversion des hauteurs du géoïde, obtenues par
altimétrie spatiale, Géosat 1994,
994, échelle en mgals
24/10/13
Fig.13 :
Sismographe de
Zhang Heng (≈ 100 AD)?
Inversement, tous
les types de structures à
petite
échelle
sont
remarquablement
identifiables sur les
figures 9b et/ou 11:
1 - dorsales chaudes
Sud-Atlantique et Indien;
2 - dorsale
froide
Nord-Atlantique ;
3 - failles
transformantes mettant en regard
deux
compartiments
d'âges variés (et donc de
structure
thermique
différente);
4 - chaînes sous-marines
marines de points chauds (Lire MC Volcanisme - Point chaud - Grizard.htm ; MC - Volcanisme Superswells - Grizard.htm) ;
surface occupée par la chaîne
ne ou la fosse. Il s'ensuit donc un
excès de masse local (au droit de la chaîne) ou un déficit
local (au droit de la fosse), qui implique un éloignement du
géoïde (vers le haut pour la chaîne). La figure 10 met en
évidence d'une part le bourrelet équatorial
équatoria (aplatissement
polaire) et d'autre part les creux et bosses du géoïde à grande
longueur d’onde (en violet dans la figure
ure). La déformation
maximum, très exagérée sur la figure, est en fait inférieure à
100 m pour une amplitude de milliers de Km! Ces
déformations
mations de très grande longueur d'onde sont clairement
indépendantes de la topographie et doivent donc avoir une
origine très profonde. Elles traduisent nécessairement des
hétérogénéités de densité dans le manteau profond. On
considère de nos jours que ces masses lourdes sont
d’anciennes plaques lithosphériques subductées vers la
couche D”. Compte tenu de la vitesse extrêmement faible du
phénomène, la morphologie actuelle reflèterait l’histoire
cumulée de plusieurs centaines de Ma.
Fig. 12 : effet du plongement d'une plaque
5 - fosses océaniques, qui provoquent un déficit
défi local de
masse (en bleu) encadré par deux anomalies, celle bien
marquée (en rouge) de l’arc et celle moins marquée
(en jaune) du côté océanique qui souligne le ploiement
ploieme
de la plaque subductée (Fig. 12).
6 - chaîne de collision (Alpes Himalaya)
7 - chaînes surmontant
rmontant une zone de subduction (marges
actives = Andes et Rocheuses)
A une échelle encore plus réduite, l’altimétrie
satellitaire permet de mettre en évidence le mouvement
vertical synchrone des marées, lié au surpoids local de la
masse d’eau en mouvementt dans les régions côtières
B - La séismicité
Voir cours-2012-2013-seismologie.ppsx
seismologie.ppsx. Les premiers
enregistrements des soubresauts
esauts qui agitent l'écorce terrestre
datent de l'antiquité. Une stèle centrale portant une boule,
des grenouilles bouche bée accroupies autour, ont suffi à
enregistrer le passage de l'onde par la chute de la boule et la
direction de sa propagation avec la grenouille gagnante
(fig. 13).
De nos jours, on exprime l’intensité des séismes soit
à partir de l’enregistrement de l’ébranlement (échelle
(
de
Richter),
), soit à partir de leur impact observé sur le bâti et
les déformations naturelles (échelle
échelle de Mercalli).
Mercalli
1 - Les ondes émises par un ébranlement
Lire MC - Seismologie - Ondes sismiques - Melou Tersonnier &
De manière extrêmement résumée, en dehors du
sismographe de Zhang Heng (Fig. 13) datant des premiers
siècles de notre ère, et qui ne représente qu’une
manifestation des dieux à s’ébrouer, et la capacité à
enregistrer une direction du mouvement, on peut dire que
John Michell, géologue et physicien anglais, présente la
première causalité physique des séismes en 1761:
Villien.htm
http://www.gps.caltech.edu/~alex/subduction.htm
« Les tremblements de terre correspondent à des
ondes émises par le déplacement de masses de roches sous
la surface ». En 1807, Thomas Young, lui aussi britannique,
suggère lui aussi que les séismes émettent
éme
des ondes qui se
propagent à des vitesses finies.
finies En 1841, James Forbes,
physicien écossais, construit le premier sismomètre vertical,
capable de mesurer des
es mouvements verticaux du sol ; il
- 51 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 14a: modules d'élasticité.
K=-dP/(dV/V)=ρdP/dρ
24/10/13
Fig. 14b: ondes de volumes, P et S.
µ=dσ/d
sera perfectionné par le volcanologue Luigi Palmieri en
1855. Puis en 1847, Hopkins fait la Première application au
globe Terrestre de la théorie des ondes élastiques qui vient
d’être fondée par Fresnel et Poisson : les tremblements de
terre sont le résultat de vibrations élastiques du sol. Le
premier sismomètre horizontal, capable de détecter des
mouvements horizontaux du sol, date de 1869, il est dû à
Frank Zöllner.
Le comportement élastique d’un solide homogène
(Fig. 14a) est complètement caractérisé par sa densité plus
deux constantes d’élasticité :
1 - le module d'incompressibilité K = ρdP/dρ
ρ
qui caractérise la variation de volume ou de
densité du milieu considéré en réponse à une variation
de la pression P;
2 - le module de rigidité
G = µ/ρ
ρ
où µ=dσ
σ/dγγ est le module de cisaillement qui
caractérise la déformation élastique (angle γ du milieu
considéré, sous l'action du cisaillement σ).
On utilise aussi communément le module de Young
E, relié au module de cisaillement par le coefficient de
poisson (tableau 1).
a - ondes de volumes
Provoqué quelque part au voisinage de la surface lors
d’un séisme, entre quelques dizaines de km de profondeur et
plus rarement quelques centaines de km, dans le domaine de
pression et de température dans lequel le matériau terrestre
conserve un comportement fragile, l’ébranlement du solide
terrestre en ce point sollicite son élasticité.
Incompressibilité et cisaillement sont alors la source de
deux ondes élastiques, respectivement une onde de
compression-dilatation et une onde de cisaillement. Ces
Tableau 1 : Relations entre constantes d’élasticité.
deux ondes vont se propager dans le corps de la planète (On
parle d’ondes de volume) en une enveloppe « sphérique »
(front d’onde) qui conserve sur l’ensemble de sa surface
l’énergie de l’ébranlement dissipée au point source.
L’amortissement de ces ondes est donc essentiellement lié à
l’augmentation de la surface du front d’onde et très peu au
déplacement de matière (Fig. 14b) en son point de passage :
1 - les ondes de compression dilatation sont
longitudinales, et traversent tous les milieux. Elles
correspondent à un déplacement des particules
parallèlement à la direction de propagation de l'onde,
et provoquent une variation de volume. Elles sont dites
ondes P, «premières» (car les plus rapides) et se
propagent à la vitesse :
Vp= [(K + 4/3G)]0.5
2 - les
ondes
de
cisaillement
(transversales)
correspondent à un déplacement des particules
perpendiculairement à la direction de propagation de
l'onde. Il s'ensuit une distorsion sans changement de
volume. Elles ne traversent pas les matériaux dont le
module de cisaillement est nul (liquides). Elles sont
dites ondes S, «secondes», et leur vitesse est
Vs= [G]0.5
(Vs<Vp).
b - ondes de surface
Lorsque, dans un corps fini, les ondes de volume
atteignent sa surface, il apparaît par interférences
constructives deux types d'ondes qui se propagent dans une
épaisseur limitée au voisinage de la surface, et donc
nommées ondes de surface ou ondes L, «Longues» en
raison de leur faible vitesse (<Vs) (Fig. 14c):
Fig. 14c: ondes de surface.
- 52 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
1 - Les ondes de Love résultent d'interférences entre
les ondes S, et correspondent à une oscillation
polarisée de grande amplitude, dans le plan de la
surface et perpendiculairement à la direction de
propagation de l'onde;
24/10/13
Fig. 16a : carte de la séismicité en France pour 2004.
2 - Les ondes de Rayleigh résultent d'interférences
entre les ondes P et S, et induisent une oscillation
dans le plan perpendiculaire à la surface, avec un
déplacement des particules selon une ellipse
(houle).
Puisque les ondes sismiques se propagent à des
vitesses différentes, elles sont enregistrées en des
temps différents sur un sismographe situé en un point
donné de la Terre, lorsqu'il est atteint par le front de
l'onde considérée. Vp>Vs.
Les ondes P sont donc les Premières et les
ondes S les Secondes (Fig. 15).
Les ondes longues L ou R arrivent plus
tardivement. On notera que les ondes P ou S peuvent
apparaître doublées à la suite de réflexions sur la
surface terrestre (ondes PP ou SS, voir plus loin).
2 - Distribution des séismes
11/03/ 2011 au Japon et 26 / 12 / 2004 en Indonésie:
deux manifestations paroxysmiques, respectivement 9.0 et
8.4 sur l’échelle de Richter, de la relaxation des contraintes
encaissées pendant un laps de temps de quelques 102 ans par
une limite entre deux plaques. Dans les deux cas, le point de
relaxation est précis (zone de subduction) et tous les séismes
répliques qui suivront se distribueront dans la même
surface, en se déplaçant vers le nord dans le cas de
l’Indonésie. L’analyse historique de l’ensemble des séismes
enregistrés depuis un siècle a en effet montré depuis
longtemps le caractère inhomogène de la surface terrestre,
comment les frontières de plaques sont secouées en
permanence par des séismes alors que le cœur des plaques
est beaucoup plus calme. La séismicité intraplaque est en
effet généralement liée à un volcanisme dit « intraplaque »
d’origine profonde dont le mécanisme est indépendant du
fonctionnement des plaques. Nous ne reviendrons pas plus
sur ce schéma bien établi et largement connu.
cette échelle. Focalisés dans les deux zones orogéniques
françaises, Alpes et Pyrénées, et l’axe Rhône –Rhin –Mer
du Nord qui témoigne de la déchirure de l’Europe au front
de l’arc alpin, les séismes jalonnent ici aussi des limites de
plaques continentales. Ces régions subissent chaque année
en moyenne au moins un séisme d’intensité égale ou
Fig. 16b : Séismicité du Sud-Est de la France.
A l’échelle régionale, la carte de la France des
séismes d’une seule année (Fig. 16a) prouve combien la
Terre est agitée de soubresaut, le plus souvent
imperceptibles mais quasi permanents. Elle montre aussi la
très forte inhomogénéité de localisation des épicentres, à
Fig. 15 : Enregistrement du séisme de Santa Cruz 1989,
par la station de St Sauveur en Rue (Loire)
Rose , séismes historique ; rouge, séismes mesurés ; échelle colorée, profondeur
des séismes ; la coupe dans la croûte (Crt) et le Manteau (Mtl) suit le tracé
fléché.
- 53 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
supérieure à 5, et quelques-uns par millénaire, d’intensité
supérieure à 8 sur l’échelle de Richter (cf. $ Magnitude) qui
peuvent être dévastateurs. En France, on compte 1 séisme
d’intensité moyenne tous les 10 ans, et 1 séisme violent par
siècle. L’arc alpin est la zone la plus mobile du territoire
métropolitain. La figure 16b montre la relation étroite qui
existe entre la structure profonde de la chaîne des Alpes et
d’une part dans la distribution en carte des séismes et
d’autre part la profondeur de ces séismes. La plaque OuestEuropéenne plonge sous la plaque italienne (appelée Apulie)
engendrant des séismes de plus en plus profonds vers l’est.
Ce type de structure correspond à la situation de collision de
deux plaques, dans ce cas poussée par l’avancée de
l’Afrique et la fermeture de la Méditerranée.
Il apparaît aussi sur la carte de France un axe
Bretagne Massif-Cenral, qui témoigne d’une sismicité plus
diffuse mais néanmoins bien réelle. Dans cette région la
magnitude des séismes dépasse rarement 4 ; la relaxation
des contraintes encaissées par cette partie Ouest du craton
européen est très largement guidée par des failles anciennes
profondes, héritées de l’histoire hercynienne de cette région,
qui a structuré l’écorce terrestre dans cette région du globe
durant l’ère Primaire.
3 - La propagation des ondes
On constate à partir des courbes temps vs distance
(Fig. 17a) que la vitesse moyenne des ondes de surface est
quasi constante (de l’ordre de 4.4 Km/sec) avec
l’éloignement de l’hypocentre (foyer du séisme). Par contre,
la vitesse moyenne des ondes de volume augmente avec la
distance au foyer, traduisant le fait qu’elles traversent des
domaines de plus en plus « véloces ».
a - Rebroussement des ondes de volume
Si la Terre était constituée d’un matériau aux
propriétés homogènes et isotropes autour du foyer, le front
de l’onde créé par l’ébranlement serait sphérique (vitesse
constante, quelle que soit la direction à partir du foyer).
Mais il n’en est rien, car même si l’on considère que la Terre
est constituée d’un seul matériau, celui-ci voit augmenter
son poids volumique en raison de l’accroissement de
pression avec la profondeur. Donc vers le bas, la vitesse
moyenne de propagation croît avec la distance au foyer, et
cela signifie que le front de l’onde qui traverse des domaines
de plus en plus profonds est de plus en plus « en
avance » sur le front sphérique. Il n’est donc plus sphérique
mais ellipsoïdal (Fig. 17b à gauche).
Par analogie avec l'optique, on utilise la normale au
front d'onde pour définir le rai sismique, et la loi de
Descartes pour décrire le parcours de ce rai. Si la
24/10/13
Fig 17a courbes temps vs distance.
propagation de l’onde n’est pas sphérique, le rai sismique ne
décrit pas une droite mais une courbe (Fig. 17b à gauche).
Pour étudier l’effet de cette variation de vitesse avec
la profondeur, considérons une Terre constituée d’un
matériau aux propriétés sphéroconcentriques, qui sera
discrétisée pour la commodité du propos en une suite de
sphères homogènes emboîtées (Fig. 17b centre). Pour un rai
arrivant en P sur la surface sphérique de profondeur z sous
l'incidence i avec la vitesse V, on écrira qu'il se réfracte à la
vitesse V' sous l'angle r, tel que :
Sin i/V = Sin r/V'.
La figure 17b montre que
R sin r = R' sin i' = OQ
et donc
R sin i / V = R sin r /V' = R' sin i' / V'
La quantité R Sin i / V est constante le long du rai,
on l'appelle le paramètre du rai.
La figure 17b montre à droite que lorsque la vitesse
croît avec la profondeur, le rai est concave vers le haut. Au
point le plus bas (sin i =1) la valeur du paramètre de rai p est
égale à R/V.
Si l'on prend deux rais, PQ et P'Q', de paramètre p et
p+∆p, qui parcourent respectivement les distances
angulaires ∆ et ∆+ d∆, on a:
sin i= NP/PP'.
En posant dt, la différence de temps mis par les deux
rais sur leur trajet on écrit :
Sin i= Vdt/Rd∆
∆.Le paramètre du rai PQ s'écrit
alors :
p = dt/d∆
∆, pente de la courbe t= f(∆)
b - La fonction temps –distance des ondes
de volume
La figure 18 illustre à travers leurs courbes t-∆ les
divers trajets possibles de rais sismiques des ondes de
volume en milieu homogène, soit à vitesse constante (18a),
soit lorsque V augmente de façon constante (Fig. 18b1) ce
qui introduit le point de rebroussement pour chaque rai (↑).
Fig. 17b : rais sismiques.
- 54 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig. 18 : Caractérisation sismique de divers milieux : a) homogène ; b) hétérogènes, 1-régulier , 2-3 irréguliers.
a)
b)-1
b)-2
b)-3
La présence d'une zone d’accroissement de la vitesse
(Fig. 18b2, ―) conduit à un rebroussement précoce (↑) et
provoque l'apparition d'une région recevant le train d'ondes
anormalement tôt (↓).
Inversement, la présence d'une région à basse vitesse
(Fig. 18b3, ―) conduit à une incidence critique qui éloigne
deux rais infiniment voisins, l’un étant rebroussé vers le
haut (↓B), l’autre étant réfracté plus profondément avant
d’être rebroussé lorsque la vitesse du milieu est
remontée(↓C) ; Les rais un peu plus profonds, bénéficiant
d’une vitesse accrue seront un temps rebroussés un peu
avant C, et émergeront entre D et C puis au-delà de C ; cela
laisse une zone d'ombre qui ne peut recevoir de trains
d'ondes partis de F (lire MC - Seismologie - Zone ombre - LeBellour
& Tersonnier.htm).
Nous avons évoqué le cas d’une variation continue
des propriétés physiques, mais de telles variations peuvent
aussi être discontinues. Elles séparent des terrains dont les
impédances acoustiques reflètent des différences de
compressibilité et de rigidité des matériaux constitutifs. Sur
une telle discontinuité, comme en optique, le rai sismique
incident donne naissance à un rai réfléchi (Fig. 19a) et à un
rai réfracté.
Comme en optique encore, sous incidence critique et
dans les conditions de vitesse ad hoc (V milieu inférieur > V
milieu supérieur), le rai subit une réfraction totale (fig. 19b),
et voyage à l’interface « dans » la discontinuité à la vitesse
du milieu inférieur rapide, générant des ondes coniques.
Comme en optique enfin, les ondes réfléchies et
réfractées sont polarisées lors de leur rencontre de la
discontinuité.
En résumé, un ébranlement de l’écorce terrestre crée
Fig.19a : Fonction temps-distance onde réfléchie,
∆t = f(∆x), pour une onde issue de S dans le milieu à
vitesse V1, réfléchie sur l’interface de séparation avec le
milieu à vitesse V2 est une hyperbole admettant la fonction
linéaire temps distance de l’onde directe pour asymptote
deux ondes de volume, P et S, susceptibles d’être polariséesréfléchies et polarisées-réfractées chaque fois qu’elles
rencontrent un contraste d’impédance acoustique, c’est à
dire
une
variation
brutale
des
caractéristiques
pétrophysiques du milieu (Fig. 18-b2-b3 et Fig. 19 a-b). Il
convient de ne pas confondre les caractéristiques
pétrophysiques avec les caractéristiques pétrologiques
(minéralogie) du milieu, car si une variation brutale de la
minéralogie peut se traduire par une variation importante de
l’impédance, elle ne l’impose pas nécessairement. C’est
néanmoins largement grâce à l’analyse poussée des ondes
sismiques, recherche d’hyperboles de réflexions, recherche
d’ondes coniques que l’imagerie du sous-sol proche
(quelques Km) permet aux pétroliers d’organiser
l’exploitation de la ressource, gaz ou pétrole. A l’échelle de
la Terre, l’ensemble des séismographes écoute notre planète
en permanence, rendant possible la modélisation de
l’intérieur de la Terre.
c – Le chant de la Terre : oscillations
propres
Notons tout d’abord que, voyageant au voisinage de
la surface terrestre les ondes de Love et de Rayleigh ne
subissent pas d’augmentation de vitesse liée à la profondeur,
ce qui explique que leur vitesse est à peu près constante ; en
fait celle-ci dépend de la nature des matériaux traversés.
Relativement rapides dans les matériaux massifs comme les
roches de profondeur venues affleurer en surface (e.g.
granites les basaltes etc.), leur vitesse chute dans les
Fig.19b : Fonction temps-distance onde réfractée.
une onde issue de S dans le milieu à vitesse V1,
réfractée sous incidence critique génère une onde conique
qui voyage dans l’interface de séparation avec le milieu à
vitesse V2, à la vitesse V2.L’expression de la fonction
temps-distance, ∆t = f(∆x), est une droite tangente à
l’hyperbole temps-distance de l’onde réfléchie, au point
correspondant à la valeur d’incidence critique. En deça de
ce point, aucune onde conique ne peut être générée.
R e fle x io n
S
V1
V2
∆x
h
S
x
2d
∆t
∆x
∆ x /V 1
V 2> V
1
∆ t ( I) = 2 d ( I) / V
∆ x ( Ic )/ 2
∆ x (I)
1
R e fra c tio n
h
V
1
d (Ic )
V
2
∆ t (Ic ) = 2 d ( Ic ) / V 1
+ [ ∆ x (I)− ∆ x (Ic )] / V
- 55 -
Ic
d (I)
I
2
V 2> V
1
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 20 : paquets d’ondes de surface progressives amorties.
24/10/13
I, imperceptible - la secousse n'est pas perçue par les
personnes, même dans l'environnement le plus favorable
II, à peine ressentie - les vibrations ne sont ressenties que
par quelques individus au repos dans leur habitation,
plus particulièrement dans les étages supérieurs des
bâtiments.
III, faible - l'intensité de la secousse est faible et n'est
ressentie que par quelques personnes à l'intérieur des
constructions. Des observateurs attentifs notent un léger
balancement des objets suspendus ou des lustres.
IV, ressenti par beaucoup - le séisme est ressenti à l'intérieur
des constructions par quelques personnes, mais très peu
le perçoivent à l'extérieur. Certains dormeurs sont
réveillés. La population n'est pas effrayée par l'amplitude
de la vibration. Les fenêtres, les portes et les assiettes
tremblent. Les objets suspendus se balancent.,
matériaux sédimentaires meubles, contenant de l’eau ou de
l’air ; la fréquence du signal s’abaisse, et son amplitude
croît, rendant ces ondes cisaillantes (Love) ou elliptiques
(Rayleigh) d’autant plus destructrices, dans les plaines
alluviales par exemple.
En second lieu, les ondes de surface sont guidées
entre la surface de la Terre et la base des couches
superficielles qui composent la lithosphère. Lors des
séismes forts, elles effectuent plusieurs fois le tour de la
terre, traçant des paquets d'ondes (fig. 20) se propageant en
un cercle qui s’agrandit à partir de l’épicentre. En interférant
entre elles, elles construisent des ondes stationnaires, qui
oscillent à des fréquences qui ne dépendent que de la nature
et de la structure interne de la Terre. La Terre résonne alors
comme une cloche, avec une période fondamentale (grave)
de 54 minutes, et des harmoniques qui décroissent jusqu’à
quelques secondes (quelques fractions de Hertz), et une
amplitude maximale de l’ordre du millimètre. On utilise
l'analyse en fréquence des oscillations libres de notre planète
comme un spectroscope pour en analyser les hétérogénéités.
d – Magnitude et Intensité d’un séisme
L’intensité d’un séisme est définie par les désordres
qu’il engendre. Echelles de XII degrés, les échelles de
Mercalli, puis MKS, puis échelle EMS 92 préfigurant de
l'échelle EMS 98 utilisée depuis janvier 2000 par le BCSF
(Bureau Central Sismologique Français), ces échelles
expriment la façon dont la secousse a été ressentie et quels
dégâts ont été observés (tableau 2).
Tableau 2 : l'échelle EMS 98
degré
Secousse
imperceptible
I
à peine ressentie
II
faible
III
ressentie par beaucoup
IV
forte
V
légers dommages
VI
dommages significatifs
VII
dommages importants
VIII
destructive
IX
très destructive
X
dévastatrice
XI
catastrophique
XII
V, forte - la secousse est ressentie à l'intérieur des
constructions par de nombreuses personnes et par
quelques personnes à l'extérieur. De nombreux dormeurs
s'éveillent, quelques-uns sortent en courant. Les
constructions sont agitées d'un tremblement général. Les
objets suspendus sont animés d'un large balancement.
Les assiettes et les verres se choquent. Le mobilier lourd
tombe. Les portes et fenêtres battent avec violence ou
claquent.
VI, légers dommages - le séisme est ressenti par la plupart
des personnes, aussi bien à l'intérieur qu'à l'extérieur. De
nombreuses personnes sont effrayées et se précipitent
vers l'extérieur. Les objets de petite taille tombent. De
légers dommages sur la plupart des constructions
ordinaires apparaissent: fissurations des plâtres; chutes
de petits débris de plâtre.
VII, dommages significatifs - La plupart des personnes sont
effrayées et se précipitent dehors. Le mobilier est
renversé et les objets suspendus tombent en grand
nombre. Beaucoup de bâtiments ordinaires sont
modérément endommagés: fissurations des murs; chutes
de parties de cheminées.
VIII, dommages importants - dans certains cas, le mobilier
se renverse. Les constructions subissent des dommages:
chutes de cheminées; lézardes larges et profondes dans
les murs; effondrements partiels éventuels.
IX, destructive - Les monuments et les statues se déplacent
ou tournent sur eux-mêmes. Beaucoup de bâtiments
s'effondrent en partie, quelques-uns entièrement.
X, très destructive, Beaucoup de constructions s'effondrent.
XI, dévastatrice - La plupart des constructions s'effondrent.
XII, catastrophique - Pratiquement toutes les structures audessus et au-dessous du sol sont gravement
endommagées ou détruites
La magnitude d’un séisme quantifie l’énergie
dissipée au foyer du séisme, sur une échelle logarithmique,
échelle ouverte de Richter, qui utilise la hauteur de sa trace
du séisme sur un enregistrement normalisé. Il existe
plusieurs types de normalisations, utilisées en fonction de
l’énergie dissipée, de la distance de l’épicentre, mais toutes
sont comparables dans leur principe (Fig. 21). Dans le cas
de cette figure, le séisme enregistré laisse une trace de 23
- 56 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
mm. Pour une distance à l’épicentre nulle la valeur de 23
mm donne une magnitude de 2.2. Si l’on suppose que
l’enregistrement a été fait à une distance de 400 km de
l’épicentre, la magnitude atteinte par ce séisme est de l’ordre
de 5.
24/10/13
Il ne sera pas fait mention dans le poly des effets
morphologiques des séismes : failles, effondrements,
rejets, tsunamis... On pourra télécharger la présentation
ppt de 2004 construite à l’occasion du tsunami
(http://www.emse.fr/~bouchardon/enseignement/tsunami
-2004/tsu_0000.htm).
La magnitude est calculée soit à partir de l'amplitude
comme précédemment, soit à partir de la durée du signal.
Son calcul nécessite plusieurs corrections : elles tiennent
4 - Hétérogénéités terrestres : le modèle
compte du type de sismographe utilisé, de la distance entre
PREM
le séisme et le sismographe, de la profondeur du séisme et
Lire Q - Seismologie - Discontinuités sismique de la Terre de la nature du sol à la verticale du sismographe. Les
Melou & Villien.htm ;MC - Planeto - Enveloppes rocheuses - modele
différentes magnitudes utilisées sont :
PREM - Melou &Tersonnier.htm. Pour établir précisément les
La magnitude locale ML - on l'utilise pour des séismes trajets des ondes dans le globe (c’est à dire les profils de
proches (dits séismes locaux) ; elle est définie à partir de vitesse), il est nécessaire de disposer d'une relation entre
l'amplitude maximale des ondes P ; Elle est toujours l’incompressibilité, la densité, la pression et la température.
moyennée sur plusieurs stations en tenant compte des Pour les régions profondes, que l’on peut considérer comme
corrections locales.
sphéroconcentriques en première approximation, nous
La magnitude des ondes de surface MS - elle est utilisée disposons d’une relation entre incompressibilité, densité et
pour les séismes lointains (dits télé-séismes), dont la pression, appelée équation d'état d'Adams-Williamson.
profondeur est inférieure à 80 km. Elle se calcule à partir Avec cette relation établie en 1923, Adams et Williamson
avaient pu montrer que compte tenu des densités de surface,
de l'amplitude des ondes de surface.
de la densité moyenne, et des valeurs de K, la Terre devait
La magnitude des ondes de volume M - elle est définie pour être constituée d'au moins deux couches de densité très
les très gros séismes. Elle est calculée à partir d'un différente. Elle prévoit qu'à la profondeur z, la variation de
modèle physique de source sismique et est reliée au densité dρ avec la variation de profondeur dz est de la
moment sismique m0 :
forme :
m0 = µ.S.D
dρ
ρ/dz=gρ
ρ/Φ
Φ
avec: µ: rigidité du milieu ; D: Déplacement
Le paramètre sismique Φ est égal à K/ρ (K, module
moyen sur la faille ; S: Surface de la faille.
élastique d'incompressibilité). Connaissant, gz, ρz et Φz à la
Fig. 21 : Echelle de Richter ;
profondeur z, les sismologues sont en mesure d'établir les
Un séisme de magnitude 0 laisse sur un sismographe Woodprofils des densités au sein de la planète.
Anderson placé à 100 km de distance une trace de 01-3 mm
Mais à faible profondeur, la Terre est trop hétérogène
de hauteur ; il peut donc exister des séismes de magnitude
pour qu'une équation d'état entre ces divers paramètres
<0, et il n’y a d’autre limite supérieure à cette échelle que
suffise à décrire les variations des ondes sismiques. On
celle des matériaux terrestre à emmagasiner les contraintes.
utilisera pour cette région d’une autre loi, empirique, la Loi
Plus la contrainte emmagasinée est forte, plus l’énergie
de Birch, qui relie directement la vitesse des ondes à la
correspondant à sa relaxation durant l’ébranlement sera forte,
masse atomique moyenne des roches (indépendamment de
10 sur l’échelle de Richter n’a jamais été atteint à ce jour,
leur composition minérale) et à leur densité (Fig. 22)
mais cette échelle est ouverte
mesurées pour des corps purs dans des conditions de
pression variées. C’est aussi sur la base de ses expériences à
haute pression que Birch put confirmer dès 1961 que les
vitesses sismiques atteintes dans le noyau, de l’ordre de 10
km/sec étaient beaucoup trop faibles pour correspondre, aux
pressions considérées, à un matériau mantellique. Par contre
le Fer constituait un excellent candidat pour la
constitution du noyau.
Fig. 22 : Corrélations expérimentales entre vitesse des
ondes et la densité de divers éléments.
0.001mm
- 57 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig. 23 : relations vitesse des ondes – profondeur.
Ainsi outillés de relations densité-vitesse, les
sismologues peuvent maintenant construire le modèle
inverse du trajet des ondes à travers la planète à partir des
temps d'arrivée. Le modèle PREM (Preliminary Reference
Earth Model), résume l'état de nos connaissances en la
matière, en se basant sur les variations de la vitesse des
ondes en fonction de la profondeur qui mettent en évidence
plusieurs discontinuités (Fig. 23 & 24a-b, Lire MC - Planeto Discontinuites sismiques - Melou & Tersonnier.htm) :
1 - La discontinuité de Mohorovicic
séparant croûte
et manteau (CMB pour Crust-Mantle Boundary),
entre 10 et 70 km par une augmentation brusque de la
vitesse à la base de la croûte;
2 - La discontinuité de Gutenberg
séparant
manteau et noyau à 2900 Km par une chute brusque de
vitesse de 13,6 à 8,1 km/s;
3 - La discontinuité de Lehmann
séparant noyau
et graine à 5100 Km par une augmentation rapide, de
9,5 à 11,2 km/s, précédée d’une petite diminution.
Ayant reconstitué ainsi les discontinuités majeures,
on estime les sauts de densité (et donc de composition) qui
Fig. 24a : modèle PREM.
en découlent, et l'on fournit enfin une appréciation de l'état
physique (fluidité) des divers milieux rencontrés. Le
comportement des ondes est à cet égard très pertinent. La
présence d'une infime fraction liquide (<<1%) aux joints des
grains d'un solide, ou le seul fait d'approcher de son point de
début de fusion (solidus), suffit à provoquer une diminution
de vitesse des ondes sismiques.
a - La Croûte Terrestre.
Les principaux résultats concernant la constitution de
la croûte ont été obtenus à partir des séismes proches de la
surface ou par les séismes provoqués (prospection sismique
des sédiments et sismologie expérimentale). Les forages
fournissent une observation directe sur les premiers
kilomètres ; guère plus de 1 km en milieu océanique, 4 à 5
km en milieu continental avec un record de 12 km atteint par
l’ambitieux projet soviétique (à l’époque) d’atteindre le
« Moho » sous la presqu’île de Kola. Les conditions P, T°
sont telles que l’on se situe là à la limite de résistance du
matériel de forage. Seuls les tirs expérimentaux ont pu
apporter des résultats précis sur la croûte océanique et sur
les divers segments la croûte continentale, boucliers anciens
et bassins sédimentaires, zones plissées modernes, marges
continentales actives et passives, arcs insulaires, etc.
En domaine océanique, sous une tranche d’eau
variant de 2.5 à 5 km, la croûte est mince. En effet, la
discontinuité de Mohorovicic se situe en moyenne à 10 ou
Fig. 24b : courbes densité, pression dans le modèle PREM.
- 58 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
11 kilomètres au-dessous du niveau de la mer (pris en
référence), donc l’épaisseur de la croûte peut être
sensiblement inférieure à 5 Km, en particulier au droit des
dorsales, sous lesquelles le « Moho » peut remonter de façon
spectaculaire. La croûte océanique est constituée de 3
couches :
atteint 70 km dans la Bernina, l’Hindu-Kúch et dans
les montagnes de Kirghizie. Sous ces montagnes, on
met en évidence la remontée anormale à faible
profondeur de roches à grande vitesse de propagation
(7,2 à 7,4 km/s) comme la zone d’Ivrea dans les
Alpes occidentales. Elles pourraient représenter des
morceaux de manteau jalonnant la suture entre les 2
plaques qui donnent naissance à ces chaînes de
montagnes. Le relief terrestre résulte d’une part du
contraste de densité entre croûte et manteau, et
d’autre part des capacités des matériaux (croûte et
manteau) à se déformer. On admet en général que la
chaîne Himalaya n’est pas très éloignée de ce
maximum.
1 - des sédiments à faible vitesse (VP environ 1.7 à 2.5
km/s) dont l’épaisseur augmente en s’éloignant des
dorsales ;
2 - une couche basaltique à fort gradient de vitesse (VP
passe de 3.5 à 6.1 km/s) ;
3 - une couche de nature plus variée: gabbro, l’équivalent
largement cristallisé des basaltes sus-jacents ;
amphibolite, l’équivalent métamorphisé des gabbros
ou basaltes ; serpentine, péridotites transformées par
hydratation. La vitesse des ondes P augmente très
lentement (entre 6,4 et 7,1 km/s) dans cette 3° couche.
Dans la croûte continentale, sous les sédiments
lorsqu’ils sont présents, on trouve partout une vitesse
d’environ 6,2 km/s, que l’on attribue à des ondes coniques
propagées sous la limite supérieure du socle granitique. Les
résultats concernant la partie profonde de la croûte sont
beaucoup moins concordants. Toutefois, la vitesse moyenne
observée (environ 6,3 km/s) suggère encore une nature
granitique, avec des intrusions de roches à plus grande
vitesse, probablement de nature plus basaltique. La croûte
continentale est épaisse, avec de fortes variations :
1 - Dans les plates-formes continentales, aux ÉtatsUnis, au Canada, en Australie, les épaisseurs
connues sont comprises entre 35 et 37
kilomètres.
2 - En France, son épaisseur est de l’ordre de 30 km
dans le Massif central et le Bassin parisien. Elle
chute à environ 20 km sous les fossés
d’effondrement (Limagne d’Allier, vallée du Rhin) ;
3 - Dans les zones de surrections de montagnes, en
revanche, l’épaisseur de la croûte augmente; elle est
estimée à 55 km dans les Alpes occidentales et
24/10/13
A la limite du continent et de l’océan, dans les
marges passives comme celles de l’Atlantique (pas de
volcanisme, pas de fosse), la discontinuité de Mohorovicic
remonte progressivement dans les marges continentales.
Dans les régions de marges continentales actives
(volcanisme et fosse sous-marine) à faible activité, ce
schéma simpliste d’amincissement crustal reste globalement
vrai : dans le golfe de l’Alaska par exemple, on observe le
« Moho » à 29 km près de la côte, puis à 23-25 km sous le
plateau continental, 13-15 km sous la fosse aléoutienne, et
9-11 km sous la plaine abyssale. Par contre cette
discontinuité disparaît sous les guirlandes d’arcs
volcaniques. Dans la marge active, des zones d’anomalies,
comme la bordure orientale de la sierra Nevada (7,2 à 7,4
km/s) récemment découverte par la réfraction sismique,
mettent en évidence la remontée de matériaux rapides.
b - manteau supérieur
Dans le manteau supérieur, les ondes coniques Pn qui
se propagent à sa limite supérieure (sous le réflecteur
croûte–manteau), ont une vitesse voisine de 8,2 km/s tant
sous les continents que sous les océans. Cela suggère que le
manteau supérieur est un matériau homogène. La réalisation
de grands profils sismiques à partir des explosions
nucléaires souterraines (îles Aléoutiennes, Nevada, Sahara),
à partir des tirs en mer, et à partir de séismes naturels, a mis
en évidence l’organisation en couches concentriques du
Tableau 3 : Vitesses et fréquences des ondes sismiques dans le manteau et dans le noyau.
- 59 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
manteau supérieur et ses deux caractéristiques essentielles
(lire MC - Planeto - Lithosphere asthenosphere- Autixier &
Tersonnier.htm) :
1 - Il présente entre 125-140 km et 235 km une couche à
faible vitesse mise en évidence par la diminution de la
vitesse des ondes P et S (Fig. 23 et Tableau 3). Elle est
appelée Low Velocity Zone (LVZ) ou asthénosphère
car considérée comme ductile (astheno = sans force).
En raison des conditions de pression et de température
qui y règnent, c’est dans cette région de la Terre que
les matériaux rocheux sont globalement le plus proche
de leur point de fusion. Ils peuvent même localement
fondre très partiellement (quelques %), et leur
viscosité est donc particulièrement faible. C’est donc
cette région du manteau supérieur qui permet la
compensation isostatique des variations de poids dans
la colonne rocheuse sus-jacente. Pour l’opposer à
l’asthénosphère, on nomme Lithosphère l’ensemble
de cette colonne rocheuse sus-jacente, à la fois plus
hétérogène22 et au comportement beaucoup plus
fragile. Une remontée de la LVZ (asthénosphère)
jusqu’au voisinage de la surface pourrait expliquer les
anomalies de vitesse dans la zone d’Ivrea, sous le
Massif central, ou encore sous les dorsales océaniques
et les guirlandes d’îles volcaniques (foyers à la base de
la couche). A l’inverse, la lithosphère à croûte
océanique froide et rigide plonge sous les continents à
partir des fosses océaniques.
2 - Sa vitesse croît ensuite rapidement jusque vers 670
km, mais par paliers successifs. Chaque palier
correspondrait alors à un assemblage de phases
minérales, et les sauts à des transitions de phases.
Celles-ci pourraient être de deux types. Jusqu’à 400
km environ, la structure de base des matériaux silicatés
resterait celle que l’on connaît en surface, et au-delà ils
acquerraient une structure plus dense. Toutefois,
l’élément de base des silicates que nous connaissons,
le tétraèdre SiO4, y serait conservé, nous y reviendrons
au chapitre 4. Cette zone est souvent appelée zone de
transition.
Rappelons que l’on appelle plaque lithosphérique la
partie située au-dessus de la LVZ. Si la partie supérieure de
la lithosphère a un comportement élastique, la partie
inférieure présente un comportement déjà plus ou moins
ductile. La Lithosphère associe donc :
1 - La croûte terrestre, issue du fractionnement du
manteau, de nature très variée selon son origine
océanique ou continentale ;
2 - La partie sommitale du manteau, suffisamment
« froide » pour que ses propriétés mécaniques
permettent de le désaccoupler du manteau convectif
sous-jacent.
La limite inférieure de la lithosphère apparaît donc
bien moins comme une limite chimique que comme
l’isotherme de transition entre le manteau conductif (non
adiabatique) et le manteau convectif adiabatique (TBL pour
Thermal Boundary Layer) et comme une limite rhéologique
entre le manteau convectif et le manteau lithosphérique
rigide (LAB pour Lithosphère-Asthénosphère Boundary).
Une telle limite est susceptible de varier en profondeur de
manière importante en fonction du flux de chaleur (venu du
manteau convectif) qui traverse la base de la lithosphère.
Toutefois, en raison même de son isolement souvent long
vis à vis du reste du manteau, le manteau lithosphérique (en
particulier sous-continental) est voué à une évolution
particulière, nécessairement liée étroitement à l’histoire de
la croûte sus-jacente. Au droit des continents surtout, on
parlera donc à juste titre de
manteau lithosphérique subcontinental,
par opposition au manteau supérieur convectif appelé
manteau supérieur asthénosphérique.
c - manteau inférieur
Nous entrons dans le manteau inférieur avec une
forte discontinuité située vers 670 km. Par rapport aux
transitions de phases mises en évidence dans le manteau susjacent, celle-ci fait apparaître un saut de densité (ρinf / ρsup ≈
1.1) et un saut de viscosité (νinf / νsup >10) beaucoup plus
importants. Pour les géochimistes, la composition chimique
des deux manteaux peut être considérée comme
significativement différente. Le manteau supérieur apparaît
de nature péridotitique23 alors que le manteau inférieur
semble avoir gardé au moins en partie des caractères
chimiques voisins de ceux des matériaux les moins
différenciés que nous connaissions, les chondrites.
Toutefois, cette différence de composition ne peut expliquer
à elle seule le contraste physique observé. Le manteau est
bien constitué de part et d’autre de la discontinuité à 670 km
essentiellement de Silicium et d’Oxygène, et il faut donc
que les silicates du manteau inférieur présentent une
structure beaucoup plus compacte (structure octaédrique dite
pérovskite, SiO6 cf. Chp. 4.C.1) que celle des silicates du
manteau supérieur (structure tétraédrique SiO4). Le rôle
séparateur de ce changement de phase est encore largement
discuté de nos jours, car il intervient directement dans le
mode de convection du manteau, soit à deux étages (deux
sphères emboîtées convectant de manière indépendante),
soit à un seul étage, et la distinction entre un manteau
supérieur et un manteau inférieur n’aurait alors pas de
signification majeure.
Deux couches caractérisées par des spectres de
basses fréquences ont été mises en évidence dans le manteau
inférieur :
1 - la première, entre 620 et 950 km, constitue l’interface
entre manteau supérieur et manteau inférieur (Fig. 23
& 24); elle se situe au voisinage de la profondeur à
laquelle disparaissent les foyers sismiques, en partie
sans doute dans la zone de passage de la structure
spinelle à la structure pérovskite. Le devenir des
plaques subductées, dont on perd la trace sismique à
cette profondeur, n’est pas clair ;
2 - la seconde, à la base du manteau, se manifeste par une
rapide décroissance des fréquences dominantes vers
une profondeur de 2850 km. Cette couche dénommée
« D’’ », est actuellement l’objet d’une attention
23
22
Elle est composée de manteau supérieur plus rapide et de
la croûte (continentale ou océanique).
24/10/13
Péridotite : roche constituée essentiellement de silicates
magnésiens dont la fusion partielle est à l’origine des
basaltes.
- 60 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
particulière. Elle reflèterait à la fois les interactions
entre noyau et manteau, et le stockage profond de
morceaux de plaques subductées.
Pour d’autres auteurs cette couche D’’ résulterait de
la séparation par gravité des matériaux denses générés dans
les premiers stades de la vie de la Terre. Nous avons noté
que la fin de la période d’accrétion - différenciation
coïncide avec le maximum thermique de notre planète :
collisions à grande vitesse, éléments radioactifs à vie longue
abondants et éléments radioactif à vie courte encore
présents. Comme pour la Lune (cf. Chp. 4.D.1.d), la partie
supérieur au moins du manteau (ou sa totalité ?) était
probablement un océan magmatique, en cours de
cristallisation ; comme sur la Lune, cette cristallisation
fractionnée a pu générer des continents de matériau
feldspathique léger, et à l’opposé des matériaux cristallisés
plus denses que le liquide. En sombrant vers le fond du
réservoir, ces matériaux solides soumis à pression croissante
pouvaient donner naissance à des assemblages plus denses
que le liquide, voir même que le manteau non fondu. C’est
dans ce type de scénario que certains auteurs recherchent la
naissance de la couche D’’ encore mystérieuse.
d - Le Noyau
Le réseau d'observatoires séismologiques mis en
place à travers le monde à partir de la fin du XIX° permet de
connaître le temps mis par une onde sismique pour parcourir
une distance donnée. Dès 1906, Oldham constate que les
ondes S captées au-delà de 14000 km de l'épicentre d'un
séisme sont en retard d'une dizaine de minutes sur le temps
prévu. Il en déduit qu'il existe une structure interne centrale
où les ondes sismiques se propagent moins vite. Mais le
phénomène sismique planétaire le plus marquant est
l'existence de la zone d'ombre créée par le noyau, mis en
évidence en 1912 par Gutenberg. Il observa qu’aucune
onde P n'est détectée par les sismographes situés à des
distances angulaires de l'épicentre comprises entre 105 et
142°, et parvint alors à estimer la profondeur du noyau à
2900 km. En effet, partant d'un foyer F (Fig. 25), les ondes P
arrivent directement en tout point situé à une distance
angulaire inférieure à 105°. Le rai correspondant à cette
valeur effleure le noyau. A peine au-delà, il est réfracté dans
le noyau sous l'angle limite, et émerge en surface à plus de
180°. Bien que le Noyau soit de très haute densité, les rais
sont en effet réfractés, car les ondes sont très ralenties par
l'état liquide du noyau. Pour des angles de plus en plus forts,
le ralentissement induit d'abord un rebroussement des rais
Fig. 25: zone d'ombre créée par le noyau.
24/10/13
jusqu'à 142°. Ensuite, l'émergence est de nouveau croissante
jusqu'à 180°. La région 105-142° ne reçoit donc aucun
train d'ondes en provenance de F. En 1926, Sir Harold
Jeffreys constate que l'amplitude des marées terrestres
impose que la rigidité moyenne de la Terre, connue à travers
la mesure des vitesses de propagation des ondes sismiques,
est inférieure à celle du manteau. Il en déduisit que le noyau
devait avoir une rigidité nulle, et donc être liquide. La nonpropagation des ondes S dans le noyau est venue confirmer
l’état liquide du noyau.
Dans les années 30, le perfectionnement des
sismographes permet d'observer des ondes à faible
amplitude. Parmi celles-ci, les ondes notées PKIKP dans la
figure 25 sont incompatibles avec l'hypothèse d'un noyau
homogène. Dès 1936, Inge Lehmann en déduit l'existence
d'une discontinuité à l'intérieur du noyau, la graine (1220 km
de rayon). Les sismologues ont montré que le spectre des
modes propres des oscillations de la Terre décrites plus
avant (fig. 20) ne peut s'expliquer que si la graine est solide
et légèrement plus dense que le noyau externe. La courbe de
vitesse des ondes P (Fig. 23) illustre bien cette structure
stratifiée du noyau:
1 - Dans le noyau externe liquide, la vitesse des ondes P
croît lentement ;
2 - Le contact noyau-graine (noyau externe - noyau
interne) est marqué par un petit ralentissement ;
3 - L’entrée dans la graine solide provoque un fort
gradient positif de la vitesse;
4 - Peut-être une autre discontinuité est-elle marquée par
une petite chute de vitesse, puis celle-ci croît
lentement jusqu’au centre de la Terre.
L’étude encore très incomplète des spectres d’énergie
montre également une structure stratifiée du noyau
(Tableau 3 et Fig. 23), ainsi que des corrélations importantes
entre les variations de vitesse des ondes P et les spectres de
fréquence de ces ondes.
C - Le magnétisme
Voir cours_2012_2013_magnetisme.ppsx. ; Les aurores
polaires, draperies de lumière mouvante rose à vert bleuté
visibles sous les hautes latitudes, ont longtemps hanté
l’imaginaire humain. Elles constituent la première
manifestation observable de l'activité magnétique de la
planète. On a pu montrer par satellite et par des observations
coordonnées aux deux pôles que ces phénomènes y sont
simultanés et partiellement symétriques.
1 - le champ magnétique terrestre,
La boussole est un instrument connu en Chine au
début de notre ère, peut-être même au II° siècle avant J.C.
Elle n'arrive en Europe qu'à la fin du XII°.
Roger Bacon (1216), puis Petrus Pérégrinus (1269),
notent que si l'aiguille aimantée pointe toujours dans la
même direction, il n'y a pas forcément un lien ni avec l'étoile
polaire, ni avec des masses de roches magnétiques, éparses
sur la surface connue de la Terre.
Relation entre Tesla, Oersted, et gamma
- 61 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 26: Le champ magnétique terrestre.
24/10/13
Fig. 27: champ dipolaire théorique.
PPérégrinus définit le concept de la polarité
magnétique. Au XVI°, l'observation de l'inclinaison
magnétique (Fig. 26, angle avec l’horizontale dans le
plan du méridien magnétique) impose définitivement
l'idée que le champ magnétique n'est pas lié à une
étoile mais à la Terre elle-même. La non coïncidence
http://magnet-therapy-24.blogspot.fr/2011/11/earths-magnetic-fields-and-how-it.html
des pôles magnétiques avec l'axe de rotation de la
Terre (déclinaison, angle entre les directions des pôles degré n et d'ordre m de la forme:
magnétique et géographique, déclinaison positive vers l’est
et négative vers l’ouest, Fig. 26) était connue des
m
n
m
n+1} Cos mφ
φ
chinois à l'époque où la boussole arrive chez nous.
V=RΣ
Σ∞ Σn Pmn(θ
θ)[ {(ge) n(r/R) +(gi) n(R/r)
n=1
m=0
Nous en refaisons la découverte à cette époque, et
+{
{(he)mn(r/R)n+(hi)mn(R/r)n+1}Sin mφ
φ]
Gilbert énonce en 1600 que le champ magnétique
m
où : P n(θ) est la fonction harmonique sphérique de Schmidt;
terrestre est un dipôle et qu'il est interne à la planète.
Au début du XIX°, Gauss formule la théorie du
θ et φ sont respectivement les latitude et longitude magnétiques;
magnétisme, mettant en évidence la prépondérance
g et h sont les coefficients de Gauss, pour les sources;
du champ dipolaire sur les champs multipolaires
e et i sont respectivement externe et interne à la sphère.
avec la distance. A la surface de la Terre, 90% du
champ est assimilable à un dipôle, incliné de 11.5° sur l'axe
Gauss montra en 1839 non seulement que
de rotation de la Terre (fig. 27)
l'approximation selon laquelle aucun courant électrique
En un point donné de la surface terrestre et à un extérieur perturbant le champ terrestre était satisfaisante,
moment donné, le champ F est défini (Fig. 26) par sa mais qu'en outre les coefficients ge et he pouvaient être
déclinaison D, son inclinaison I et son intensité, qui varie de considérés comme nuls pour rendre compte de l'essentiel du
l'équateur au pôle, entre 33000 et 70000 nano Teslas champ dipolaire à la surface de la Terre. Le champ terrestre
pouvait donc bien être considéré comme d'origine interne.
actuellement.
Restons quelques instants sur le champ dipolaire. Il
pourrait avoir une origine externe tout aussi bien qu’une
cause interne. En première approximation, on admet
qu'aucun champ électrique ne perturbe le champ terrestre.
Autrement dit, aucune ligne de courant ne recoupe la surface
de la Terre, Gauss considère que le champ dipolaire de la
Terre considérée comme une sphère de rayon R, peut être
dérivé du potentiel V, fonction qui satisfait aux équations de
Laplace.
Le potentiel V, en un point de la sphère peut alors
être représenté par une série d'harmoniques sphériques de
2 - Le champ déformé de la magnétosphère
En s'éloignant dans l'espace, la magnétosphère (cf.
Chp. 5.C.2) est très fortement déformée (Fig. 28a). Elle est
confinée par la pression du vent solaire (particules chargées,
protons, électrons, ions H+, He2+, constituant un plasma
contenant en moyenne 10 particules/cm3) animé d’une
vitesse de quelques 300 Km sec-1dans le plan équatorial
solaire à 800 Km sec-1 au voisinage du pôle solaire. A
l’image de l’onde de choc supersonique, le vent solaire
provoque une onde de choc sur la face avant de la
magnétosphère. Le vent solaire a aussi pour effet d’étirer le
Fig. 28a : champ magnétique terrestre comprimé et raccordé au champ solaire ;
Fig. 28b : piégeage des particules dans les vortex (aurore).
a)
b)
- 62 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
champ magnétique solaire jusqu’aux confins de notre
système. Dans la magnétopause, limite d’influence de la
magnétosphère, les champs solaire et terrestre fusionnent.
On parle de reconnections des lignes de champ.
La déformation de la magnétosphère est permanente
et considérable. Elle s’étend à environ 65000 Km en
direction du soleil, soit environ 10 rayons terrestres
seulement, mais à plus de 1000 rayons terrestres du côté
nuit ! La “ densité ” de la magnéto gaine est de l'ordre de
1000 particules/cm3.
En temps ordinaire, l'essentiel du vent solaire est
dévié par la magnétosphère et les particules solaires ne
parviennent pas jusqu’à l’ionosphère terrestre. Lors des
tempêtes solaires, le flux de particules est considérablement
accéléré. Mesurée en 2001, la vitesse des électrons atteignait
750 Km.sec-1. Selon leur incidence, les particules sont soit
détournées par les lignes du champ terrestre soit piégées et
dirigées vers la corne polaire (vortex, fig. 28b), nourrissant
l’ovale auroral en particules (Fig. 29, degré d’ionisation des
ovales nord et sud au moment de l’écriture de ces lignes). Si
l’énergie des particules est suffisante (cas les vents solaires
issus d’éruptions) elles descendent jusque dans la « basse »
Fig. 29 : Ionisation des zones polaires 08 07 2013.
Le site web montre (en léger différé = 2h30) l’état
d’ionisation des zones polaires à 12h 35. Plus la zone est
rouge plus la chance de voir une aurore est grande. La
flèche rouge indique le sens du midi solaire vrai.
24/10/13
atmosphère. Elles y produisent de la lumière dans l’ovale
auroral, les aurores boréales et australes, grossièrement
symétriques et simultanées (cf. . Fig. 29), en ionisant
l'atmosphère très raréfiée au-delà de 70 Km (ionosphère).
Nous y reviendrons lors de la description de l’atmosphère
(Chp. 5.C.2).
Lors d'éruptions solaires particulièrement fortes, les
satellites et les systèmes électriques au sol peuvent être
endommagés (on parle d’électrons tueurs de satellites), les
compas et les liaisons radios.
3 - Le champ terrestre est actif
En 1634, Gellibrand découvrit que la déclinaison et
l'inclinaison
varient
lentement
avec
le
temps.
L'accumulation des relevés faits depuis lors a montré que la
position des pôles magnétiques terrestres a varié de façon
importante (plusieurs dizaines de degrés de longitude,
(Fig. 30). Cette variation séculaire du champ est trop
rapide pour être expliquée par un phénomène superficiel tel
que la dérive des continents. On a longtemps attribué la
variation séculaire à un phénomène de précession du champ
dipolaire (rotation de l'axe du dipôle autour d'un axe
constant, à la manière d'une toupie) mais les mesures
obtenues sur des fours de potiers datés (depuis le début du
1° Millénaire en Europe) et conservés en place ne viennent
pas s’aligner sur l’ovale espéré, infirmant cette hypothèse.
La variation séculaire n’est pas donc pas encore clairement
expliquée de nos jours. En outre on a pu montrer qu'en
Europe occidentale, le champ magnétique a régulièrement
décru depuis le ~VI° siècle jusqu’à sa valeur actuelle,
perdant environ 50% de son intensité.
On sait depuis Pérégrinus que le champ propre des
matériaux observés en surface reflète le caractère
ferromagnétique de certains minéraux ferrifères qui les
constituent. Contrairement aux substances diamagnétiques
ou paramagnétiques dont l’aimantation acquise sous l’effet
d’un champ extérieur cesse avec ce champ, les corps
ferromagnétiques sont capables d'enregistrer le champ
existant et de le conserver ensuite, sauf pour une valeur
faible de ce champ. L’aimantation J acquise par un corps
ferromagnétique est fonction de l’intensité du champ
appliqué H, jusqu’à saturation de l’aimantation Js (Fig. 31).
L’aimantation acquise ne peut donc dépasser la valeur de Jc,
quel que soit H. Lorsque le champ appliqué H cesse,
l’aimantation J décroît jusqu’à Jr, aimantation rémanente,
mais ne s’annule pas. On peut faire disparaître cette
aimantation rémanente en appliquant au corps aimanté un
champ inverse, dit coercitif (Hc). En faisant varier le champ
H entre deux valeurs identiques mais de sens opposé, on
Fig. 30 : variation séculaire du champ magnétique.
http://www.swpc.noaa.gov/pmap/index.html
- 63 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 31 : Courbe d’hystérésis des corps Ferromagnétiques.
24/10/13
champ magnétique, et à cause de la turbulence, un courant
est auto-induit dans le fluide. Si la configuration permet à ce
courant d'amplifier le champ magnétique initial, le
mécanisme est alors auto-entretenu (voir wiki PN, Origine
du champ magnétique terrestre, W.Saifane 2010).
Cette idée fut reprise par Elsasser (1946) puis par
Bullard à propos du champ terrestre (1949). La dynamodisque de Bullard (Fig. 32) en explique le principe : un
disque conducteur tournant dans un champ magnétique
initial produit une force électromotrice; les charges, stockées
à la périphérie du disque sont évacuées par une spire
coaxiale qui produit alors un champ qui renforce le champ
initial. La résistance du circuit et le sens des courants induits
(Lenz 1833) imposent une limite à l'accroissement du
champ, mais la dynamo produira un champ tant que le
conducteur sera en rotation.
obtient ainsi une courbe fermée d’aimantation appelée
hystérésis. Les champs que l’on mesure sur des roches
contenant des minéraux ferromagnétiques sont donc des
champs rémanents (fossiles), datant de leur cristallisation
(e.g. roches volcaniques) ou de leur sédimentation
(orientation dans le champ durant la chute vers le fond).
L’aimantation rémanente des matériaux ferromagnétiques
est effacée par la température (point de Curie). La T°
maximum du point de Curie des minéraux terrestre (silicates
ou oxydes) ne dépasse pas 770°C (Fe). Elle n’est que de
580°C pour la magnétite, principal minéral ferromagnétique
dans la croûte Terrestre. Compte tenu de la valeur du
gradient de T° terrestre, aucun champ rémanent ne peut
donc subsister au-delà de 25 à 30 Km de profondeur. Le
champ magnétique terrestre est donc actif, et lié à des
courants électriques profonds. Il existe donc une
géo-dynamo magnétohydrodynamique au cœur de la
planète. Le noyau représente à cet effet “LE ” candidat
idéal : le Noyau est un conducteur (Fer liquide) animé de
mouvements (courants de convection) plongé dans un
champ initial (champ solaire)
Dans une sphère fluide conductrice mais non
convective en rotation et soumise à un champ initial il ne se
passe rien car la distribution de la conductivité est alors
homogène. Par contre, le cas d'une sphère convective
introduit une hétérogénéité. Le conducteur y décrira des
boucles simples, de la forme des cellules de convection.
Depuis les travaux de F.H. Busse (1970) sur les systèmes en
rotation rapide, on imagine que la convection dans le noyau
se fait au moyen de cellules parallèles à l’axe de rotation
(Fig. 33a). La vitesse de rotation étant maximum à
l’équateur, ces cellules ne sont pas des cylindres mais des
lobes nord-sud enroulés par la rotation (Fig.33b). Le nombre
des lobes est proportionnel à la vitesse de rotation de la
sphère. Le schéma de la convection de Busse montre, au
sein de la cellule, les lignes de déplacement du fluide. Le
champ magnétique étant gelé (piégé) dans le fer liquide du
noyau, il est entrainé par la convection.
Fig. 33a : modèle de convection dans le noyau selon
Busse 1970.
4 - Un champ magnétique auto-entretenu
Lire Q - Magnetisme - Origine du champ magnétique terrestre ; Q - Magnétisme - Le fonctionnement du noyau terrestre L'idée d'un champ magnétique auto-entretenu fut
proposée tout d’abord par Larmor en 1919 pour expliquer le
champ solaire. La dynamo hydrodynamique terrestre est le
moyen permettant la conversion de l'énergie cinétique tirée
de la convection du noyau liquide — convection engendrée par la
Saifane.htm.
Pacaud.htm.
http://iopscience.iop.org/1367-2630/9/8/306/fulltext
cristallisation fractionnée progressive du liquide Fe-Ni du noyau en graine
solide
—
en
énergie
magnétique via le fluide
conducteur qu’est le Fe-Ni
liquide du noyau. En effet,
lorsque ce dernier est en
mouvement, il crée un
Fig. 32 : disque dynamo de Bullard.
Fig. 33b : Cellules de convection de Busse dans un
modèle actuel de sphère en rotation.
http://www.gla.ac.uk/schools/mathematicsstatistics/research/maths
/fluids-mhd/#
- 64 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 34 : naissance d'un champ
toroïdal
dans
une
sphère
hétérogène en rotation.
24/10/13
Fig. 35a : magnéto à double disque de
Rikitake (1958).
Fig. 35b : variations du
temps
temps.
Ill suffit que la vitesse du fluide soit suffisante (x10
km/an dans le noyau) pour que la force de Coriolis puisse
enrouler le conducteur, qui décrira alors des spires tout en
parcourant la boucle convective,
ective, dessinant un tore (Fig. 34).
La figure montre comment les lignes
es de force d'un champ
initial poloïdal commencent à s’enrouler (en haut à gauche
puis à droite),, donnant naissance à un champ tore
tor (en bas à
gauche). Dans ce tore parcouru par le fluide
fluid conducteur naît
alors un nouveau champ poloïdal (en bas à droite) qui vient
renforcer le champ poloïdal initial. La dynamo autoentretenue est alors activée.
Dans le Noyau terrestre, le champ dipolaire (90% du
champ) résulterait de ce champ toroïdal, lié à la rotation de
la Terre. Les 10% multipolaires du champ résulteraient en
grande partie de mouvements cycloniques variés dans le
noyau. On a longtemps pensé que la présence de
d la graine
solide reconnue au cœur du noyau liquide par le PREM était
indispensable
ensable au fonctionnement d’une telle dynamo. Cette
contrainte reposait sur l’idée que la convection du noyau
était engendrée essentiellement par le fractionnement des
éléments lourds (Fe, Ni,, nous reviendrons sur la
Fig. 36 : structure symétrique et alternée du magnétisme
rémanent du plancher océanique Est Pacifique.
composition du noyau au chapitre 4)
4 dans
le processus de cristallisation de la graine
au dépend du noyau liquide.
liquide Le liquide
situé au-dessus
dessus de la surface de la graine
« fraîchement » cristallisée se trouve ainsi
enrichi en éléments légers (Si, O, S, H) par
rapport au reste du liquide et tend donc à
convecter spontanément grâce à ce
changement de densité lié au changement
courant avec le
de composition.
composition On considère maintenant
au contraire,
contraire depuis Sakuraba & Kono,
1999,
que la convection purement
thermique est un moteur possible pour
notre dynamo,
dynamo et qu’il a fort bien pu
présider seul à la convection du noyau
terrestre,, même dans un noyau resté
entièrement liquide durant les premiers
âges de la Terre.
Terre L’âge magnétique connu
de la Terre (environ 3.8 Ga.) n’est donc
plus l’âge le plus ancien admissible pour la graine,
gr
et les
modèles les plus récents de refroidissement du manteau et
du noyau suggèrent au contraire que la graine est
relativement jeune et n’aurait guère plus de 2Ga.
Si une dynamo auto-entretenue
entretenue comme la dynamo de
Bullard peut maintenir un champ d'une
d'un polarité donnée, elle
peut fonctionner aussi avec la polarité inverse. La dynamo
simple-disque
disque de Bullard présente un fonctionnement
constant et stable. Par contre une dynamo à double disque,
comme celle de Rikitake (Fig.
(Fig 35a) montre des oscillations
du champ et inversions
ions spontanées des pôles (Fig. 35b).
Depuis Brunhes au début du XX° siècle, on
connaissait des régions
Fig. 37
3 : taches solaires.
volcaniques anciennes
dont le magnétisme
rémanent montrait une
polarité inverse de
celle du champ actuel,
mais ce phénomène
d’inversion des pôles a
été clairement mis en
évidence sur terre avec
l’exploration
des
océans dans les années 1950 et 60 (Fig. 36) qui a montré que
le plancher océanique est constitué d’une succession de
bandes parallèles de polarité alternée, N-S
N puis S-N, etc.
L’inversion
inversion des pôles magnétiques terrestre n’a rien de
régulier. On a pu mettre en évidence des durées de polarité
très courtes de l’ordre de 100 000 ans et à l’opposé des
durées très longues entre deux polarités, e plusieurs dizaines
de millions d’années. On n’a encore aujourd’hui fort peu
d’idées sur les raisons qui président à une telle diversité de
la durée des polarités du champ magnétique terrestre. Les
mesures faites sur des piles de coulées volcaniques montrent
que la durée d’une inversion est de l’ordre
l’o
de 5000 ans
environ et qu’elle s’accompagne d’un affaiblissement très
important de l’intensité du champ dipolaire, voire de sa
disparition. Le chemin suivi par les pôles magnétiques
durant une inversion est longtemps apparu erratique.
Cependant, quelques
ues inversions récentes du champ terrestre
ont été bien enregistrées lors des épisodes volcaniques
contemporains. Ces séries volcaniques ont été abondamment
et précisément datées, et il résulte de ces études que les
pôles migreraient durant l'inversion en suivant des
longitudes privilégiées. Ce fait reflète peut-être
peut
les
- 65 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
mouvements convectifs externes du noyau. Nous y
reviendrons dans la description du fonctionnement du noyau
(Chp. 4.A.3).
Fig.38 : Variation du nombre de taches solaires observées
Le Soleil présente un comportement similaire
organisé par le cycle solaire de 22 ans (2 x 11ans). Galilée
avait observé les taches solaires, avec moins de définition
que dans l’image de la figure 37. Sa lunette ne lui permettait
que d’imaginer des nuages flottant dans l'atmosphère du
soleil, obscurcissant un peu de sa lumière. En 1843, S. H.
Schwabe annonce24 que le nombre de taches solaires varie
de manière cyclique, atteignant un apogée à environ tous les
dix ans. R. Wolf passe plus de 40 ans à fouiller les archives
des observatoires astronomiques25 et parvient à reconstituer
l'histoire de ces variations jusqu'à 1745. Il révise alors à 11
ans la période du cycle de Schwabe (Fig. 38).
Leur nature magnétique sera établie en 1897, lorsque
Pieter Zeeman découvre qu’en présence d’un champ
magnétique fort, l’intensité de l'émission de lumière d’un
gaz surchauffé (émission aux longueurs d'ondes définies par
les éléments qu’il contient) est divisée en fonction de la
force du champ en différentes longueurs d'ondes. Or les
couleurs de la lumière émise à partir des taches solaires
étaient "divisées" exactement de cette façon. Par ailleurs et
corrélativement, les orages magnétiques les plus puissants
ont lieu durant les années où les taches solaires sont les plus
nombreuses.
George Elery Hale confirma la vraie nature magnétique
des taches solaires en 1908 et il établit que :
1 - les grandes taches solaires apparaissent en paires
rapprochées, à peu près alignées dans la direction de
la rotation du Soleil ;
2 - les polarités des paires sont toujours opposées et quasi
toujours ordonnées de la même manière dans chaque
hémisphère;
3 - l'ordre des polarités est inversé d'un hémisphère à
l'autre;
4 - les polarités s'inversent d'un cycle à l'autre.
Il observa aussi que le champ est si puissant (3000
fois plus fort, près de la surface de la terre, que le champ
terrestre) qu’il ralentissait le flot de chaleur provenant de
l'intérieur du soleil, causant les taches plus sombres que le
reste du soleil.
En 1919 Sir Joseph Larmor proposa la théorie
suivante : les champs des taches solaires étaient dus à ces
courants dynamos. Il suggéra qu'une chaîne fermée de cause
à effet existait, dans laquelle le champ créé par ces courants
était aussi le champ qui les rendait possible, le champ dans
lequel le mouvement du plasma générait les courants
nécessaires. Beaucoup de caractéristiques de ces taches
solaires restent un mystère, mais l'idée de J. Larmor permit
l'ouverture d'une ère de nouvelle compréhension des
processus magnétiques dans le noyau terrestre.
En 1957, on observa que le soleil était en train de
subir une inversion de ses pôles. Le passage d'un état stable
24
après 17 ans d'observations quotidiennes !
25
Tiré de Paul Charbonneau Département de physique,
Université de Montréal, Agence spatiale canadienne,
www.asc-csa.gc.ca.
24/10/13
http://www.asc-csa.gc.ca/fra/sciences/taches_solaires2.asp
à l'état stable inverse dura 18 mois. Le mécanisme de ces
inversions est complexe et encore mal compris, mais elles
sont la règle. Tous les 11ans à peu près, à l'approche du
maximum d’activité solaire, c'est-à-dire lorsque le nombre
des tâches est à son maximum, les pôles magnétiques
échangent leur place. Inversement, cette inversion est une
bonne indication que le maximum solaire est bien atteint. La
dernière inversion enregistrée se situe lors du pic du cycle
23, en 2001 et la prochaine devrait avoir lieu en 2012 mais
le cycle 24 est largement en retard (Chp. 5.B.1.c Fig. 19)
En 2007, D. Gubbins, A. P. Willis et B. Sreenivasan
ont montré que les variations latérales du flux de chaleur
dans le manteau inférieur sont capables d’influencer
l’activité de la géo-dynamo. Le champ terrestre n’est pas
seulement dipolaire. Il existe aussi un champ quadripolaire
d’intensité beaucoup plus faible que le champ dipolaire, qui
occupe une position à peu près symétrique par rapport à
l’équateur. On définit donc 2 dipôles, tous deux symétriques
par rapport à l’équateur, appelés Sibérien et Canadien. Si
l’axe du champ dipolaire est largement bloqué par l’axe de
rotation de la Terre — et donc n’évolue que peu et très lentement
autour de cet axe — le champ quadripolaire évolue semble-t-il
avec une plus grande liberté, comme le montre La figure 39
(a,b page suivante) tirée des travaux de Gubbins et al.. Mais
il reste néanmoins relativement permanent autour de ses
deux pôles Sibérien et Canadien. Autre relative fixité dans le
temps, on observe qu’au cours des inversions du champ
dipolaire, les pôles Nord et Sud migrent en suivant un
chemin préférentiel bien enregistré par le volcanisme de la
Terre, (cf. chp. 4).
Mais si l’intensité de ce quadripôle est beaucoup plus
faible que le champ dipolaire en temps normal. Au cours des
inversions de pôles, avec l’affaiblissement de l’intensité du
champ dipolaire, c’est ce champ quadripolaire qui
deviendrait « majoritaire » (cf chp 4). Les deux dipôles
(sibérien et canadien) constitutifs de ce quadripôle sont
présentés dans une série d’animations, qui montre le flux
magnétique obtenu en fonction des variations latérales
possibles du flux de chaleur (déduites des variations de
vitesse des ondes S) au sein du manteau inférieur au
voisinage de la limite manteau noyau. Le champ actuel est
bien modélisé, la paire canadienne apparaît fixe alors que la
paire sibérienne est plus mobile, comme le suggère
l’ensemble des observations sur 300ans. La morphologie du
champ magnétique terrestre ne dépendrait donc pas
uniquement de la structure interne du noyau et de la graine,
mais aussi de la structure thermique du manteau inférieur.
Les 3 animations montrent le champ quadripôle
- 66 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 39 a-b-c : champ quadripolaire observé à la surface
a) 1750
b) 1990
c)
24/10/13
latérale de vitesse des ondes S
— mises en évidence par la
tomographie sismique
au sein du
manteau inférieur au voisinage de la
limite manteau noyau — comme
résultant de variations du flux de
chaleur, les auteurs obtiennent
une modélisation satisfaisante du
champ quadripolaire actuel et de
http://yakari.polytechnique.fr/people/willis/papers/pepi162_256.pdf
ses variations entre 1750 et 1990
(Fig.
39-c-d).
La
paire
canadienne
y apparaît fixe, alors que
modélisé pour trois valeurs du rapport hétérogénéité du flux
la
paire
sibérienne
est
plus
mobile,
conformément à ce que
de chaleur sur flux moyen sortant (Ra_H/Ra_V) de la
suggère
l’ensemble
des
observations
sur la même période
couche limite entre le noyau liquide et le manteau silicaté.
dans la figure 39 a-b.
Les auteurs ont donc pensé que de telles constances,
La morphologie du champ magnétique terrestre ne
tant en longitude dans la position du quadripôle qu’en
dépendrait
donc pas uniquement de la structure interne du
chemin préférentiel du dipôle lors des inversions, doivent
noyau
et
de
la graine, mais aussi de la structure thermique
résulter d’un manque de symétrie sphérique dans le manteau
du
manteau
inférieur.
car rien ne s’opposerait, dans le cas contraire, à une rotation
de ce quadripôle, ou bien à un chemin plus aléatoire du
Les étoiles et les planètes ont des champs
dipôle en inversion. Dans ce travail, les deux dipôles magnétiques très variés. Le rôle de la rotation du corps
(Sibérien et Canadien) constitutifs de ce quadripôle sont explique que le dipôle magnétique coïncide ou presque avec
présentés dans une série d’animations, qui montre le flux l'axe de rotation du globe. Cette constatation a été faite sur
magnétique obtenu en faisant varier latéralement le flux de Terre comme sur les autres corps célestes émettant un
chaleur dans le manteau. En considérant les variations champ actif (Tableau 4).
Tableau 4 : champ magnétique des planètes et des étoiles
Astre
densité période de rayon (Km)
rotation
Soleil
27j
695000
Mercure
5.3
59 j
2425
Vénus
4.95
243j
6070
Terre
5.52
23h 56’
6400
Lune
3.6
27j
1740
Mars
3.95
24h 37’
3395
Jupiter
1.33
9h 55’
71300
Saturne
0.69
10h 38’
60100
Uranus
1.56
10h 49’
24500
Neptune
2.27
15h 48’
25100
étoile magnétique
10h
2000000
pulsar
1’’
qqs km
quasar
voie lactée
200 Ma
50000 a.u.
Champ prévu
(gauss)
1
0.0035
0.001
0.0004
0.06
14
5
1.8
1.6
103
1013
0.001
0.00001
champ observé origine du champ
(gauss)
1
dynamo active
0.0020
dynamo active
nul ?
?
0.3
dynamo active
0.00001
dynamo ancienne ?
0.0006
dynamo ancienne
4
dynamo active
?
dynamo active?
?
?
?
?
500-1000
dynamo active
?
dynamo active
0.0001-0.001
?
<0.00001
?
Sites WEB consultés
http://www1.gly.bris.ac.uk/~george/gjift96/gjift96.html#figs
http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap011113.html
http://www.space.com/scienceastronomy/gravity_map_030725.html
http://denali.gsfc.nasa.gov/research/earth_grav/earth_grav_med.jpg
http://renass.u-strasbg.fr/
http://sismalp.obs.ujf-grenoble.fr/sismalp.html
http://www.unb.ca/courses/geol1001a/lec-8.htm
http://www.unb.ca/courses/geol1001a/lec-10.htm
http://www.unb.ca/courses/geol1001a/lec-13.htm
http://www.scecdc.scec.org/Module/module.html
http://www.pmel.noaa.gov/vents/acoustics/seismicity/seismicity.html
http://www.seismo.unr.edu/ftp/pub/louie/class/100/seismic-waves.html
http://web.ngdc.noaa.gov/mgg/image/images.html
http://lasker.princeton.edu/ScienceProjects/curr/waves/seismic_waves.htm
http://www.eas.purdue.edu/~braile/edumod/slinky/slinky.htm
http://mahi.ucsd.edu/Gabi/3dmodels.html
http://istp.gsfc.nasa.gov/earthmag/dynamos2.htm
http://www-istp.gsfc.nasa.gov/earthmag/demagint.htm
http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s1/magnetisme.terr.html
http://csep10.phys.utk.edu/astr161/lect/earth/magnetic.html
http://www.psc.edu/science/Glatzmaier/glatzmaier.html
http://www.spaceweather.com/glossary/imf.html
http://www-istp.gsfc.nasa.gov/Education/Imagnet.html
http://www.phy6.org/earthmag/sunspots_fr.html
http://www.ubka.uni-karlsruhe.de/cgi-bin/psview?document=/fzk/6797
http://www.didiersvt.com/cd_1s/html/c1/prem.htm
http://mahi.ucsd.edu/Gabi/rem.dir/rem.home.html
http://www.didiersvt.com/cd_1s/html/c1/prem.htm
http://homepage.oma.be/mvc/
http://www.esgt.cnam.fr/fr/surcharge.htm
http://www.astrosurf.com/luxorion/sysol-soleil-magnetique2.htm
http://www.swpc.noaa.gov/pmap/index.html
http://www.asc-csa.gc.ca/fra/sciences/taches_solaires2.asp
http://iopscience.iop.org/1367-2630/9/8/306/fulltext
http://www.gla.ac.uk/schools/mathematicsstatistics/research/maths/fluids-mhd/# http://www.gps.caltech.edu/~alex/subduction.htm
http://www.ladhyx.polytechnique.fr/people/willis/papers/pepi162_256.pdf http://principles.ou.edu/earth_figure_gravity/geoid/index.htm
http://yakari.polytechnique.fr/people/willis/papers/pepi162_256.pdf
http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/78/78/09/PDF/InversionsBsolaire.pdf = Inversions du champ magnétique solaire: observations
http://www.google.fr/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CDEQFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww.math.ens.fr%2Fenseignement%2F
- 67 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
telecharger_fichier.php%3Ffichier%3D392&ei=8N7rUenJGYfEPZ7MgbgH&usg=AFQjCNECLTiwQRRKOZjYu920GC_WGf6XPQ&b
vm = Equations de la magnétohydrodynamique, théorèmes anti-dynamo, instabilités
http://risc-e.univ-rennes1.fr/IMG/pdf/nathanael_schaeffer.pdf = MagnétoHydroDynamique & Dynamo : turbulence et ordre
Quelques idées fortes
Quelques idées fortes :
Gravité
En 1798 Cavendish mesure G= 6.67 10
-11
SI et montre que la Terre est constituée de 2 couches
L’unité de pesanteur, le gal, équivaut à 10-2m.s-2 La pesanteur terrestre est de l’ordre de 980 gal :
Le fil à plomb (g) ne passe pas par le centre de la Terre, sauf aux pôles;
L’intensité du champ de pesanteur varie avec la latitude. ;
L’image du champ de pesanteur = l’image de la topographie, faible au droit des fosses, fort au droit des montagnes
Les hétérogénéités de masses volumiques dans la croûte terrestre sont compensées :
Cette compensation est de type hydrostatique, elle est appelée isostasie ;
Elle confirme la plasticité de la Terre
Séismicité
Un séisme émet au foyer des ondes de volume :
P, ondes de compression dilatation (longitudinales) elles traversent tous les milieux ;
S, ondes de cisaillement (transversales), et ne sont pas transmises par les liquides ;
En arrivant à la surface, P et S créent des ondes dévastatrices propagées en surface, dites ondes de Love et de Rayleigh
Discontinuité de Mohorovicic, sépare la croûte du manteau :
Croûte = constituée de silicate alumineux, SiAl ; Manteau = constitué de silicate magnésien, SiMg, alias SiMa ;
Croûte océanique : « Moho » à 5-10 km; Croûte continentale : « Moho » à 20-30km, jusqu’à 70 km sous les montagnes ;
Asthénosphère = LVZ dans le manteau = zone ductile débute vers 100 km et finit vers 250 km ;
Lithosphère = tout ce qui est au dessus de la LVZ ( et donc a un comportement fragile)
Discontinuité à 670 km sépare manteau supérieur et manteau inférieur :
Jusqu’à 900 km environ zone de transformation de la structure spinelle (ρ faible) à la structure pérovskite (ρ fort) ;
Couche D’’, Vers 2850 jusqu’a 2900km, résultant des interactions entre manteau et le noyau ;
Discontinuité de Gutenberg, à 2900km, sépare le manteau solide (silicaté) du noyau liquide (alliage fondu de Fe-Ni) :
C’est la coupure majeure de toutes les planètes rocheuses : sur terre : ρ manteau = 4 ; ρ noyau = 12 ;
Le ∆ρ très fort crée une zone d'ombre sismique en surface (pas d’ondes reçues entre 105 et 142°) ;
Le noyau ne transmet pas les ondes S, il est liquide
Discontinuité de Lehmann à 5100 km, sépare le noyau liquide de la graine (alliage cristallisé de Fe-Ni)
Magnétisme
En 1600 Gilbert énonce que le champ magnétique est un dipôle, et qu'il est interne à la planète :
le champ F est défini par :
Sa déclinaison D (angle entre les directions des pôles magnétique et géographique) ;
Son inclinaison I (angle avec l’horizontale dans le plan du méridien magnétique) ;
Son intensité, qui varie de l'équateur au pôle, entre 33000 et 70000 Nano-Teslas ;
90% du champ est assimilable à un dipôle, incliné de 11.5° sur l'axe de rotation de la Terre :
Aucun champ rémanent ne peut subsister au-delà de 25 à 30 Km de profondeur ;
Le champ terrestre est actif, il varie avec le temps (variation séculaire) ;
Le noyau ferreux liquide de la Terre fonctionne comme une géodynamo magnétohydrodynamique
la magnétosphère est déformée par la pression de vent solaire,
Elle s’étend à 10 rayons terrestres seulement côté Soleil, et à plus de 1000 rayons terrestres du côté nuit !
Le champ terrestre, comme le champ solaire, s’inverse ;
Le mécanisme de ces inversions est complexe et encore mal compris ;
L'intensité du champ décroît, s'annule durant l'inversion, puis augmente à nouveau.
- 68 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Interfaces coloured
according to PREM model
http://sw3d.mff.cuni.cz/
CHAPITRE 4
Les enveloppes
enveloppes rocheuses de la Terre
Lire Q - Terre - Caractéristiques des differentes couches de la
Terre et interfaces - Tersonnier.htm
M
Mq
Fe
Les météorites précoces formées dans la nébuleuse
solaire (les chondrites CI) et la photosphère solaire actuelle
nous enseignent qu’au moment dee la formation de la Terre,
le rapport molaire du Fer au Magnésium était de l’ordre de
0.84. Dans l’hypothèse généralement admise d’une
nébuleuse chimiquement homogène au moment de la
formation du soleil et des planètes, ce rapport doit être aussi
celui de la Terre.
Partant des proportions massiques des éléments
majeurs du manteau:
O=50%; Si=22% ; Mg=22% ; Fe=6% e : Mg=22%, Fe=6%
et des masses molaires des éléments :
mO=16, mSi=28, mMg=24.3, mFe=56
on constate que le rapport molaire du manteau Fe/Mg
= (6/56)
56) / (22/24.3) n’est que de 0.1 environ. A Magnésium
constant, il manque donc une quantité importante de Fer
dans le manteau que nous pouvons essayer d’estimer :
1 - la masse molaire moyenne du manteau (0.5*16 +
0.22*28 + 0.22*24.3 + 0.06*56) est de =22.8.
2 - lee nombre de moles de Magnésium NMg
N
dans le
manteau s'écrit : NMg = Mg/mMg * Mmanteau
M
(1)
Si l'on suppose que le rapport molaire Fe/Mg de la
Terre totale est
égal à celui des chondrites (0.84), on en
mq
déduit que M Fe la masse manquante de fer
fe est :
Mq
Fe
=
N
Mq
Fe
*
m
Fe

=

N
Terre
Fe
−
N
Manteau 
x

Fe
m
Fe
on sait que
N
Terre
=
Fe
N
Terre
Mg
x
N
Chon
Fe
N
Chon
Mg
Or, puisque Mg est constant, on a
N
Terre
Mg
=
N
Manteau
Mg
=
N
Mg
donc on réécrit la masse manquante de fer du manteau
M
Mq
Fe
=
N
Mg


x


N
Chon
Fe
N
Chon
Mg
M
manteau
∗ Mg ∗
M
A - Le Noyau Terrestre
M
=
−
N
ChManteau
Fe
N
Manteau
Mg


x


m
Fe
et en remplaçant de (1) NMg par Mg/mMg * Mmanteau on a :
m
Mq
Fe
m
=




Mg 

M
ou M
Fe
N
Fe
N
manteau
Mq
Fe
Chon
=
Chon
−
N
ChManteau
Fe
Mg
∗ 0.22 ∗ 56
N
Manteau
Mg





(0.84 − 0.1)
24.3
0.38∗M
manteau
La masse manquante de fer représenterait donc
environ 40% de la masse du manteau. Or, le rapport des
masses entre le noyau ferreux et manteau est de 0.48 et non
0.4. Mais le fer n’est
est pas le seul élément contenu dans le
noyau ; à partir de la composition des sidérites et en raison
des contraintes imposées par la géophysique on estime que
le noyau est aussi constitué de nickel en faible %, et
d'éléments légers (O, Si, ou S). D’après Allègre et al., 1995,
la composition du noyau serait la suivante : Fe=79%,
Ni=5%, Si=7%, S=2%, O=4%. Sa densité doit être comprise
entre 10 et 12, et il est conducteur de l’électricité.
1 - Le noyau liquide
Sismiquement transparent pour les ondes S et
ralentissant
ntissant fortement les ondes P, le noyau terrestre est à
l'état liquide (Chp. 3.B.4.d).
). La pression varie de 130 G.Pa
à la surface du noyau à 400 G.Pa
G. au cœur du globe (1 G.Pa
= 10 000 atm.).
). L’estimation de la température dans le
noyau est encore de nos jours
ours un point largement débattu.
On sait que le manteau est solide et constitué principalement
de pérovskite.. On a pu extrapoler vers les très hautes
pressions qui règnent à l’interface manteau-noyau
manteau
la courbe
de fusion de la pérovskite,, qui fixe ainsi la limite supérieure
de la température au sommet du noyau à 5000K.
5000
La
température à la limite entre le noyau et la graine,
graine
considérée comme le point de fusion du fer à une pression
de 320 G.P,, a pu être évaluée grâce à des expériences de
fusion par ondes de choc
hoc à 6000K.
6000 Si l’on tient compte de la
présence de 10% environ d’éléments légers, on obtient une
température de l’ordre de 5000K.
5000 Considérant alors que la
chaleur du noyau liquide est transportée par convection, le
gradient adiabatique donne pour la surface du noyau une
température de l’ordre de 3800K.
3800
La température au
centre de la Terre serait de l’ordre de 6000K.
6000 Une équipe
du University College de Londres a donné récemment
(1999) des valeurs beaucoup plus élevées, de l’ordre
l
de
9900K, fondées elles aussi
si sur des extrapolations de la
courbe de fusion du fer, voir 11500° pour du fer pur. Le
calcul ab initio des énergies libres du fer liquide et solide à
330 G.Pa. (Alfé,
Alfé, Gillan et Price 1999) donne une
température de 6700 ± 600K à la frontière noyau-graine.
noyau
Le
- 69 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 1 : Circulation dans le noyau liquide ;
Jaune, les régions de vitesse maximum ;
bleu l’interface noyau-manteau ;
rouge la limite noyau-graine.
24/10/13
Fig. 2 : Champ magnétique jusqu’à une distance de 2 rayons terrestres;
Bleu, champ rentrant dans le manteau ; orange , champ sortant.
L’axe de rotation est vertical et passe par le centre.
Lire MC - Magnetisme Dynamo - Saifane.htm
débat n’est pas clos, mais la tendance vers de plus hautes
valeurs de la température du noyau tend à montrer que la
part de celui-ci dans le bilan thermique de la Terre (chaleur
initiale et chaleur latente) sera certainement à revoir dans les
années qui viennent.
On estime que la viscosité du fer fondu dans les
conditions régnant dans le noyau est peu différente de celle
que l'on obtient en surface. Elle serait donc du même ordre
de grandeur que la viscosité de l'eau ! Nous avons vu au
chapitre précédent que le Noyau fonctionne comme une
magnétohydrodynamique et que la force de Coriolis joue un
rôle important dans le développement de ce champ.
sismiques que la graine présente en outre un axe
d'anisotropie incliné d'une dizaine de degrés par rapport à
l'axe de rotation de la Terre (Fig. 3a). Les ondes P qui
voyagent dans la graine entre ses pôles seraient (même après
correction de l’aplatissement terrestre) plus rapides de 5
secondes que celles qui voyagent dans son plan équatorial,
ce que l'on pourrait peut-être attribuer à deux causes
possibles:
1 - soit une convection axisymétrique provoquant une
orientation des cristaux de fer ;
2 - soit un dépôt orienté de ces mêmes cristaux par le
champ magnétique du noyau.
On sait que Coriolis n’est applicable qu’à un objet
Dans les deux cas, l’anisotropie observée résulterait
animé d’une vitesse significative. Dans le noyau, les vitesses
de déplacement par convection seraient de l’ordre de une à du mode de cristallisation du fer sous haute pression, stable
plusieurs dizaines de kilomètres par an. « Dynamo », le dans le système hexagonal compact (HCP, Fig. 3b),
modèle de convection sphérique en rotation et de calcul du axisymétrique. L'orientation préférentielle des cristaux peut
champ (dipolaire et non dipolaire) de Glatzmaier et Roberts engendrer des variations fortes des propriétés élastiques
(1997 ; Fig. 1, et copie de l’animation du modèle sur selon les directions. Pour S.I. Karato (1999), cette
http://www.emse.fr/~bouchardon/) intégrant le rôle de la anisotropie serait provoquée par les forces de Lorenz liées
graine solide conductrice, montre de larges courants au champ toroïdal qui, en comprimant de plus en plus la
équatoriaux, tournant vers l’est au voisinage de la graine et graine (en direction de l’axe de rotation) depuis l’équateur
vers l’ouest à proximité du manteau. Le champ magnétique (où la force est nulle puisque les lignes du champ changent
simulé est majoritairement dipolaire (Fig. 2). Une transition de sens) vers le pôle de la graine (où les forces de Lorenz
apparaît à la limite noyau-manteau, séparant un champ à deviennent maximum). En observant le comportement de
structure complexe produit par le noyau liquide du reste du rais sismiques répétés au cours des 30 dernières années,
champ beaucoup plus régulier. Les structures non dipôles couplant une même région sismiquement active avec un ou
des observatoires de mesure, X. Song et P. Richards ont
obtenues par ce modèle au sein du noyau
(et non en surface comme dans les travaux
Fig. 3 a-b : Vitesses de propagation dans la graine.
de Gubbins et al. Chp. 4) se décalent
a) zones lentes en rouge ; zones rapides en bleu. L'axe d'anisotropie de la graine
lentement vers l’ouest de 2°/an, suggérant
(point rouge) n'est pas confondu avec l'axe de rotation du globe. b) système HCP
que la graine tourne légèrement plus vite
a)
b)
que le manteau terrestre. Pour Ken
Creager ce différentiel de vitesse pourrait
être très petit <0.5°.
2 - La graine solide
Nous avons vu que la vitesse de
transmission des rais sismiques présente
une zone interne plus rapide que son
enveloppe plus lente. A la fin des années
90, W.J. Su et A.M. Dziewonski ont
découvert en analysant précisément la
distribution spatiale des vitesses des ondes
- 70 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig. 5,
5 échelle des polarités et des
temps durant 4.5 Ma.
Ma
Fig.4 : Champ magnétique des planètes du système solaire.
solaire
mis en évidence une évolution temporelle de l’axe
d'anisotropie de la graine, traduisant une rotation de la
graine vers l’ouest de 1° par an. Le mécanisme et l’ampleur
de cette super-rotation de la graine par rapport au manteau,
et son existence même, sont encore largement débattus. Pour
Kenneth Creager, cette super rotation serait due au
mécanisme complexe de transfert d’énergie du noyau vers le
manteau, dont le modèle très fertile de géodynamo de
Glatzmaier et Roberts donne l’image suivante
sui
: le champ
magnétique généré dans la Terre génère à son tour un couple
de forces qui s’applique au noyau, imposant à la graine
solide et au noyau liquide sus-jacent
jacent une co-rotation
co
vers
l’ouest par rapport à la surface. Pour Glatzmaier et Roberts
ce mécanisme est l’analogue d’un moteur synchrone, pour
lequel le champ, transporté vers l’ouest par le fluide du
noyau agit comme le champ tournant du stator, alors que la
graine agit comme le rotor d’un tel moteur. Dans ces
simulations, la rotation différentielle
ntielle engendrée est de 2°/an
à 3°/an, ce qui est en accord avec les observations
sismologiques.
Il convient cependant de rester critique, d'abord parce
que les données collectées sont limitées dans le temps et
donc ne couvrent qu'une fraction très petite
peti de révolution de
la graine, et ensuite parce que les données les plus anciennes
(années 60) sont à la fois moins précises et moins
nombreuses. Ainsi, l'apparente inclinaison de l'axe
d'anisotropie pourrait provenir de la distribution irrégulière
des stations
tions sismologiques et des séismes observés
(principalement issus de rides océaniques et de zones de
subductions). En outre, selon S. Tanaka et H. Hamaguchi
(1997) il est possible que la graine ne soit pas de symétrie
cylindrique. De plus, comme le soulignee Annie Souriaux, la
rotation différentielle de la graine pose un problème
théorique: laa forme de la graine doit être modelée par le
champ de gravité du manteau. Celui-ci
ci étant hétérogène il
génère nécessairement des creux et des bosses à la surface
de la graine. Si celle-ci
ci est bien en super rotation par rapport
au manteau, leur couplage gravifique doit engendrer la
disparition et la recréation
simultanée de ces creux et
bosses
(de
quelques
x100m tout de même)…
En d’autres termes, si la
graine tourne plus vite que
le manteau, elle doit
adapter sa forme au champ
de gravité. Il faut donc que
les "bosses" de la graine
fondent
pour
se
recristalliser ailleurs, ou
se déforment par viscosité.
Pour Laske et Masters
(1999), cette super rotation
n’existerait pas, et ne
serait qu’un artefact lié
justement
aux
hétérogénéités
de
la
graine. Le noyau recèle
encore bien des mystères !
Il est à noter que
parmi
les
champs
magnétiques des planètes
du système solaire, seuls les champs actifs ont une forte
intensité (tab. 1 du Chp. 3). Depuis, d'autres analyses ont
conduit à des valeurs allant On constate aussi (Fig. 4) que si
l’orientation du champ dipolaire est souvent proche de l’axe
de rotation de la planète, Uranus et Neptune montrent un
champ d’orientation très différente.
différent La nature de ces champs
n’est pas encore bien connue. Constituée de fer quasi pur, la
graine résulte de la cristallisation du noyau. Les calculs
laissent à penser que 30 à 100 m3 de graine sont ainsi
cristallisés chaque jour, dégageant assez de chaleur latente
pour entretenir la convection dans le noyau liquide. En
outre, le liquide restant est enrichi par soustraction du fer en
éléments qui n'entrent pas dans la graine (fractionnement
chimique). Ces éléments plus légers que le fer doivent donc
Fig. 6 : fréquence des inversions de polarité du champ ; en dessous inversions depuis 170 Ma.
- 71 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
avoir tendance à remonter vers la surface du noyau,
libérant de l'énergie potentielle de gravité.
L'ensemble pourrait suffire, même sans radioactivité
(40K, § bilans énergétiques), à entretenir la
géodynamo. Une telle géodynamo peut fonctionner
dès lors que le noyau existe, ce qui expliquerait que
l’on ait pu observer l'existence de ce champ dans des
roches très anciennes, allant jusqu'à 3.8 Ga. (Ishua,
Groenland) et même 3.96 Ga. (Acasta, USA). En cas
d'arrêt de la convection dans le noyau, on estime à 10
000 ans environ le temps de disparition du champ
magnétique. Ce temps correspond à la dissipation par
effet Joule de l'énergie disponible dans le fluide
conducteur arrêté.
3 - Les inversions du champ terrestre
24/10/13
Fig. 7a : chemins préférentiels des pôles durant les inversions.
de ces deux phénomènes. Nous avons vu au chapitre 3 que
le modèle « Dynamo », en prenant en compte les échanges
de chaleur du noyau avec le manteau, montre qu’aucune
inversion ne se produirait si le flux de chaleur vers le
manteau était constant. Les inversions modélisées telles que
celles à 120000 et 220000 ans l’ont en effet été avec un flux
de chaleur hétérogène, suggérant qu’en effet la structure
thermique du manteau inférieur joue un rôle important sur la
convection dans le noyau liquide sous-jacent
et
corrélativement sur le champ magnétique. La coïncidence
relevée par Gubbins et al. (2007, Chp. 3) de la trace des
Lire cours-2008-2009-seismologie.ppt. ../../../Documents
and
Settings/bouchardon/Application
Data/Microsoft/Word/cours-2008-2009-seismologie.ppt Les
inversions du champ terrestre sont fréquentes. La durée
moyenne de stabilité est de l'ordre de quelques centaines de
milliers d'années, mais elle peut être beaucoup plus courte
(Fig. 5). Inversement, par deux fois au moins (Fig. 6), au
Permien (limite Permien-Trias = 250 Ma.) et au Crétacé
(Limite Crétacé-Tertiaire =65 Ma.), la géo-dynamo a
“ oublié ” de permuter ses pôles pendant plusieurs dizaines
de millions d'années.
Fig. 7b : Champ magnétique terrestre lors d’une inversion selon Glatzmaier et Roberts
Les
inversions
bien
à t = 500 ans après le début de l’inversion, t=1000 ans
et t = 1500 ans,
documentées du paléo champ de
la Terre apparaissent rapides
(5000 à 15000 ans) et l’errance
des pôles magnétiques pendant
cette période montre clairement
deux choses :
1 - Les pôles parcourent des
chemins
préférentiels,
découverts par C. Laj et
al.(1991, Fig. 7a) ;
2 - l’inversion s'accompagne
d'un affaiblissement très
important du champ dipolaire.
La
décroissance
rapide
de
l’intensité du champ actuel pourrait
l’amener à zéro dans 2 à 3 milliers
d’années, suggérant que nous sommes en
train de vivre le début d’une telle
inversion. En 1995, dans la simulation de
G.A. Glatzmaier et P.H. Roberts (Fig. 7b),
la première inversion est apparue à 36000
ans, la seconde à 120000 ans et la
troisième à 220000 ans. Comme dans les
archives géologiques, les inversions sont
un phénomène rapide, pendant lequel le
champ
non
dipolaire
devient
temporairement dominant. Enfin leur
apparition apparaît chaotique. Selon
certains auteurs, les modifications
fréquentes des champs magnétiques de la
graine et du noyau tendraient à inverser le
dipôle, mais selon des constantes de temps
très différentes, faible dans le noyau
liquide et longue dans la graine. Une
inversion nécessiterait alors la coïncidence
Fig. 7c : Flip-flop vers 41000 BP ; trajet du pôle Nord.
http://www.sciencedaily.com/releases/2012/10/121016084936.htm
- 72 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 8a: interface réactionelle entre manteau et noyau ;
Fig. 8b : altimétrie de la surface du noyau
http://www.mantleplumes.org/DDub.html
pôles parcourant des chemins préférentiels durant les
inversions découverts par C. Laj et al.(1991, Fig. 7a) avec
l’existence d’ondes sismiques S lentes dans le manteau au
voisinage de l’interface avec le noyau confirme le rôle de la
structure thermique profonde de la Terre dans le phénomène
des inversions du champ.
Les observations récentes de l’équipe du Geophysical
Center allemand conduisent à admettre qu’un flip-flop des
pôles magnétiques peut, selon Norbert Nowaczyk et Helge
Arz (2012), se faire en un temps beaucoup plus rapide qu’on
le pensait. La Terre aurait ainsi subi vers 41000 BP une
inversion en moins de 500 ans, avec un retour à l’état initial
en a peine plus de 2000 ans (Fig7c)… à suivre !
B - Le couplage Noyau-Manteau-Atmosphère
et la couche D"
Les modes de couplage du noyau avec du manteau
représentent donc un paramètre clef de la compréhension de
la machine Terre. Des variations dans le transfert de
l’énergie du noyau au manteau, mais aussi du manteau à
l’atmosphère vont ainsi se traduire par des échanges de
moment angulaire entre ces sphères concentriques, et
finalement se traduire par des variations de la durée du jour
terrestre. Mais celles-ci sont complexes.
Au lieu de 365 jours, l'année terrestre comptait 425
Jours au Dévonien, il y a environ 400 Ma. Ce
ralentissement de la rotation terrestre est dû en bonne
24/10/13
partie aux marées océaniques, qui freinent la Terre par le
biais du frottement au fond des mers peu profondes, et pour
partie aussi aux marées terrestres. L'application du principe
de conservation du moment angulaire au couple Terre-Lune
impose que le ralentissement de la Terre augmente la
distance Terre-Lune de quelques cm/an actuellement. En
dehors de cette tendance lourde, on observe avec les
horloges modernes très précises des variations
saisonnières26, mensuelles ou journalières qui sont elles
aussi attribuables en partie à des échanges de moment
angulaire entre atmosphère et manteau.
Il est intéressant de noter que les variations pluri
décennales de la longueur du jour apparaissent étroitement
corrélées cette fois avec la variation séculaire de la
déclinaison du champ magnétique, mais avec un décalage
de 10 ans environ. Le mode de couplage entre noyau et
manteau n'est pas encore clairement établi, mais on sait au
moins que compte tenu de la différence de viscosité entre
noyau et manteau, le couplage visqueux ne peut pas être
efficace. Reste le couplage électromagnétique par des
courants de fuite dans le manteau. Ils produiraient alors un
champ secondaire, comme dans le moteur électrique de
Glatzmaier et Roberts. Mais le manteau qui est
essentiellement silicaté peut-il être suffisamment
conducteur ? L’observation en surface de soubresauts
magnétiques trouvant leur origine dans le noyau impose une
conductivité maximale de 10 siemens/m au manteau, il n’est
donc pas A PRIORI un bon stator. Par contre, sa base
dénommée27 couche D" (Fig. 8 a-b), est de nature très
différente et représente un excellent candidat potentiel pour
un tel couplage.
Les modes de couplage du noyau avec du manteau
représentent donc un paramètre clef de la compréhension de
la machine Terre. Des variations dans le transfert de
l’énergie du noyau au manteau, mais aussi du manteau à
l’atmosphère vont ainsi se traduire par des échanges de
moment angulaire entre ces sphères concentriques, et
finalement se traduire par des variations de la durée du jour
terrestre. Mais celles-ci sont complexes.
1 - Nature de la couche D"
Cette couche D" est identifiée par la séismologie
comme une région très hétérogène et discontinue, formant la
base du manteau quand elle est présente (Fig. 8a-b). Elle
apparaît solide mais à vitesse lente, à forte densité, et elle
donne des rais sismiques spécifiques, qui émergent dans la
zone d'ombre entre 103 et 120°. Son épaisseur ne dépasse
pas quelques dizaines de Km, exceptionnellement 200300Km, et sa topographie est tourmentée, avec des écarts de
plus de 100 Km pour 10° d’angle. L'existence de ces
hétérogénéités à la base du manteau est connue depuis une
quinzaine d'années.
26
Les variations saisonnières apparaissent ainsi étroitement
corrélées aux vents zonaux (alizés, vents d'ouest).
27
. La terminologie utilisée (couche D") est un héritage
historique du début du XX° siècle qui découpait la Terre en
couches A, B, C, D, E, F. Seule D" est toujours usitée par
les géophysiciens.
- 73 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig. 8c : transition de phase pérovskite -postpérovskite PPv
La partie basale de la couche D", appelée Ultra
Low Velocity Zone montre, outre des vitesses très lentes
pouvant résulter de la fusion partielles de l’interface
manteau-noya, de fortes incohérences entre ondes P et S,
que l’on a longtemps pensé ne pouvoir être que d'origine
purement thermique, et témoigner d'hétérogénéités
chimiques (présence de plusieurs types de matériaux).
Selon cette hypothèse, la couche fine fortement
incohérente à la base de la couche D" pourrait être le
produit de l'interaction chimique entre le fer liquide du
noyau et le manteau silicaté. L’interface noyau-manteau
pourrait donc être une région de la Terre extrêmement
active. Il s’y produirait une réaction de dissolutionhttp://planet-terre.ens-lyon.fr/article/post-perovskite.xml
recristallisation entre les roches du manteau et le noyau
externe liquide, laissant un dépôt (solide) riche en métal à Fig. 8d : corrélation entre des régions à ULVZ de la couche D’’ et
la surface du noyau. Les expériences au laboratoire la distribution des points chauds en surface
montrent que le fer en fusion pénètre la roche silicatée
par capillarité dans les joints des grains minéraux. Dans
la zone mouillée par le fer, les oxydes de fer du manteau
semblent se dissoudre partiellement dans le fer liquide,
augmentant ainsi la fraction oxygène du noyau. Ces
échanges chimiques pourraient contribuer à fabriquer une
pellicule (liquide?) enrichie en Magnésium et en Oxygène
dans le noyau au voisinage du contact avec le manteau.
Cette réaction lente de dissolution serait rendue possible
par un changement du type de liaison de l’oxygène sous
très haute pression, qui tend alors à former des alliages
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1631071303000129
métalliques conducteurs, au lieu des traditionnels silicates
isolants. Quelle serait l’ampleur de ce phénomène dans la
couche D"? Probablement quelques dizaines de mètres, partie de matériaux issus du manteau28 et pour partie de fer
quelques centaines au mieux ! En effet, la transmission des métal issu du noyau. Les lithosidérites (pallasites) sont de
soubresauts magnétiques suggère que la partie basale bons analogues possibles de cette région du globe. Un tel
conductrice du manteau ne dépasse pas une épaisseur de mélange, bon conducteur, est à la fois capable de couplage
quelques x100 m au plus. Par conséquent, cette électromagnétique avec le noyau, et d’un transport de
imprégnation seule ne peut expliquer les 200 ou 300 Km chaleur beaucoup plus important que le manteau ordinaire.
atteints par cette couche D" par endroit. Les mouvements de
Il a été proposé une corrélation possible entre la
convection à la base du manteau tendraient localement à localisation des régions à ULVZ de la couche D’’ et la
rassembler ces dépôts conducteurs dans les ascendants ou
distribution des points chauds en surface (Fig. 8d). Si tel est
inversement à les disperser dans les descendants. Ils
le cas, cela pourrait signifier que les zones très ralenties de
constitueraient ainsi une couche discontinue plus ou moins
la couche D’’ correspondent aux points de départ des
enrichie en matériau mantellique.
panaches ascendant qui vont traverser ensuite tout le
Les incohérences entre ondes P et S de la ULVZ se manteau.
caractérisent par des variations de vitesse de quelques % des
ondes sismiques pour les ondes S alors quelles sont minimes
2 - Couche D", accumulateur de chaleur
pour les ondes P. Ces hétérogénéités ne sont en effet pas
Lire MC - Planeto - Couche D - Grizard.htm. Les estimations
présentent partout, laissant penser que la ULVZ est bien
discontinue. Les ondes S montrent une polarisation qui du flux de chaleur à la frontière Noyau-Manteau sont très
traduit une vitesse plus grande vitesse des ondes horizontale diverses, de 1.7 à 10 T.Watts. La valeur la plus faible était
que celles des ondes qui traversent verticalement dans la proposée par Stacey & Loper (1984) afin d'avoir un noyau
couche D’’. Pour les physiciens des hautes pressions, ces qui ne se refroidit pas trop vite et ainsi obtenir une graine
caractéristiques particulières de la couche D’’ sont à (supposée indispensable au fonctionnement du magnétisme
rapprocher de celles de la phase haute pression de la terrestre) âgée au minimum de 4 Ga. L'interface noyaupérovskite, dites post-pévoskite, dont on a pu observer une manteau représente une couche limite entre la
beaucoup plus grande sensiblilité du module de cisaillement convection mantellique et la convection du noyau. La
aux variations de la température que celle de la pérovskite couche D" ne peut donc échanger de chaleur que par
classique, induisant une plus grande variation de vitesse des conduction, et elle doit être le siège d’un gradient de
ondes S contrairement aux ondes P. Dans cette hypothèse, la température élevé. Un tel gradient peut provoquer des
ULVZ correspondrait à la transition de phase entre les deux instabilités d’autant plus variées que la couche D" présente
structures minérales, qui se produirait donc dans la couche de fortes hétérogénéités de conduction. Cette région du
D’’ (Fig. 8c).
La couche D" serait alors un mélange constitué pour
28
Le manteau inférieur serait constitué de silicates
(pérovskite) et d'oxyde de magnésium (magnésio-wüstite,
MgO).
- 74 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
globe jouerait alors un rôle clef dans la stabilité de la
dynamo terrestre, mais aussi dans la convection du manteau
inférieur. En effet, les zones de mélange enrichi en fer, en
constituant de véritables accumulateurs de chaleur à la base
du manteau, pourraient engendrer la montée de panaches de
matière surchauffée (Fig. 8-9). S’ils sont constitués de
matériau de la couche D" de tels panaches seront beaucoup
plus denses que le manteau silicaté environnant et ne
pourront pas s’élever considérablement. Ils rejoindront
rapidement la couche D". On observe un autre indice de
surchauffe à la base du manteau. Il s’agit de poches de 40
Km environ que l'on ne retrouve nulle part ailleurs dans le
manteau, dans lesquelles les vitesses des ondes sismiques
sont localement réduites d'au moins 10 %. Elles ne sont
explicables actuellement qu’en invoquant une fusion locale
et massive.
Ces poches pourraient déclencher un panache
mantellique, sorte de colonne de matériau surchauffé, qui
amorcerait une traversée complète du manteau en quelques
dizaines de millions d'années seulement. Chaque panache
viendrait nourrir un volcanisme ponctuel et fixe dans
l’espace appelé volcanisme de point chaud29, pouvant
24/10/13
durer des dizaines de Millions d’années. Ce volcanisme est
donc complètement indépendant des mouvements
superficiels qui affectent la lithosphère terrestre. Il présente
en outre des caractères chimiques très particuliers,
facilement identifiables par rapport aux autres
manifestations volcaniques. Par deux fois dans l’histoire de
la Terre, des super-panaches ont donné un volcanisme d’une
intensité considérablement supérieure au rythme habituel,
produisant en quelques x100 000 ans un volume de lave
énorme, de l'ordre du million de km3. Il s’agit des trapps
(lire MC - Volcanisme - Trapps - Grizard.htm) de Sibérie, épanchés
à la fin du Permien, et des trapps du Deccan en Indes,
mis en place à la limite Crétacé-Tertiaire. Ces deux
épisodes volcaniques suivent précisément les deux longues
périodes de magnétisme sans inversion, suggérant fortement
un fonctionnement conjoint du magnétisme dans le
noyau, du transfert de chaleur du noyau dans le
manteau et des panaches qui quittent la couche D". On
tient peut-être là l’explication de certains phénomènes
géologiques d'ampleur exceptionnelle comme les fameuses
éruptions de komatiites, laves anormalement chaudes qui
s'épanchèrent voici plusieurs milliards d'années, sur
plusieurs millions de kilomètres carrés?
C - Le Manteau Terrestre
Ce volcanisme est aussi dit « intraplaque » parce que non
situé sur les limites des plaques. Le foyer volcanique
La théorie des plaques lithosphériques ne nous dit
apparaît fixe dans le manteau. L’activité de ce foyer perce la
plaque sus-jacente et y construit un édifice volcanique, qui rien de la convection mantellique profonde. Les basaltes
sera transporté ensuite par la plaque en mouvement. Cela échantillonnés en surface peuvent contenir des fragments du
conduit à la fabrication d’une chaîne de volcans dont le seul manteau, dont ils sont issus par fusion partielle. Le manteau
actif se situe au bout de la chaîne comme dans le cas de la terrestre nous est aussi accessible directement le long de
chaîne Hawaï. C’est la raison pour laquelle on a toujours certaines failles transformantes océaniques à très fort rejet,
cherché une origine profonde à ce volcanisme, indépendante
Fig. 9 : schéma de couplage noyau-manteau, la couche D".
de la tectonique des plaques. Cette hypothèse est confortée
par la composition chimiques des laves de ce type de
volcanisme, qui est riche en alcalins, en accord avec une
origine à la fois profonde et obtenue par un début de fusion
d’un manteau « initial » c'est-à-dire non appauvri par des
fusions partielles antérieures.
29
Mais ce paradigme vacille face à de nouvelles approches
qui, depuis 2000-2001 avec Jillian Fouger, montrent que
souvent la signature géochimique profonde de ces laves
n’est corroborée en rien par des études sismiques mettant en
évidence le plume de manteau chaud ascendant, ou bien
encore que l’hétérogénéité du manteau supérieur est telle
que la composition alcaline des laves n’est plus le garant
d’une origine profonde, ou bien enfin dans des condition de
contraste RedOx entre le manteau et les fluides (e.g. S. F.
Foley 2011, C. Gerbode et R. Dasgupta 2010…) qui le
traversent capables d’engendrer une fusion partielle.
L’oxydation d’un fluide (riche en CH4 ou H2) cause une
augmentation de l’activité de l’eau (aH2O) par réaction avec
l’oxygène, ce qui a pour effet de faire chuter la température
de fusion du manteau environnant (à l’image de ce qui se
passé en subduction dans le prisme mantellique au-dessus
de la plaque subductée). On appelle cette fusion hydrous
redox melting (HRM). Un second mode de fusion RedOx à
partir du carbonate (CO3) a été décrit récemment (carbonate
redox melting; CRM). Reste l’apparente fixité des points
chauds alors que les plaques sur lesquelles ils se manifestent
sont en mouvement. Certains auteurs arguent de la présence
de zones de distension dans ces plaques, en relation ou pas
avec la convection mantellique sous-jacente, car c’est bien
la décompression qui induit la fusion partielle du manteau,
asthénosphérique ou bien lithosphérique.
- 75 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Tableau. 1 :, minéralogie de péridotites du manteau supérieur
Composition
% Poids
Minéral
Olivine
2 pyroxènes
Orthorhombique
Monoclinique
1 phase
Alumineuse
Plagioclase
Spinelle
Grenat
(Mg,Fe)2SiO4
(Mg,Fe)2Si2O6
CaMgSi2O6;
24/10/13
Fig. 11 : discontinuités du manteau.
60 à 70%
total
25 à 30%
CaAl2Si3O8
MgO(Al2O3,Fe2O3,Cr2O3) total
5 à 10%.
(Mg,Fe)3Al2Si3O12
comme la fracture de Vema dans l’atlantique, et de manière
à peine moins directe dans les ophiolites. Ces dernières sont
des pans entiers de dorsale ou de plancher océanique, qui
sont venus s’échouer après un épisode tectonique majeur sur
la bordure des continents.
1 - Minéralogie du manteau
Quelle que soit leur origine, ces fragments nous
renseignent directement sur la minéralogie du manteau
supérieur, ou plus exactement de la partie supérieure (200
Km environ) du manteau supérieur (670 Km). Il s'agit de
péridotites, roches de densité 3.3, constituées de silicates
plus quelques oxydes, résumés dans le tableau 1.
Les enclaves de manteau rapportées à la surface par
les volcans montrent que dans les 200 premiers Km celui-ci
est soumis à des changements de phases qui ne concernent
que la phase alumineuse. On observe successivement :
1 - les péridotites à plagioclase dans les 30 premiers Km;
2 - les péridotites à spinelle
entre 30 et 60 Km;
3 - les péridotites à grenat
au-delà de 60 Km.
La conservation de la masse implique que dans ces
transformations, la phase alumineuse n’est pas seule
concernée, et ces transformations modifient les proportions
des autres minéraux, olivine et pyroxènes, mais qui restent
stables. A plus grande profondeur, vers 400 km, la sismique
nous enseigne que commence une zone dite de transition
Fig. 10 : structure pérovskite (d'après Hazen):
Unité de base, le cube est formé d'un gros cation
métallique entouré de 8 cations métalliques de petite
taille (sommets), et de 12 anions non métalliques,
constituant un site octaédrique pour le petit cation
dans le manteau supérieur, lieu de plusieurs changements
de phases qui intéressent cette fois la phase minérale
majeure du manteau, l'olivine (Chp.1.D.3, Fig. 6b). Elle
passe tout d'abord de la symétrie orthorhombique peu dense
au système monoclinique plus dense (wadsleyite) puis
cubique encore plus dense (ringwoodite). Cette structure de
l'olivine est dite « spinelle » proche de celle du minéral
spinelle, cubique lui aussi. Dans ces deux structures de
l'olivine, orthorhombique et cubique, le Silicium occupe un
site tétraédrique, où chaque atome de silicium est entouré
par 4 oxygènes. Parallèlement au changement de structure
de l’olivine, le clinopyroxène laisse place au grenat. Vers
670 Km, l'olivine Mg2SiO4 se transforme une seconde fois,
en un mélange ultra dense de deux phases, de la pérovskite,
silicate magnésien (Mg,Fe)SiO3, à Silicium en site
octaédrique où chaque atome de silicium est entouré de 6
oxygènes au lieu de 4 (Fig. 10), et de la magnésio-wüstite
(oxyde de Magnésium MgO et de fer FeO). Cette
discontinuité à 670 km sépare très nettement le manteau
en deux parties, manteau supérieur et manteau inférieur.
Le manteau inférieur
commence avec la
discontinuité à 670 km (Fig.11). Il apparaissait jusqu'à
récemment comme très homogène, à l'instar de
l'augmentation très lente de la densité et de la vitesse des
ondes, qui atteignent respectivement, difficilement 6 pour la
densité, et 6.6 km/s pour la vitesse des ondes S, au voisinage
de la discontinuité de Gutenberg (Fig. 11). Il faut remarquer
que les discontinuités qui marquent le manteau ne sont pas
comparables à la discontinuité entre noyau et manteau où le
saut de densité est supérieur au saut océan-lithosphère, et où
le contraste des viscosités est sans doute « comparable » à
celui de l'interface océan-lithosphère.
- 76 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig. 12 : diagramme P,T du manteau supérieur.
supérieur
2 - Fusion partielle du manteau
a - Le manteau en quelques paramètres
intensifs
On sait ainsi que le Manteau supérieur est un solide,
nommé péridotite, constitué de
4 phases solides majeures : Olivine
ol
Orthopyroxène opx
Clinopyroxène cpx
plus une phase alumineuse: Plagioclase
plg
Spinelle
sp
Grenat
gt.
Lorsque ces 4 phases sont présentes, la péridotite
porte le nom de lherzolite.
On sait aussi que la composition chimique du
manteau supérieur reste à peu près constante, quel que soit
l’assemblage des phases qui le constituent. Les principaux
p
constituants chimiques du manteau sont des oxydes, SiO2,
MgO, FeO, CaO et Al2O3, qui entre dans les phases
solides, silicates et spinelle. H2O est aussi un constituant de
système mantellique, mais son abondance très faible, de
l’ordre de 0.1%, justifie
stifie que l’on néglige ici les phases
minérales hydratées (contenant des groupements OH, e.g.
phlogopite).
Les trois phases minérales non alumineuses seront
toujours présentes, mais leurs abondances relatives varieront
avec la profondeur, en relation avec la phase alumineuse
présente. Ainsi:
1) lorsque 1 mole de plagioclase disparaît au profit d’1
d
mole de spinelle créé on a:
2 SiO2
1 Al2O3 1CaO
libérés
1 Al2O3
1 MgO consommés
Le bilan apparaît donc équilibré en Al2O3,
Al2O3 et le MgO
provient de la transformation
mation d’une olivine en pyroxènes, et
l’on doit écrire la relation suivante
1 Plg + 2Ol = 1 Sp + 1 Cpx + 1 Opx; (1)
2) lorsque le spinelle disparaît au profit du grenat on a:
1 Al2O3
1 MgO libérés
3 SiO2
1 Al2O3
3 MgO consommés
Le bilan apparaît donc encore
ncore équilibré en Al2O3,
Al2O3
etSiO2 et MgO proviennent cette fois de l’orthopyroxène, et
l’on doit écrire la relation suivante
1 Sp + 2 Opx = 1 Gt + 1 Ol (2)
b - Le manteau
anteau : 2 paramètres externes,
P & T, et
La fusion partielle du
Manteau
Les changements de phases décrits précédemment
par relations (1) et (2), ont un ∆V
V <0 de la gauche vers la
droite. Ils expriment la réponse du solide mantellique à
l’augmentation de pression avec la profondeur. Par ailleurs,
en dehors de l'eau qui est un corps aux propriétés
propriété physiques
éminemment particulières, le passage de l'état solide à l'état
liquide des matériaux terrestres se fait à ∆V croissant (La
pression "favorise" le solide). Dans un champ P, T, le
liquidas et le solidus anhydres du Manteau terrestre, connus
expérimentalement,
imentalement, ont donc une pente positive. Le choix
du solidus anhydre est justifié par la très faible quantité
d’eau contenue dans le manteau.
On appelle géotherme la relation température
profondeur (courbe
courbe P. T.). Si celle-ci
celle était linéaire, c’est à
dire si l'augmentation de température avec la profondeur
était constante, et restait égale à la variation mesurée au
voisinage de la surface terrestre30, le point de fusion du
manteau serait très rapidement dépassé. Le manteau serait
entièrement fondu au-delà dee 100 Km, et la température au
cœur de la planète serait incompatible avec l’état physique
qui est le sien. En outre, la propagation des ondes sismiques
dans le manteau impose que celui-ci
celui soit solide. Il faut donc
nécessairement que le géotherme terrestre soit courbé pour
ne pas recouper le solidus du manteau (Fig. 12). La courbure
du géotherme résulte de 2 phénomènes:
1 - en premier lieu, la lithosphère terrestre rigide (croûte +
sommet du manteau) ne transfert la chaleur que par
conduction31, alors que le manteau
man
plus profond est un
solide “fluide” qui transporte la chaleur aussi par
convection; le gradient de température, fort dans la
lithosphère, s’affaiblit donc rapidement en entrant dans
le manteau convectif ;
2 - en second lieu, l'essentiel de la chaleur terrestre
terr
est
produite par Radio Activité, et ce de façon hétérogène;
la majeure partie des éléments à vie longue, U, Th, K
sont concentrés dans la croûte terrestre ce qui ne peut
que renforcer la courbure du gradient thermique.
Depuis 4.5 Ga.,, les volcans terrestres
te
déversent à la
surface des dizaines de km3 de lave / an. Si ce liquide est
extrait du manteau par fusion partielle, on voit mal dans ce
qui précède comment le solide mantellique peut être capable
de produire des liquides magmatiques!
magmatiques Produire du liquide
impose donc une alternative :
1 - soit
oit déplacer le géotherme terrestre jusqu'à recouper le
solidus du manteau ;
2 - soit déplacer le solidus du manteau jusqu'à atteindre le
géotherme....
Comment pouvons-nous agir sur les paramètres de système
pour faire se recouper solidus et géotherme?
1 - Déplacer le géotherme signifie augmenter la T° à une
pression donnée, donc disposer de plus de chaleur que
30
de l’ordre de 30°/Km en moyenne et pouvant dépasser
100°/Km dans les rifts.
31
exception faite duu transport de chaleur par advection dans
les zones de rift et de subduction (chapitre 1 et § suivants).
suivants)
- 77 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
ce dont le solide à l'équilibre dispose normalement. Ce
déséquilibre doit apparaître grâce au comportement de
fluide convectif du manteau à l'échelle géologique,
dont la dérive des continents est la manifestation en
surface. Si la vitesse de convection est suffisamment
lente, le solide ascendant mantellique dans une cellule
convective aura le temps "d’ajuster" son état aux
conditions environnantes, mais si la vitesse de
convection est suffisante pour que la diffusion de la
chaleur avec l'environnement ne soit pas complète, on
se rapproche des conditions d'une détente adiabatique
(sans échange de chaleur). Si une parcelle de manteau
s’élève dans les conditions considérées, elle sera alors
anormalement chaude et tendra à remonter vers la
surface, et cela d’autant plus vite que la différence de
densité avec le manteau environnant sera grande. Le
géotherme se trouve alors déplacé vers les hautes
températures. La fusion commencera lorsque la
parcelle de Manteau arrivera à une profondeur
suffisamment faible, et elle sera d’autant plus intense
que l’intersection du géotherme et du solidus sera
importante. La décompression adiabatique caractérise
les ascendants mantelliques (au droit des rides
océaniques par exemple) qui constituent des lieux
majeurs de production de magma. Nous y reviendrons
dans la description de la lithosphère océanique.
24/10/13
particuliers de ce volcanisme, qui par exemple
s’apparentent à un mélange avec des matériaux
sédimentaires, supposent que ce réservoir n'est pas
complètement isolé de la surface.
2 - Le second type correspond aux basaltes d'origine
mantellique plus superficielle. Leur composition
élémentaire et leurs rapports isotopiques sont très
différents des premiers et suggèrent que le manteau
superficiel dont ils sont issus a subi une histoire
beaucoup plus mouvementée, passant en particulier
par le fractionnement de la croûte continentale. De
densité considérablement plus faible que celle du
manteau supérieur, elle est donc très peu recyclée
depuis sa fabrication. Si l'on considère que la croûte
terrestre est le produit de la différenciation chimique
du manteau, la partie du manteau qui a donné
naissance à la croûte doit être corrélativement
appauvrie en éléments qui sont préférentiellement
incorporés dans la croûte. Cette soustraction a sans
doute marqué à jamais la composition du manteau
supérieur.
Une telle dichotomie des produits volcaniques tend
naturellement à laisser imaginer que ces deux réservoirs, si
différents, ont vécu indépendamment. Dans ces conditions,
la discontinuité à 670 Km paraît se comporter comme une
couche limite diffusive, séparant ces deux réservoirs qui
doivent donc nécessairement convecter séparément, au
moins en première approximation.
2 - Déplacer le solidus jusqu’à recouper le géotherme
impose de modifier au moins 1 des paramètres
intensifs qui décrivent le système mantellique. Le
constituant H2O est le paramètre influent essentiel,
3 - La tomographie sismique du manteau
même si sa concentration dans le système est basse. En
effet, la pression partielle d'H2O peut modifier très supérieur
fortement la position du solidus. On remarque sur la
La tomographie sismique est probablement le
figure 12 la morphologie du solidus humide, très moyen d'investigation du manteau le plus puissant dont nous
incurvé vers les basses pressions (flèche 2). Mais pour disposons de nos jours (Lire MC - Planeto - Tomographie sismique
ce faire, il faut pouvoir justifier une introduction d'eau manteau - Grizard.htm). Il s'agit d'une méthode d'analyse des
dans le système. Inversement, si l'on y parvient, la données sismiques enregistrées par un réseau serré de
fusion partielle est assurée. Nous y reviendrons dans la sismographes. Nous avons vu au paragraphe “ sismique ”
description de la lithosphère plongeante.
que l'inversion consiste ici à fabriquer un modèle de Terre
La géochimie affirme reconnaître deux réservoirs parents sphéro-concentrique radialement homogène, dont nombre de
paramètres ne sont pas directement mesurables (profondeur
distincts dans les produits du volcanisme:
des discontinuités, T°, P, K, µ, ρ...), mais pour lesquels les
1 - Le premier correspond aux basaltes d'origine profonde.
valeurs attribuées satisfont au mieux les données mesurées
Ceux-ci montrent des rapports isotopiques proches de
en surface (temps de trajet des ondes en particulier). La
ceux des chondrites (que l'on considère comme un
tomographie donne, après inversion, une image du manteau
matériel non différencié n'ayant subi aucune
ségrégation). Le manteau profond qui donne
Fig. 13 : Tomographie sismique du manteau supérieur
naissance à ce type de basaltes n'aurait donc pas
subi d'autre fractionnement que celui qui a séparé
le noyau du manteau lors de la constitution du globe.
Son
caractère
primitif
n'aurait
pas
été
considérablement modifié depuis. Des études récentes
des rapports isotopiques de l'hélium, élément volatil et
donc prompt à se séparer du manteau pour rejoindre
l’atmosphère32 montrent aussi que le rapport 3He/4He
est anormalement élevé dans ces roches volcaniques
d'origine profonde. Ce rapport apparaît proche de ce
qu’il devait être au début de l’histoire de la Terre et il
n’aurait que très peu évolué lui aussi depuis plusieurs
Ga. Inversement certains caractères chimiques
32
et ce d’autant plus qu’il s’agit d’un isotope léger (cf. §
VI).
- 78 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
à une profondeur donnée en mettant en évidence des
variations latérales des vitesses de transmission des ondes
sismiques à la profondeur considérée, par rapport à la
moyenne prévue par le modèle.
24/10/13
Fig.15 : Représentation 3D des zones chaudes du manteau
supérieur.
Zones lentes en bleu, localisées à faible profondeur sous
les continents, et à grande profondeur en périphérie de
l’océan pacifique (zones de subduction)
Elle met ainsi en évidence dans le manteau
supérieur profond (Fig. 13) des zones plus rapides (en
bleue) et des zones plus lentes (en rouge) qui sont
attribuées à des écarts de T° caractérisant des mouvements
convectifs évidemment transverses sur les discontinuités
liées aux changements de phases préalablement évoquées.
a - Zones d’accrétion
Lire MC - Tectonique - Accretion Rift Dorsale - MartinLes cartes des vitesses à profondeur croissante
de la figure 13 montrent une très bonne corrélation entre la
position des régions lentes et chaudes en profondeur
(rouge foncé) et la présence des dorsales océaniques en
surface, qui sont les zones où les plaques lithosphériques
sont fabriquées en continu à partir du manteau, par
accrétion de lithosphère. La zone chaude correspondant à la
ride Est- et Sud-Pacifique reste marquée jusqu'à 600 Km de
profondeur. On peut donc dire que sous les dorsales
océaniques qui fonctionnent depuis longtemps avec une
vitesse d'expansion élevée (10 à 20 cm/an) comme la ride
circum-Pacifique ou Est-Pacifique, le domaine chaud
semble s'étendre jusqu'à la discontinuité de 670 Km
(manteau supérieur - manteau inférieur) mais pas au-delà.
Une dorsale ancienne mais lente comme la dorsale
Atlantique paraît correspondre à une “ déchirure ” au moins
localement moins profonde dans le manteau (Fig. 13-14).
Mayembo.htm.
Les petites ouvertures récentes, comme la mer du
Japon, correspondent à une anomalie thermique peu ou pas
marquée en profondeur.
b - Zones de subduction
Lire MC - Tectonique - Subduction Convergence Arc Marge
active - Martin-Mayembo.htm. Les cartes de la figure 13 montrent
que les régions rapides et froides du manteau
correspondent, en surface, en premier lieu aux masses
continentales, et en second lieu à la zone centrale de la
plaque Pacifique. On remarquera que la zone froide centrée
sur la plaque Pacifique perd progressivement son identité en
descendant.
lors de l'enfouissement efface progressivement le contraste
de densité avec le manteau environnant, mais leur signature
sismique a pu être mise en évidence malgré tout jusqu'à la
transition à 670 Km(Fig. 15).
Si les rides sont le lieu d'âge zéro de la lithosphère,
les fosses (zones de subduction) ne constituent pas un lieu
isochrone. Le lieu de plongement d'une plaque résulte en
effet d'un ensemble de paramètres qui n’ont rien à voir avec
l’âge de la plaque en ce lieu, mais bien plutôt avec la nature
et la géométrie des plaques en contact avec elle :
1 - Leur nature intervient en effet car il existe un seuil de
densité en dessous duquel les matériaux sont trop
légers pour suivre une branche convective descendante
dans le manteau. Ainsi, les continents (densité
moyenne 2.7) ne peuvent être que très partiellement
recyclés, nous en reparlerons. Leur présence impose
alors à une plaque voisine de plonger à leur contact. Il
arrive aussi qu’une plaque lithosphérique, au lieu
d’être subductée, soit obductée sur la plaque adjacente
(lire MC - Tectonique - Obduction - Martin.htm et La Dérive des
Continents)
2 - La distribution (géométrie) des masses non recyclables
joue aussi un rôle prépondérant, car la Terre est une
surface fermée; tout mouvement en un point a donc
des incidences ailleurs. On l'oublie trop souvent à
regarder des projections planes.
Une coupe à travers une zone de subduction, comme
par exemple le NE de l’arc volcanique du Japon (Fig. 16)
montre que les foyers des séismes (petits ronds) sont répartis
sur trois régions:
Seules les zones de subduction présentent des racines
froides profondes. Certes le réchauffement des plaques
subductées
Fig.14 : Représentation 3D
des zones
chaudes du manteau supérieur.
Fig. 16 : coupe EW à travers l'arc du Japon.
Zones rapides (dv/v <0) en rouge, sous les
rides océaniques principalement
- 79 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 17 : 2 types de zones de subduction.
24/10/13
discontinuité dans le manteau
inférieur, à 920 km sous la zone de
subduction
de
Tonga.
Cette
discontinuité a été observée depuis
sous deux autres zones de subduction
(Japon-Izu Bonin, et Indonésie) à
une profondeur variant de 920 à
1080 Km. Le contraste d’impédance
acoustique
que
révèlent
ces
discontinuités est lui aussi très
variable. Trois hypothèses sont
envisageables pour caractériser cette
discontinuité :
1 - Du côté de la fosse océanique, les séismes sont
1 - un nouveau changement de phase ;
localisés à la partie moyenne et supérieure de la région
2 - une hétérogénéité chimique dans le manteau inférieur ;
froide (en bleu sombre) identifiée comme l’extrados de
3 - plus probablement cette discontinuité correspond à la
la plaque Pacifique plongeant sous le Japon. Cette
base de la plaque subductée, stockée à une profondeur
trace sismique est appelée plan de Benioff. Il est à
pouvant atteindre ainsi 800 à 1000 km.
noter que le coin de manteau situé au-dessus de la
plaque plongeante est constitué de deux régions : le
4 - La tomographie sismique du manteau
manteau en contact avec la plaque plongeante est
refroidi par celle-ci ; cette région est surmontée par inférieur
une région chaude (jaune à rouge) en relation étroite
Nous avons déjà mis en évidence le caractère
avec le volcanisme en surface.
hétérogène de la couche D" à la base du manteau (frontière
2 - En sub-surface sous le Japon, les séismes en grand noyau-manteau) et, en corollaire, l’existence d’anomalies
nombre témoignent de l'activité volcanique dans la thermiques liées au mode de transfert de la chaleur du noyau
vers le manteau. Les cartes tomographiques obtenues ces
croûte continentale de l'arc.
dernières années pour diverses profondeurs dans le manteau
3 - Du côté de la mer du Japon, on observe beaucoup de inférieur (e.g. Michael Gurnis et al, 2000, Fig. 18) nous
foyers sismiques peu profonds. Ceux-ci sont montrent que le contraste de densité définit deux zones
provoqués par la mise en place plus à l’ouest de petites chaudes équatoriales au voisinage du noyau. Ce contraste
cellules de convection dans le coin mantellique situé tend à s’effacer dans la partie médiane du manteau. On
entre la plaque plongeante et la lithosphère (Japon + remarque en effet qu'à cette profondeur deux « tuyaux »
mer du Japon). Cette “ mini ” convection provoque beaucoup plus étroits (en rouge) correspondent aux deux
dans cette lithosphère une distension très comparable à zones chaudes de la couche D". On remarque sur la figure
celle que l'on observe au droit des dorsales océaniques que le tuyau mantellique africain se situe à l'aplomb du
majeures. On appelle ces régions d'ouvertures plateau sud-africain. Ce haut plateau est anormalement élevé
océaniques mineures des bassins arrière-arc. Ces pour un vieux craton complètement érodé (environ 1000zones chaudes du manteau sous les petites mers 1200m au lieu de 300-400m en moyenne). Pour Michael
arrière-arc disparaissent rapidement en profondeur Gurnis et son équipe, la dilatation provoquée par le matériel
dans le manteau.
mantellique chaud serait à l’origine de soulèvements
Le comportement du plan de Benioff est différent régionaux de grande ampleur. Ainsi la topographie de la
d'une zone de subduction à une autre. Son angle de planète serait largement marquée par la convection
plongement varie considérablement (Fig. 17). Les zones de mantellique profonde. Le second conduit surchauffé, situé
Benioff plongeant vers l’E-NE sont à faible pendage et sous le Pacifique, correspondrait aux panaches équatoriaux
supportent des chaînes orogéniques à double vergence alors qui percent en surface le
Fig. 19 : coupes tomographiques
que celles plongeant vers l’ouest sont à forte pente et les plancher océanique (e.g.
du manteau inférieur.
chaînes associées sont à volcanisme d’Hawaï).
Fig. 18 : cartes tomographiques
simple vergence. C.
du manteau inférieur.
Dans
les
Doglioni 1999 voit dans interprétations
cette
différence
un construites à partir de
mouvement relatif d'est l’ensemble des données
en ouest du manteau (Fig. 19), les auteurs
profond par rapport à montrent sur les coupes
celui
des
plaques B et C que le matériel
lithosphériques, chaud qui remonte ne
provoqué par la rotation dépasse
pas
la
terrestre.
discontinuité à 670 Km.
Le plus souvent,
la plaque subductée vient
s’étaler sur la zone de
transition à 670 Km. En
1994, Kawakatsu et Niu
ont reconnu une nouvelle
Par contre, dans la coupe
A, le panache chaud
semble en connexion
avec
le
manteau
supérieur chaud et très
étiré vers le nord-est.
- 80 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
C’est ce manteau supérieur qui alimente
à son tour le volcanisme Est-Africain.
Fig. 21 : Simulation tomographique du manteau Est Pacifique
Il
apparaît
ainsi
que
la
discontinuité à 670 Km est probablement
franchie, au moins partiellement ou de
manière intermittente, par les panaches
ascendants du manteau inférieur, et
qu’elle est aussi probablement franchie
par du matériel froid et dense stocké au
fond du manteau supérieur. Faut-il alors
envisager que la convection mantellique
est à un seul étage ?
5 - Vers une convection à 1 ou 2 couches ?
Lire Q - Planeto -Le manteau convecte en une ou deux couches Pour les géochimistes, la question est en effet
encore largement d’actualité. Nous avons vu que la
dichotomie de composition chimique entre volcanisme
d’origine profonde et volcanisme d’origine plus superficielle
paraît nécessiter une séparation ancienne (plusieurs Ga.) en
deux réservoirs mantelliques distincts, l'un supérieur et
l'autre inférieur. La discontinuité à 670 Km agissant alors
comme une couche limite diffusive, ces deux réservoirs
devraient alors nécessairement convecter séparément.
Pour les géophysiciens, cette séparation n’est pas
évidente et les opinions sont encore tranchées. Certains,
comme Glatzmaier et Roberts, estiment que les modèles à
une seule couche de convection, comme Terra-Dynamo
(Fig. 20a), « collent » mieux aux données sismiques que les
modèles à deux couches.
Grizard.htm.
Deux observations doivent être gardées en mémoire :
1- La forme du géoïde est dominée par des structures de
grande longueur d’onde, 10 000 à 20 000 kms, qui sont
considérablement plus grandes que la hauteur possible
des cellules convectives du manteau (moins de 3000
km maximum pour un manteau à une couche) ;
2- Les hétérogénéités de vitesses sismiques mesurées
Fig 20 : a)Modèle Terra-Dynamo ;
Les hétérogénéités de transfert de chaleur à la surface du noyau
paraissent guider la convection dans le manteau, modèle à une
couche. A la surface terrestre, les zones froides apparaissent
beaucoup moins diffuses (réseau linéaire ou curvilinéaire bleu)
que les zones plus chaudes en vert à l’aplomb des panaches
rouges dans le manteau.
24/10/13
dans le manteau sont elles aussi de grande
longueur d’onde
Ces
deux
faits
sont
en
contradiction avec les résultats des
modèles de manteau iso visqueux, qui
montrent des cellules convectives aussi
peu larges que hautes (Fig. 20b). Par
contre les modèles de manteau à viscosité
croissante (Fig. 20c) présentent des
cellules étalées beaucoup plus conformes
aux structures gravifiques et sismiques
évoquées. En plus, les branches plongeantes des cellules
acquièrent une morphologie en feuillets plus comparables
aux plaques plongeantes que les panaches froids plongeants
des modèles isovisqueux. Outre le chauffage interne du
manteau par radioactivité et son chauffage basal hétérogène
(et mal connu) par la couche D”, il existe de nombreux
autres paramètres qui peuvent modifier la convection,
rappelons le comportement cassant de la lithosphère
continentale qui vient localement jouer le rôle de couvercle,
la viscosité qui peut varier brutalement, les changements de
phases qui accompagnent l’augmentation de pression avec la
profondeur. Confortant ce point de vue, on a mis en
évidence pour la première fois dans les années 90 dans
l’Ouest-Pacifique sous la fosse des Kouriles et sous le
Japon, des zones froides dans le manteau inférieur qui
paraissent relier zone de subduction dans le manteau
supérieur et couche D".
Les simulations, effectuées depuis les années (19971998) à partir des résultats de la tomographie viennent
conforter cette hypothèse. La figure 21 montre par exemple
l’iso-surface limitant le domaine des ondes P à vitesse 0.5%
plus grande que la moyenne, pour tout le manteau (supérieur
et inférieur) de la région allant du Japon à l’est de la Chine.
Cette surface iso-vitesse décrit la subduction de la plaque
océanique Est-Pacifique au niveau des fosses des Kouriles,
du Japon et de l’arc Izu-Bonin. Le modèle rend compte
d’une part de l’accumulation de matériel subducté en une
flaque plate située sur la zone de transition entre manteau
supérieur et manteau inférieur, et d’autre part de la présence
d’un pont étroit de matière froide dans le manteau inférieur
qui met en relation la discontinuité à 670 Km et une sorte de
cône de déjection s’étalant sur la couche D", dénommé
« cimetière » des plaques enfouies. Récemment, une zone
froide a été identifiée sous la Sibérie (Van Der Voo 1999 ;
Fig. 22a) à l’ouest du lac Baïkal jusqu’à 2500Km de
profondeur. Elle est interprétée comme les restes d’une
plaque océanique ancienne qui, dans la collision des blocs
qui formèrent progressivement l’Eurasie, fut subductée en
lieu et place du Lac Baïkal pendant 50 Ma. au moins à la fin
du Jurassique (Fig. 22b). Cette découverte suggère donc que
la trace des plaques subductées dans le manteau inférieur
persisterait au moins durant 150 Ma., peut-être plus ?
Fig. 22a : plaque subductée sous l’Ouest du lac Baïkal
b) Modèle isovisqueux c) Modèle à viscosité croissante
- 81 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig 22b : paléo-reconstructions de la Sibérie (SIB) et des
blocks adjacents,
a) au Jurassique Supérieur et b) au Crétacé Inférieur, montrant
la subduction de l’océan Mongol-Okhotsk sous la marge
Sibérienne. EUR, Europe; KAZ, Kazakhstan; MON, Mongolia;
NCB and SCB, North and South China blocks; INC, Indochina;
and SH, Shan-Thai block.
Ainsi donc, des exemples de plus en plus nombreux
de plaques modernes et anciennes plongeant dans le
manteau inférieur sont rapportés. Ces plaques vont rejoindre
la couche D", qui apparaît d’une part, ainsi qu’on l’a montré
plus avant, comme le parent des ascendants mantelliques
profonds (les panaches), et d’autre part comme le cimetière
des plaques océaniques subductées.
Il est toutefois très probable que les descendants
mantelliques ne franchissent pas aisément la discontinuité à
670 Km. Dans un article relativement récent paru dans
Nature P. J. Tackley 2008 confirmait que les modèles de
convection sont toujours d’actualité (Fig. 23a) et suggèrent
que les plaques relativement froides (en bleu) sont soit
défléchies sur cette discontinuité (tireté). On observe en
effet clairement que les plaques subductées n’offrent pas un
contraste de densité suffisant avec leur manteau environnant
(en tous cas les plaques à vitesse sismique lente) pour
traverser la discontinuité. Elles viennent donc s’étaler à la
profondeur de 700 Km. D’autres, au contraire traversent
bien la discontinuité et sont renvoyées vers la CMB. Les
morceaux accumulés dans ces cimetières bleus sont de
l’ancienne lithosphère, donc un matériau issu de la fusion
partielle du manteau. Or le produit de l’extraction des
matériaux fusibles est enrichi en alcalins. Donc la CMB
s’enrichit en matériaux lithosphériques donc certains sont
des reliquats réfractaires pauvres en alcalins et d’autres sont
au contraire très enrichis en alcalins. Ce matériel est figuré
en rouge orangé dans la figure 23a. Il donne naissance à des
panaches chauds et légers de matériel marqué par sa grande
richesse en alcalins (mantle-plumes en rouge), qui vont
remonter vers la surface et alimenter le volcanisme alcalin
de point chaud. Leur trajet peut être direct jusqu’à la surface
(plumes primaires), mais les panaches peuvent aussi être
bloqués sous la discontinuité à 670 Km et alimenter des
Fig. 23a: convection à deux étages de Paul J. Tackley.
24/10/13
plumes secondaires.
On sait que le contraste entre les deux réservoirs
résulte principalement de la transformation de phase,
olivine ↔. pérovskite + magnésio-wüstite.
Aussi, dès 1994, on a cherché comment la transition
de phase à 670 Km pourrait jouer un rôle de clapet
intermittent. Les modélisations du transfert de chaleur dans
le manteau prenant en compte cette transition de phase
(Fig. 23b) ont alors montré qu’en fonction de la pente de
l'équilibre des phases (pente de Clapeyron), on peut
envisager plusieurs modes de distribution des isothermes
(parties droites des sphères de la figure) et des cellules de
convection (parties gauches). Entre les deux extrêmes que
sont, a) la convection unique à travers les deux manteaux
pour une pente nulle, et c) la convection à deux étages
découplant complètement le manteau inférieur du manteau
supérieur pour une pente très forte de l’ordre de – 4.106
Pa/K, il peut exister b) des modes de convection à deux
étages de cellules capables d'échanges intermittents, pour
des valeurs de la pente de l’ordre de – 2.106 Pa/K – 3.106
Pa/K tout à fait comparables à celles qui ont été obtenues
lors de travaux expérimentaux sur cette transformation de
l’olivine en pérovskite D’après ces modèles, le manteau
supérieur froid stagne et s’accumule sur la discontinuité,
qu’il franchit spontanément lorsque l’accumulation est
suffisante. Lorsque cette quantité critique est atteinte, il se
produit une avalanche de ce manteau supérieur froid
jusqu’au fond du manteau inférieur, et un nouveau cycle
recommence. Pour les auteurs, la durée de ces cycles
pourrait être comparable aux cycles de construction des
super continents (Pangée(s)), de l’ordre de 400 à 500 Ma,
serait néanmoins variable et pourrait être contrôlée par la
mise en place de super panaches comme les deux que nous
avons évoqués au paragraphe Chp.4.B.2.
M. Yoshida et M. Santosh ont montré en 2011
l’impact des supercontinents sur la dynamique mantellique
et en corollaire sur les mouvements des plaques en surface.
La fabrication de ces « Pangées » résulte, d’après les
modèles de circulation dans le manteau, d’une subduction
simultanée en de multiples zones, conduisant à une super
subduction des plaques océaniques et au rapprochement des
continents en surface (lire Q - Ocean - Histoire Evolution et Devenir
des Fonds Sous-Marins - Perrot.htm). Pour les auteurs, le
plongement vers l’interface noyau manteau (CMB) des
matériaux d’abord stockés sur la zone de discontinuité (vers
700km) constitue le potentiel d’énergie capable d’engendrer
un diapir de super panache depuis la CMB, auteur de la
rupture du supercontinent. Le couvercle imposé au transfert
de chaleur par le supercontinent (voir Chp.1.B) se traduit par
une augmentation de la température sous la lithosphère
continentale et une réorganisation majeure des cellules
convectives dans le manteau, comme le montre la figure
23c. On passerait alors par un stade de convection à un seul
étage, peut-être généralisé à l’échelle de la planète, qui serait
Fig. 23b : simulation de la convection dans le manteau;
a) modèle à 1 couche; b) modèle mixte; c) modèle à 2 couches
- 82 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig 23c : Masaki Yoshida & M. Santosh 2011;
a cartoon showing the time series of mantle reorganization by the existence of amalgamation of supercontinent.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012825210001753#
caractéristique des épisodes de supercontinents. Dans la
phase de dispersion des morceaux disloqués du supercontient comme nous pouvons l’observer depuis la fin de la
Pangée au Trias, la convection mantellique retournerait au
modèle à deux couches présenté plus avant, avec des
cellules convectives considérablement plus petites.
En résumé :
1 - La trace froide de la plaque subductée peut être suivie
jusqu'à 650-700 Km, zone de transition pérovskite,
voir plus de 1000 km, ce qui suggère des
complications dans cette transformation;
2 - L'angle de plongement de la plaque est souvent
brutalement modifié à cette profondeur, témoignant
ainsi de la « flottabilité » importante de cette plaque
sur le manteau inférieur ; La zone de transition
constitue donc bien une couche limite (conductive et
donc à fort gradient thermique) ;
3 - Le déplacement de l'équilibre de phase initial,
résultant de cette accumulation de matériau froid et
dense pourrait permettre un changement de la pente de
l’équilibre, déclenchant une avalanche de matériau
lithosphérique (plaque subductée) dans le manteau
inférieur suivie d'un retour à la normale ; le rôle de
couche limite de la zone de transition est donc
transgressé au moins localement et la convection,
certes à deux couches, admet des discontinuités de
cette couche limite, dans le temps et/ou dans l’espace ;
4 - La couche D" constituerait le cimetière de ces plaques
subductées, matériau hétérogène mélange de manteau
lithosphérique appauvri et réfractaire, et de matériau
crustal relativement enrichi en éléments alcalin et
hygromagmatophiles33 ; elle s’enrichirait en outre des
produits de réaction entre la base du manteau et le
noyau métallique liquide ;
5 - Les hétérogénéités de la couche D", en agissant sur le
transfert de chaleur du noyau vers le manteau,
régiraient le fonctionnement de la dynamo terrestre et
la dynamique des panaches mantelliques profonds
générateurs d’épisodes volcaniques paroxysmiques ;
33
On appelle élément hygromagmatophile tout élément qui,
engagé ans un processus de fusion partielle du manteau ou
de la croûte, présente un coefficient de partage D entre le
solide et le liquide très faible : D<<1. Autrement dit, ces
élément présentent une grande affinité (comme les alcalins
dans la fusion du manteau) pour les liquides magmatiques.
Donc lors de la cristallisation fractionnée les éléments
hygromagmatophiles se concentrent dans les derniers
liquides.
6 - Le transfert des panaches chauds du manteau inférieur
au manteau supérieur est complexe ; une partie
seulement du matériel du panache est transférée vers le
manteau supérieur; cette partie semble entraînée dans
la convection mantellique supérieure (au moins dans le
cas de l’Afrique). En surface, le volcanisme des points
chauds reste géographiquement fixe sur de longues
périodes alors que les plaques sont mobiles, dessinant
ainsi par exemple les chaînes de volcans d'âge
régulièrement croissant du Pacifique. Un tel schéma
suggère que la géométrie des cellules convectives du
manteau supérieur reste stable au moins pendant le
même laps de temps ; la géométrie de ces cellules est
alors indépendante de celle des plaques sus-jacentes,
sauf dans les branches descendantes qui, pour
certaines, coïncident avec les zones de subduction.
7 - Le modèle de la convection à 2 couches et cellules de
« petite » taille, avec des panaches ascensionnels
locaux traversant la limite à 670 km entre les deux
manteaux et inversement des avalanches vers la CMB
de lithosphère subductée et stockée temporairement
sur cette limite entre les 2 manteaux prévaut lorsque
les continents sont dispersés comme ils le sont
actuellement ; le modèle de convection à une seule
couche et cellules de grande taille (disparition
temporaire de la limite à 670 km) s’installe lors des
épisodes de supercontinent à cause de la mauvaise
dissipation thermique que cela engendre.
D - La valse à trois temps, l’Hadéen,
l’Archéen, et les Temps Modernes
1 - L’Hadéen, une naissance tourmentée
Rappel : la grande majorité des astrophysiciens
s’accorde à penser que durant sa prime jeunesse, la Terre,
datée de 4.55 Ga. par C. Pattierson en 1953, a grossi par
accrétion à froid, selon un scénario d’évolution de la
nébuleuse que nous emprunterons à D. Bockelée-Morvan et
J. Crovisier (1993) et à A Brahic (1999).
a - Scénario d’une accrétion à froid en
moins de 10 Ma ?
Lire MC - Planeto - Accretion - Ambroggi-Badgi-BenFadhelPadet & Sarfati.htm ; Q - Planeto - Naissance du systeme solaire et des
planetes - Biron.htm. Résumons les 3 étapes développées au
chapitre 2.D :
1 - Le stade nébuleuse aurait été initié à l’occasion de la
traversée d’un bras de notre galaxie (la Voie Lactée)
- 83 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
par un nuage interstellaire. La compression qui en
résulte aurait provoqué la fragmentation du milieu en
globules de Bok et l’effondrement de ces globules.
L’un d’entre eux était la nébuleuse ancêtre commun de
notre Soleil et des planètes.
2 - Le stade proto-Soleil, passage de la nébuleuse à
l’étoile, implique une concentration de la matière à
laquelle tout s’oppose : la température du gaz qui
s’élève ; le champ magnétique qui s’intensifie ; la
vitesse de rotation du nuage qui s’accélère. Les
observations des pouponnières d’étoiles comme la
nébuleuse d’Orion et les modèles théoriques nous
montrent qu’à ce stade l’étoile émet un jet de plasma
bipolaire représentant une perte importante de matière
et de moment cinétique, ce qui rend l’effondrement
possible. Cet effondrement donne une étoile très
lumineuse et concentre rapidement la matière en un
disque équatorial. Pour les objets suffisamment
massiques comme notre Soleil, l’effondrement
gravitaire s’arrête lorsque la pression est assez forte et
donc la température assez élevée pour permettre le
démarrage de la fusion de l’hydrogène en Hélium
(Ensuite, tant qu’il restera de l’hydrogène à
consommer, l’état de notre Soleil sera stationnaire).
Mais l’étoile perd à ce moment de sa luminosité, et
l’arrêt de l’effondrement se traduit donc aussi dans le
gaz restant, par la chute de la température, et en
cascade par la condensation de ce gaz en particules
(grains). Près du Soleil se sont retrouvés condensés les
composés réfractaires de Ca, Al, Mg, Ti, apparus les
premiers en dessous de 2000K. Ensuite, les silicates se
sont condensés entre 1400 et 1000K, puis les sulfures
et les oxydes métalliques et, vers 300K, est apparue la
glace d’eau. Enfin aux alentours de quelques x10K
sont apparus des grains méthane. Dans ce disque en
cours de refroidissement avait lieu des réactions
chimiques dont la nature diffère avec la température, et
donc aussi avec la distance au soleil. Les
compositions, minéralogique et chimique, du système
solaire actuel sont le reflet de cette différenciation
première, conséquence directe de la variation de
température dans le disque protoplanétaire.
3 - Le stade d’accrétion des planètes est décrit à travers
les modèles théoriques comme un événement très bref,
moins de 100 Ma. Lire MC - Planeto - Differentiation
planetaire - Badji-BenFadhel &Turon.htm. La condensation
chimique que nous avons évoquée au stade B ne
permet pas de dépasser une taille d’objet supérieure à
quelques x.Cm. Sans instabilités gravitationnelles
locales, nous en serions encore à ce stade, mais fort
heureusement, celles-ci provoquent rapidement la
constitution d’agglomérats de grains de x.100m, les
planètésimaux (moins de 10 Ma. selon Lugmaier et
Shukolyukov
1998).
Les
collisions
entre
planètésimaux fabriquent des embryons planétaires de
x.100 Km à quelques x.1000 Km. Les collisions
provoquent tantôt la fragmentation des corps, tantôt
leur fusion. Ce sont elles qui ont finalement donné aux
planètes internes au moins leur axe et leur période de
rotation initiaux. C’est bien sous l’égide d’Hadès, en
cette époque “ infernale ” de l’Hadéen que commence
la vie de notre planète, qui atteint sa masse actuelle
entre 4.51 et 4.45 Ga. (Halliday 2000), et voit se
différencier son noyau en moins de 30Ma ! (Yin et al.
24/10/13
et Klein et al. 2002).
Le cas des planètes géantes gazeuses est
probablement différent. Il paraît difficile d’obtenir des
planètes de cette taille par accrétion, et certains imaginent
dans un scénario complètement différent qu’elles résultent
directement d’effondrements gravitaires précoces au sein du
disque protoplanétaire. En outre, l’existence d’un très grand
espace, plus de 500.106 Km sans planète entre Mars et
Jupiter34 peut laisser à penser que Jupiter a été formée très
tôt, et que sa très grande influence gravitaire aurait alors
interdit la fabrication de corps importants dans cette région
de l’espace, d’où une planète Mars très petite par rapport à
la Terre, et une ceinture d’astéroïdes qui n’ont jamais réussi
leur accrétion entre Mars et Jupiter. La localisation des
objets les plus froids, les comètes, dans la ceinture
d’Edgeworth-Kuiper et le nuage de Oort aux confins du
système solaire fait de ces objets des planètésimaux qui ont
échappé à l’attraction des planètes géantes en formation.
En 1995, C. J. Allègre, G. Manhès et C. Göpel ont
précisé ce scénario général. Partant de la datation précise
des corps les moins différenciés (donc les plus proches des
planètésimaux connus) les inclusions réfractaires de la
chondrite CI de Allende, on donne pour âge du début de
l’effondrement de la nébuleuse solaire une fourchette de
temps très étroite, 4.568-4.565 Ma. Or certaines
achondrites basaltiques qui sont des météorites
différenciées et donc ne peuvent provenir que de corps
rocheux ayant déjà subi une fusion partielle et une
ségrégation, sont à peine plus jeunes, de 8 Ma. seulement !
Il faut alors imaginer que notre scénario de formation des
embryons planétaires à partir des planètésimaux peut se
dérouler en moins de 8 Ma., un laps de temps extrêmement
court. Il aura fallu que l'augmentation de la pression et de la
température35 du corps en cours d’accrétion aient été
suffisantes pour amener ces embryons planétaires jusqu’à
l'état liquide (ou à son voisinage).
b - Un vernis météoritique et cométaire
tardif pour la Terre
Par similitude, on peut certainement rapporter la
différenciation dans la Terre du noyau métallique à cette
période hautement dynamique de l’accrétion planétaire, en
raison sans doute de la forte densité du fer, mais aussi de
l’état possiblement entièrement liquide auquel cet épisode
tumultueux avait amené la Terre. Observé à travers les
informations de la géochimie du manteau, cet épisode de
fractionnement majeur dans notre planète paraît avoir eu
lieu avant la fin de la phase d’accrétion planétaire. En effet,
lorsque l’on mesure (depuis les années 70) les rapports des
abondances en métaux nobles à leur teneur en fer dans les
roches du manteau, remontées par les volcans ou exhumées
par la tectonique, on constate qu’elles sont plus proches des
rapports chondritiques qu’elles ne devraient. Si la
différenciation avait eu lieu strictement après la phase
d’accrétion, l’affinité de ces métaux vis à vis du fer étant
34
alors que les 4 planètes internes sont confinées dans un
rayon de 230.106 Km seulement.
35
Augmentation qui résulte à la fois de l'accroissement de
taille et de la quantité d'énergie cinétique emmagasinée sous
forme de chaleur lors des collisions.
- 84 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig. 24b : migration des planètes du système solaire selon le modèle de NICE .
http://www.futura-sciences.com
variable (c. à d. la similitude de comportement avec le fer),
cela aurait dû engendrer une ségrégation différentielle de ces
métaux dans le noyau en cours de différenciation ?
Ainsi, les métaux à affinité forte avec le fer (e.g. Ir)
ont dû être entraînés dans le noyau, et inversement les
métaux à affinité plus faible (e.g. Pd) ont dû « enrichir » le
manteau ? Reprenant les évaluations du fer manquant dans
le manteau actuel du début de ce chapitre, les rapports
mesurés de ces métaux au fer dans le manteau, et enfin les
mêmes rapports dans les chondrites supposées représenter la
composition de la Terre avant la différenciation, les
géochimistes concluent à un enrichissement du manteau,
post-différenciation, qui représente le mélange du manteau
déjà différencié avec 0.5 à 1% de matériel chondritique. On
appelle « vernis tardif » l’héritage géochimique de cette
période « finale » du bombardement météoritique et
cométaire postérieure à la différenciation du noyau terrestre.
C’est à cette période que l’on rapporte le rôle essentiel joué
par le bombardement météoritique dans la composition de
l’océan.
Le deutérium (D) est l’isotope de l’hydrogène qui
possède 1 neutron, contrairement à l’hydrogène qui n’en
possède pas. Il est donc possible de caractériser une eau
(H2O) par sa proportion d’atomes de deutérium par rapport à
celle d’hydrogène. On trouve ainsi pour l’eau des océans un
rapport D/H = 1.5 .10-4. Les mesures effectuées en 1996,
tant par la sonde Giotto dans la queue de la comète de
Halley que depuis la Terre à l’aide de télescopes sur la
comète Yakutake, ont montré que le rapport cométaire D/H
Fig. 24a: Interactions Planète-Disque ;
un objet massif perturbe le disque de gaz et crée une onde
spirale de densité
est de 3.0 10-4. L’eau terrestre contient au maximum 30%
d’eau cométaire.
c - Mise en place du système solaire
L’accrétion récente des planètes, encore plongées
dans un disque de gaz et de poussières, est un processus
relativement instable. La masse du « cocon » de poussière
et de gaz restant en fin de phase d’accrétion des planètes —
et qui va continuer à s’accréter principalement à l’étoile naissante
— est suffisante pour entraîner un rapprochement des
planètes géantes déjà partiellement formées vers la
proximité même de l’étoile.
Pour Aurélien Crida (Observatoire de la Côte
d’Azur), sur les plus de 250 exo planètes connues de nos
jours, on observe que la plupart sont ainsi des géantes
qualifiées de « Jupiters chauds », c'est-à-dire formées loin de
l’étoile et rapprochées ensuite par interaction avec le disque
gazeux. En effet, Au moment de leur formation, les planètes
ou les protoplanètes sont « immergés » le disque de gaz, et
ils interagissent avec lui. Leur masse créée une onde spirale
de densité (Fig. 24a) qui repousse le gaz, plus fortement vers
l’extérieur de son orbite que la vers l’intérieur. En réaction
la planète est poussée vers le Soleil. Ce processus, appelé
migration planétaire, explique la formation de nombreuses
planètes géantes extrasolaires, qui ne peuvent s’être formées
sur leur orbite basse actuelle car il n’y avait pas assez de
matière dans le disque de gaz à ce niveau. Elles sont
nécessairement nées plus à l’extérieur avant de commencer
leur migration, vidant le disque de gaz et la migration s'est
arrêtée où on les observe.
Les simulations récentes menées par l’auteur et A.
Morbidelli et al suggèrent que cette étape n’a pas eu lieu
dans le système solaire parce que Jupiter, la plus massique
des deux géantes Jupiter et Saturne, est sur l’orbite la plus
basse. Dans le cas inverse, Jupiter aurait poussé Saturne
avec elle-même dans une position beaucoup plus chaude.
Que serait-il advenu des planètes rocheuses internes ?
L’éjection du système de l’une ou plusieurs d’entre elles
devient alors tout à fait probable.
Le bombardement cométaire déjà évoqué pour la fin
de l’accrétion terrestre a semble-t-il joué un rôle primordial
dans le positionnement final des planètes. Selon le modèle
proposé par ces auteurs (model de NICE, 2006, 2007), au
départ, l’ensemble des 4 géantes est plus proche du Soleil et
la ceinture de comètes de Kuiper est, elle aussi, beaucoup
moins éloignée que de nos jours (Fig. 24b-a). De ce fait, les
http://www.oca.eu/crida/index.html
- 85 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
géantes captures nombre de comètes, qu’elles absorbent ou
dévient vers l’intérieur du système ; seuls Jupiter et le Soleil
ont une masse suffisante pour les renvoyer vers l’extérieur,
voire en éjecter une partie hors du système. Chaque fois
qu’une comète est catapultée vers le Soleil, la conservation
du moment cinétique de la planète en cause lui impose un
léger déplacement vers l’extérieur. Chaque comète expulsée
par Jupiter tend au contraire à la déplacer vers l’intérieur.
Selon les auteurs, le déplacement des planètes les auraient
conduites à se situer un temps (Fig. 24b-b) en résonance 2 :1
(Jupiter faisait alors 2 tours pendant que Saturne en faisant
1); cette résonance confère une excentricité croissante aux
orbites des 2 planètes, perturbant ainsi celles de Neptune et
d’Uranus. Initialement plus interne qu’Uranus, Neptune va
ainsi dépasser Uranus et acquérir une excentricité
temporairement maximale. C’est donc l’ensemble des
interactions comètes-planètes durant la phase de nettoyage
du disque stellaire qui aurait conféré aux orbites des planètes
les caractéristiques qu’on leur connaît (Fig. 24b-c), et
repoussé le reste de la ceinture de Kuiper de 15-30 UA à 3850 UA, alors que les planètes gazeuses passaient
respectivement de 5.5 à 5.2 UA pour Jupiter, 8 à 9 UA pour
Saturne, de 13 à 30 UA pour Neptune et de 16 à 19 UA pour
Uranus.
L’excentricité temporairement extrême acquise par
Neptune au cours de cette période aurait déclenché une
avalanche de 1016 tonnes de comètes, pour l’essentiel
catapultées vers les planètes rocheuses et le Soleil. Une telle
avalanche aurait duré de 30 à 100 Ma. et aurait aussi vidé
partiellement la ceinture d’astéroïdes située entre Jupiter et
Saturne. On retrouve la trace de cet
épisode de
bombardement d’astéroïdes sur la Lune ; grâce aux roches
collectées par les missions Apollo, il est daté à 3.9 Ga., soit
700 Ma. après la formation de système Solaire. Ce
bombardement cométaire et météorique est aussi observé sur
Terre, dans la géochimie du manteau terrestre (vernis tardif,
§ D1b), mais aussi dans l’abondance de l’eau sur notre
planète.
d - Terre-Lune, le couple infernal
Lire MC - Planeto - couple Terre-Lune - Fuhrmann-Gagnot.htm.
Pour W. Hartmann et D. Davis (1975), reprenant une
hypothèse émise par R. Daly en 1946, c’est encore durant
l’Hadéen que le couple Terre Lune a été créé vers 4.5 Ga.
lors d’une capture violente d’un météore. Dans cette
hypothèse, l’impact d’un météore de la taille de Mars sur la
Terre serait à l’origine de ce couple. L’intérêt de cette
théorie est de rendre mieux compte des contraintes
géochimiques: leurs manteaux présentent des points de
similitude troublant et des différences importantes. Les
autres scenarii proposés à ce jour sont moins performants :
24/10/13
raison d’une rotation trop rapide. Trois objections
peuvent être faites à cette théorie: l’orbite lunaire est
inclinée de 5° sur le plan équatorial de la Terre; le
moment cinétique du couple Terre Lune n’est pas
assez élevé pour expliquer une instabilité de rotation;
d’où viennent les différences chimiques entre Terre et
Lune ?
2 - La capture douce de la Lune par la Terre : l’objection
de l’orbite lunaire disparaît ; deux mécanismes sont
possibles, soit une orbite initialement très rasante qui
permet la dissipation de l’énergie cinétique en marées
énormes et donc la capture de la Lune, soit l’existence
préalable d’une première « Lune » autour de la Terre,
permettant un échange de moment avec la Lune lors de
sa capture et de l’éjection de la première « lune ».
Mais nous n’avons aucune trace de cette première
« lune », et quid des similitudes chimiques entre Terre
et Lune.
3 - Les deux planètes, sœurs jumelles, auraient grandi
simultanément. Mais formées dans le même
environnement par un processus similaire, on
comprend très mal les différences chimiques de leurs
manteaux.
Reste donc la capture violente d’un météore de la
taille de Mars ! Pour qu’un scénario de ce type soit possible,
les contraintes que cela impose à son orbite initiale
suggèrent un objet d’une telle taille devait être déjà
différencié au moment de l’impact, probablement en un
noyau métallique et un manteau silicaté. Depuis une
décennie, on envisage le scénario suivant (Fig. 25a) :
1 - à t=0
premier impact ;
2 - à t=12’
Les noyaux restent individualisés, mais
les manteaux fusionnent ;
3 - à t=45’
Le météore déstructuré rebondit ; Il est
alors constitué d’un mélange des manteaux des 2 corps
et de son noyau;
4 - à t=1h20’
une fraction du noyau s’est réindividualisée et se prépare à retomber sur la protoTerre ; le reste est satellisé autour de la proto-Terre ;
5 - à t= 4h07’ deuxième impact ; le noyau du météore
va s’intégrer au noyau terrestre et augmenter la masse
volumique moyenne de celle-ci ; la Lune va renaître de
l’accrétion des fragments restés en orbite. La nature
ferreuse du noyau lunaire est encore largement
discutée, il pourrait aussi être silicaté.
A supposer qu’ils aient été solides au moment de
l’impact, on imagine que 65% de l’ensemble des 2 corps
aurait pu fondre. La proto-Lune perd dans cette aventure une
grande partie de son noyau au profit de la Terre, mais elle
perd aussi dans le cosmos d’une partie de ses constituants
1 - Pour Georges Darwin (fils de Charles) la Lune était volatils en raison la chaleur dégagée ; elle présente de ce fait
née de la fission de la Terre, arrachée au Pacifique en une surabondance des constituants réfractaires par rapport à
la Terre. Cette perte
d’une partie de la
Fig. 25a, scénario d’une collision en 5 clichés :
masse initiale la plus
le noyau du météore rebondit avec un mélange des 2 manteaux. Le mélange reste sur orbite
légère
est
(future Lune), alors qu’une partie du noyau retombe sur Terre. Echelles des tailles et distances
probablement reflétée
des corps non respectées
dans
la
masse
volumique moyenne
un peu élevée du
couple Terre-Lune (cf.
introduction).
t=0
t=12’
t=45’
t=1h20’
- 86 -
t=4h07’
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 25b : Un océan de magma aurait enveloppé la lune.
Les continents lunaires (par opposition aux mers
basaltiques plus récentes) paraissent constitués de
matériaux silicatés alumineux riches en alcalins (Na, K,
le feldspath). Globalement légers, ces continents de
feldspath pourraient avoir été séparés par flottation, très
tôt, à partir d’océans magmatiques (Fig. 25b). Un océan de
magma aurait enveloppé la lune. Durant les 100 Ma. de sa
cristallisation, les feldspaths, légers auraient constitué la
croûte lunaire, les actuelles montagnes de la Lune. A
l’opposé, olivine et pyroxènes seraient venus sédimenter au
fond du réservoir, constituant progressivement le manteau
lunaire. Sa fusion partielle ultérieure aurait donné les
basaltes, constituant alors les mers lunaires, plus récentes et
moins constellées d’impact .On imagine que ces océans ont
pu être créés soit par la catastrophe soit en conjonction avec
la séparation du noyau lunaire, qui permet la récupération
d’énergie gravitationnelle.
6 - Lors de la phase d’accrétion des planètes, les objets
plus petits ont été rassemblés à froid. Ils ne pouvaient
être que peu ou pas différenciés, et contenaient donc
une part non négligeable d'éléments volatils. Ceux-ci
ont dû être incorporés en solution dans le manteau des
planètes durant cette période. Mais la fin très chaude
de cet épisode de l’histoire précoce des planètes
telluriques fut très propice au dégazage du manteau.
Au paragraphe “ histoire de l’atmosphère ” du chapitre
V, on montrera, grâce à l'étude isotopique des gaz
neutres, qu’en effet l’essentiel de l'atmosphère
terrestre s’est différenciée du manteau très tôt,
avant 4.4 Ga. et de façon brutale. Le reste des
volatils dissous dans le manteau continue encore à
rejoindre l’atmosphère, mais sur un tout autre rythme.
rapprocher très vite de celles que nous connaissons
aujourd’hui, puisque l’on sait que la précipitation de
l’océan s’est produite vers 4.1 Ga. ; les sédiments marins
les plus anciens jamais trouvés (Isua au Groenland), datés de
3.8 Ga., attestent de la précocité de l’océan terrestre.
Néanmoins, la radioactivité mantellique plus abondante à
cette époque imposait une température interne plus élevée,
et en outre une grande partie de l’énergie initiale était encore
disponible. Quel pouvait être l’état de ce manteau
“archaïque” ? La géochimie des komatiites, roches
volcaniques (sortes de basaltes très magnésiens) connues
à une exception près seulement dans des terrains très anciens
(entre 3.5 à 1.7 Ga., Archéen), impose que le manteau dont
elles sont issues était à cette époque environ 200° plus chaud
que le manteau actuel. En effet ces roches, qui trouvent leur
origine dans la fusion partielle de ce manteau vers 250 Km
de profondeur, témoignent d’un taux de fusion de 30%
environ. De nos jours la chaleur disponible à cette
profondeur ne permet pas de dépasser un taux de quelques
% (en tous cas moins de 10%) et induit un volcanisme
chimiquement bien différent. On atteint de nos jours les
30% de fusion du manteau à des profondeurs bien moindres,
moins de 100 km, et la composition des laves qui en
résultent (basaltes des rides océaniques) est encore plus
éloignée de celle des komatiites. La température des
éruptions de komatiites était de l’ordre de 1700°c contre
1200 pour les basaltes modernes, et la fluidité des laves était
beaucoup plus grande.
On en conclue que la tectonique des plaques que
nous connaissons devait être très différente à cette époque,
et que vers 2 Ga. la convection (et le mouvement des
plaques) était encore certainement environ 10 fois plus
rapide que les plaques d’aujourd’hui. Si la contribution de
ce type de volcanisme à la création de la croûte terrestre
précoce, en particulier en domaine océanique, a
probablement été essentielle à cette époque, elle a presque
totalement disparu de nos jours. Quant à l’extraction de la
croûte continentale, A PRIORI non recyclable, nous verrons
qu’elle n’a dû démarrer significativement que vers 2.7 Ga.
Jusque-là, la convection devait être la plus forte et le
recyclage da la croûte dans le manteau devait être très
important. Néanmoins nous connaissons des morceaux de
continents plus âgés (e.g. Isua, 3.8 Ga.), mais d’autant plus
rares qu’ils sont plus anciens.
2 – L’Archéen, une convection mantellique
rapide et des komatiites, chaleur oblige…
Dès lors que la Terre fut différenciée en noyau,
manteau et atmosphère, le gradient de pression dans le
manteau est devenu comparable à ce qu’il est aujourd’hui.
Par contre, le géotherme était considérablement plus
chaud. La température de la surface de la géosphère était
celle son atmosphère de l’époque, c'est-à-dire une
atmosphère vénusienne, dense et composée principalement
de CO2 dont la température très élevée par effet de serre
pouvait atteindre 400 à 500°C au lieu des 13°C actuels. On
peut penser que la vitesse de circulation dans les cellules
convectives précoces (vers 4.3 Ga.) dans ce manteau très
fluide, permettait, sinon l’existence d’océans magmatiques
comme il a pu en exister sur la Lune, au moins l’extraction
très active par fusion partielle et flottation des mêmes
matériaux silicatés alumineux riches en alcalins, donnant
des embryons de croûte continentale.
Mais les conditions de température en surface vont se
24/10/13
3 - Le début des temps modernes vers 2 Ga.
En résumé, après une naissance tourmentée,
commencée à l’Hadéen par une agrégation froide et achevée
dans une débauche d’énergie, concentration du fer dans le
noyau, tumulte des collisions de météores, naissance du
couple Terre-Lune, la Terre inaugure avec le
refroidissement de sa surface et la naissance de l’océan, un
mode de fonctionnement toujours d’actualité : extraction des
matériaux fusibles, par fusion mantellique partielle d’une
part, et par introduction d’eau dans le système mantellique
d’autre part. Même si les modes de fonctionnement de
l’Archéen vont évoluer dans le détail, tous les ingrédients de
la tectonique des plaques moderne sont réunis, et
l’extraction des matériaux crustaux peut démarrer. Avec la
fin des komatiites, vers 1.7 Ga., on peut considérer que la
période archéenne prend fin. Néanmoins, le dernier épisode
komatiitique connu, mis en place durant un volcanisme de
point chaud classique il y a 90Ma seulement, nous montre
malgré tout que des panaches profonds anormalement
- 87 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 27 : l’âge de la croûte continentale ;
les ronds représentent les pointements connus de komatiites
chauds peuvent peut-être
être encore venir heurter la lithosphère.
E - La croûtee terrestre et la lithosphère,
interaction entre manteau et atmosphère
Rappelons la distinction opérée entre croûte et
lithosphère :
1 - laa croûte, océanique ou continentale est héritée du
fractionnement du manteau. Elle est mécaniquement
rigide et transporte la chaleur par conduction, mais
aussi par advection grâce aux liquides qui y circulent.
2 - laa lithosphère comprend la croûte plus la partie
mécaniquement rigide du manteau sous-jacent.
sous
Ce
manteau lithosphérique est complexe puisqu’il a
souvent subi des extractions
ctions partielles ayant donné la
croûte sus-jacente.
jacente. Il est en outre traversé (Fig. 26)
par des magmas
en provenance du manteau
asthénosphérique convectif situé en dessous ou de
plumes plus profonds, qui vont alimenter des plutons
crustaux ou le volcanismee à la surface de la Terre. A
l’exception des magmas, le manteau lithosphérique et
la croûte profonde ne transportent la chaleur du
manteau convectif que par conduction.
1 - Croûte et lithosphère continentale, une
mémoire longue, mais effaçable
Parce que le premier constituant (70% environ) de la
croûte terrestre est océanique et perpétuellement recyclé
dans le manteau (en moins de 200 Ma. actuellement),
actuellement) c’est
la croûte continentale,
constituée essentiellement de
matériaux légers théoriquement non recyclés
recyclé dans le
manteau qui va nous fournir les principales archives.
archives
24/10/13
sont
de
tous
petits
fragments, et leur âge ne
dépasse pas 4.03 Ga.
D’autres noyaux de croûte
continentale ont donné des
âges qui s'étendent entre
4.03 et 2.5 Ga., période
appelée archéenne.
Dans des roches
légèrement plus jeunes,
situées
dans
l’ouest
Australien, des zircons
(silicates de Zirconium) ont
donné un âge de 4.2 Ga. Ils
sont donc plus âgés que les
roches qui les contiennent,
ils sont « hérités ». Dans
ces minéraux, le rapport
Hf/Lu (Hafnium/Lutécium)
est utilisé pour traduire le
caractère continental (riche
en Hf) ou au contraire mantellique (riche en Lu) de leur
milieu d’origine. En effet, on sait que Hf présente une
grande affinité chimique avec les éléments constitutifs de la
croûte continentale, il est lithophile, alors qu’à l’inverse Lu
n’est pas lithophile et donc tend à rester
res dans le manteau.
Donc, dans les premiers âges de la Terre, tant que le
processus de cristallisation fractionnée n’avait pas
commencé le rapport Hf/Lu du matériau initial homogène
est partout le même. Par contre avec le fractionnement de la
croûte terrestre
stre et la séparation en deux réservoirs distincts,
manteau et croûte du matériel initial, le rapport Hf/Lu de
l’un grimpe très vite (les petits bouts de croûte continentale
formés) quand celui de l’autre décroît lentement (l’ensemble
du manteau un peu modifié). Les zircons cristallisés dans
l’un ou l’autre des deux réservoirs présenteront donc des
rapports Hf/Lu très différents. Ensuite, ce caractère est
quasiment inaltérable et ineffaçable.
ineffaçable Les zircons étudiés en
Australie par M. Harrison et J. Blichert-Toft
Blichert
ont ainsi été
recyclés dans des roches plus récentes qu’eux, et ils
témoignent de l’existence d’une croûte terrestre âgée de 4.2
Ga. au moins, soit à peine quelques 200 Ma. seulement
après la fin de l’accrétion terrestre.
terrestre Les premiers embryons
de continents
nents se seraient donc formés très tôt après la
naissance de la Terre, estimée quant à elle à 4,56 milliards
d'années. Mais les rapports en Hf/Lu des zircons de cette
époque sont irréguliers, chaotiques,
chaotiques suggérant de multiples
débuts de fractionnements suivis
vis de ré-homogénéisations
ré
locales et re-différenciations
différenciations donnant ces premiers zircons
conservés. Ce n’est qu’àà partir de 3.8 Ga. environ que la
tectonique des plaques que nous connaissons aujourd'hui
semble se mettre en place. Lee rapport Hf/Lu des zircons
Fig. 26 : Advection magmatique dans la lithosphère.
Les fragments très anciens sont exceptionnels,
exceptionnels d’une
part parce ce que les premiers continents, partis de rien, ont
vu leur taille s’accroître progressivement (fig. 27), et d’autre
part parce que s’ils
’ils n’ont pas été recyclés dans le manteau,
ils peuvent avoir été « réinitialisés » comme par exemple
lors des collisions entre plaques continentales.
continentales Les
ensembles rocheux les plus anciens connus, Isua et Acasta,
- 88 -
http://faculty.weber.edu/bdattilo/parks/plume_cont.jpg
ber.edu/bdattilo/parks/plume_cont.jpg
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
augmente alors graduellement, prouvant qu’une extraction
généralisée, progressive et largement irréversible cette fois
se met en place à partir du manteau. Le système paraît avoir
trouvé son rythme et sa pérennité. Parallèlement, les
premiers lambeaux de croûte peuvent être conservés
(noyaux archéens). Ceux qui étaient apparus préalablement,
dans un milieu très chaud, turbulent et violent, ont tous
replongé dans le manteau ou ils ont été recyclés.
Les premiers noyaux continentaux conservés se
retrouvent au cœur des boucliers archéens (plages violacées
de la figure 27) et occupent une surface bien inférieure à la
surface actuelle des continents. En outre, leur répartition
actuelle n'a évidemment rien à voir avec celle qu’ils
occupaient à l’époque. Ils sont constitués par 3 grands
ensembles de roches :
1 - les roches vertes (greenstone belts) qui forment des
ceintures de laves constituées de komatiites (évoquées
plus haut), de basaltes et d’andésites ; ces ensembles
volcaniques présentent à la fois des caractères de
roches de dorsale océanique et des caractères de
roches des zones de subduction.
2 - les roches granito-gneissiques, qui proviennent de la
transformation métamorphique de granites et rhyolites
et/ou de schistes argileux ;
3 - les roches sédimentaires, qui témoignent de l'altération
et de l'érosion par l'eau et/ou le vent d'anciens massifs
rocheux dès cette période ; la roche sédimentaire la
plus ancienne date de 3,8 Ga. (Isua, Groenland).
Reprenant Pierre André Bourque de l’Université de
Laval (Québec) nous dirons qu'il est fort probable que des
mécanismes comme ceux qui sont associés à la tectonique
des plaques de nos jours ont joué un rôle comparable dès
cette époque:
1 - fusion partielle du manteau produisant des laves de
dorsale et de zone de subduction;
2 - métamorphisme dans des zones de subduction pour
produire les terrains granito-gneissiques;
3 - altération des premières roches formées, érosion et
dépôt conduisant aux premières roches.
Les estimations de volume de la croûte continentale
constituée à cette époque reculée (Fig. 28) sont encore très
controversées. Les informations sont fragmentaires,
difficilement déchiffrables, et encore moins aisément
interprétables en termes de reconstitution géotectonique.
a - Des blocs ceinturés
Si la période archéenne correspond à la formation des
premiers noyaux continentaux à la surface de notre planète,
la période suivante, le Protérozoïque, correspond à la
croissance des masses continentales autour de ces témoins
de l’époque Archéenne, qui se retrouvent ainsi souvent
bordés de « ceintures » d’âge décroissant (Amériques Nord
et Sud et Australie en particulier).
24/10/13
Dans le premier type, dénommé ceinture
orogénique de collision, ce sont des pans entiers de la
mémoire continentale qui sont un jour repris dans l’étau
d’une collision continentale comme celle qui crée les Alpes
(lire Q - Tectonique - La formation de la chaine de montagnes Alpes Martin.htm) ou l’Himalaya actuellement. Lors d’un tel
processus, deux blocs continentaux s’affrontent et leurs
bordures comprimées se déforment et se chevauchent. Dans
les parties profondes de la croûte sur-épaissie par cette
collision, le métamorphisme et la fusion partielle viennent
alors effacer largement les traces de l’histoire continentale
antérieure. Quant-aux parties superficielles de l’édifice
montagneux, elles sont alors largement soumises à l’érosion,
et la mémoire continentale s’émiette ici dans les rivières et
les océans qui bordent la nouvelle chaîne.
Dans le second type, dénommé ceinture orogénique
de marge continentale active, les mêmes agents,
métamorphisme et fusion partielle en profondeur, érosion en
surface sont aussi en action. Dans les chaînes montagneuses
qui surplombent des zones de subduction en bordure de
continents (les marges actives des continents Nord- et SudAméricain par exemple) se fabriquent depuis 200 Ma.
environ des chaînes de montagnes qui remodèlent ainsi les
bordures préexistantes de ces continents (les Rocheuses et
les Andes par exemple). Mais parallèlement, c’est aussi
principalement dans ces zones de subduction que de la
croûte continentale nouvelle est susceptible de se former
encore de nos jours (cf. § lithosphère et subduction). Il faut
toutefois noter que les études récentes et détaillées de ces
régions (dans les Andes par exemple) suggèrent à l’inverse
qu’une fraction non négligeable de la base des continents
puisse être scalpée par la plaque plongeante et entraînée
avec elle dans le manteau. Le bilan de matière n’est
décidément pas facile à évaluer.
La croissance des continents s'est faite surtout durant
le Protérozoïque, entre 2.5 Ga. et 600 Ma., et l’on est à peu
près certain que le volume des continents n'a finalement que
peu varié durant les derniers 400 Ma. (Fig. 28). Cela signifie
donc que les processus d’extraction des matériaux fusibles
et légers du manteau terrestre sont maintenant globalement
compensés par les processus d’introduction de ces mêmes
matériaux dans le manteau.
Le Protérozoïque inférieur vient souvent recouper
des blocs archéens. On a tout d’abord pensé que les
formations protérozoïques sont venues s'ajouter autour de
ces noyaux archéens, mais on considère de nos jours que cet
Archéen formait de grands noyaux qui ont été fragmentés en
microcontinents déplacés par la tectonique des plaques. Les
matériaux protérozoïques se sont donc déposés dans des
océans entre ces microcontinents, puis le puzzle se serait à
nouveau rassemblé, coinçant les matériaux protérozoïques
Fig. 28 : croissance des continents.
Les terrains les plus récents notés 0-250 Ma.
constituent deux types de ceintures orogéniques : l’une est
coincée entre les blocs plus anciens Nord-Européen et
Afrique-Arabie-Inde ; l’autre occupe une situation
péri-Pacifique tout à fait remarquable
- 89 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
dans de nouveaux continents plus grands.
manteau supérieur et l'atmosphère.
Vers 1.0 Ga. à 800 Ma., l’ensemble des continents de
l’époque allait se trouver suffisamment rassemblés pour
qu'on ose parler d'un méga continent, sorte de Pangée de
l'époque, que l’on a appelé Rodinia , et l’océan mondial qui
l’entourait, Mirovia. La valse des continents, leur
rassemblement, leur déchirure et leur écartement ont donc
certainement déjà l’allure qu’on leur connaît aujourd’hui.
b
- Une hétérogénéité
horizontale
24/10/13
verticale
et
Ajoutons à ces critères de similitude avec la couche
D" les caractères propres à la lithosphère :
1 - la stratification verticale de la croûte océanique et la
grande jeunesse du domaine océanique ;
2 - le déplacement relatif des pièces du puzzle (plaques
lithosphériques) qui la constituent, mais s’agit-il bien
là d’une spécificité de la lithosphère;
Néanmoins, la différence de densité qui oppose
croûte continentale et croûte océanique conduit à un
comportement radicalement différent dans le temps :
Nous avons décrit la surface terrestre (croûte
1 - La mémoire continentale est effaçable, le matériau
continentale en particulier) comme le résultat de l’extraction
continental reste largement piégé en surface, mémoire
de matériaux à partir du manteau. Cette notion, qui
longue ;
d’ailleurs est valable aussi pour la croûte océanique, est
2 - La mémoire océanique est courte, et le matériau
basée sur un processus de fractionnement chimique qui
océanique retourne rapidement dans le manteau.
enrichit l’un en appauvrissant l’autre. Mais la mécanique
Il nous faut maintenant aborder l’extraction des
terrestre couple largement produits et producteurs et
introduit une dichotomie rhéologique bien différente. matériaux mantelliques qui fabriquent ainsi la lithosphère.
Rappelons qu’elle oppose le manteau convectif (et
particulièrement ductile dans la région de la LVZ,
2 – Croûte et lithosphère océanique Une
asthénosphère) à la couche limite conductive et rigide mémoire courte de 200 Ma.
reconnue comme la lithosphère, indépendamment de tout
De nos jours, c’est au droit des dorsales océaniques
caractère chimique. La partie sommitale du manteau, trop
ou
des
rifts continentaux (grandes fractures qui séparent des
froide et donc rigide, appartient à la lithosphère dont elle
blocs)
que
la croûte nouvelle est formée. Sous ces structures,
constitue la base. Quant-aux produits de fractionnement du
du
manteau
supérieur en cours d'ascension subit une
manteau, croûte continentale et croûte océanique légères, ils
décompression
adiabatique. On retrouve donc, à une
constituent le sommet de la lithosphère. La lithosphère
profondeur
donnée,
du manteau « anormalement » chaud par
constitue, entre le manteau et l'atmosphère, un équivalent de
rapport
à
son
environnement.
la couche D" entre le noyau et le manteau, avec les points de
similitude essentiels suivants:
1 - la lithosphère est une couche thermique limite
(transport de la chaleur par conduction);
2 - la croûte montre une grande hétérogénéité
horizontale (océanique, continentale, nature et âge
dans les continents);
3 - la lithosphère reflète les interactions entre le
a - La lithosphère océanique est issue de
la fusion du manteau dans les zones
d'accrétion
Le resserrement vers le haut des isothermes se traduit
dans la figure 12 (§ 4.C.2.b) par un géotherme terrestre très
décalé vers les hautes températures (flèche 1), que l’on
Fig. 29 : fusion de l’asthénosphère par décompression
retrouve en pointillé rouge dans la figure 29.
adiabatique au droit d’une dorsale.
Lors de la chute rapide de pression que subit le
manteau (adiabatique donc sans perte de chaleur ou
presque) il franchit son solidus (sec), ce qui provoque sa
fusion partielle, Lire MC - Geochim - Solidus - Liquidus - Hmiza
& Mayembo.htm. Ce processus donne naissance à un liquide
silicaté qui monte vers la surface et nourrit la croûte
terrestre.
1: péridotite source solide
minéraux cristallisés)
2: péridotite source en
partie fondue
3: basalte issu de 2
4: péridotite résiduelle
issue de 2
d
c
e
a
f
b
minéraux a, b et cstructure holocristalline
liquide magmatique
entre cristaux
Verre, microlithes et
phénocristaux structure
hémicristalline
structure holocristalline
http://svt.ac-dijon.fr/schemassvt/article.php3?id_article=187
La figure 12 montre les champs de stabilité du
solide, péridotites à plagioclase ou à spinelle ou à grenat
selon la profondeur. Au-delà du solidus débute le
domaine de l'équilibre solide + liquide (Fig. 29). La pente
négative du solidus sec signifie que la pression favorise
l'état solide. La composition chimique du liquide est
différente de celle du manteau parent car, dans le
manteau parent polyphasé (olivine, pyroxènes, et phase
alumineuse cf. tableau 1), les minéraux les moins
réfractaires sont ceux qui portent les alcalins et
l’aluminium, clinopyroxène plus grenat ou spinelle. A
l’opposé, les plus réfractaires sont les silicates
magnésiens, orthopyroxène et surtout olivine. Une fois le
solidus franchi, le trajet du système dans le plan PT° se
rapproche du liquidus, ce qui signifie que le taux de
fusion augmente (zone rouge Fig. 29). Les 2 petits
cartouches gauches de la figure 29 montrent ce
- 90 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
phénomène, mais ne rendent pas en compte de la plus ou
moins grande fusibilité des différentes espèces, et donc de la
différence de composition entre le liquide formé et le résidu
solide.
Rapidement, tout le clinopyroxène et le grenat ou le
spinelle de la lherzolite sont fondus ; la péridotite
mantellique résiduelle n’est alors plus constituée que de
minéraux réfractaires,
es, l’orthopyroxène et l’olivine, on
appelle cette péridotite une harzburgite.
harzburgite Inversement, le
liquide formé dans cette fusion présente une composition
chimique très marquée par celle des minéraux fondus
préférentiellement (cf. Chp. 4.E.3.a). Si le ∆T° au-dessus du
solidus augmente encore, la fusion des minéraux réfractaires
commence, en engageant prioritairement l’orthopyroxène
dans ce liquide ; lorsque tout l’orthopyroxène a disparu, la
péridotite est devenue monominérale, on la nomme dunite,
elle est extrêmement magnésienne.
Au liquidus, tout le solide étant fondu, la
composition du magma serait identique à celle du manteau
lherzolitique parent. Plus on déplace le géotherme vers les
hautes températures et plus le début de la fusion commence
profondément,
dément, et plus le trajet du système s’approche du
liquidus. La composition très magnésienne des komatiites
s’explique de cette manière, par une fusion profonde et un
taux de fusion très élevé. C’est aussi ainsi que la croûte
océanique actuelle prend naissance
ance par fractionnement
chimique à partir du manteau, mais à des taux de fusion
et à une profondeur moindre qu’au premier jour de la Terre.
24/10/13
Fig. 30a : croûte océanique.
plutoniques de composition
similaire aux laves,, qui sont un
ensemble
de
chambres
magmatique
initialement
situées sous la ride. Ces
chambres
ont
lentement
cristallisé en gabbros de plus en
plus évolués vers leur toit
(cristallisation
ion
fractionnée,
Chp. 3.E.3.a),,
tout
en
fractionnant des laves plus ou
moins variées. Enfin la base de
la série est constituée de
péridotites mantelliques variées,
lherzolites fertiles qui ont
donné par fusion partielle des
reliquats
réfractaires
réfractaires,
harzburgite
ite et dunites. Ces
péridotites peuvent être lardées de pos chromifères, résultant
d’une lente ségrégation du chrome.
Au droit de la ride on peut considérer que l'isotherme
1200°C qui constitue grossièrement la limite entre
lithosphère et asthénosphère arrive
arr
pratiquement à
l'affleurement. Il n'y a donc quasiment pas de lithosphère au
niveau des dorsales. Seule la croûte est présente. La couche
limite conductive est réduite ici à pratiquement rien, et une
bonne part du transfert de la chaleur du manteau vers
ver
l’hydro-atmosphère
atmosphère se fait ici par advection,
advection au niveau de la
dorsale. Lee gradient thermique est très fort, et l’évacuation
de la chaleur est largement facilitée dans la croûte solide par
la mise en place d’une cellule convective aqueuse
(Fig. 31a), qui constitue une seconde entorse au transfert de
Au droit d’une dorsale océanique, les magmas
arrivent presque en continu jusqu'à la surface en ligne
directe du manteau sous-jacent anormalement chaud.
chaud Ils
fabriquent
la
Fig. 30b : éruptionss sous-marines :
croûte océanique
sous faible tranche d’eau à gauche et au centre : la lave refroidie en surface (noire) par l’eau (noter
(Fig. 30a),
l’ébullition) craque sous l’effet de la poussée de la lave chaude. La fente (rouge) sert alors de filière pour
constituée depuis
l’extrusion de nouveaux coussins noter les stries laissée par l’extrusion ; à faible profondeur le
la surface d’abord
refroidissement brutal de la lave est souvent accompagné d’une explosion des gaz
ga contenus ;
de basaltes en
à grande profondeur, sur les rides (à droite) la pression empêche cette expression des gaz.
coussins (pillow
lavas, Fig. 30b),
puis
d’une
séquence
de
dykes
d’alimentation
(filons
entrecoupés). En
dessous
on
observe
(Fig. 30a)
les
roches
Fig. 31 : lessivage et hydratation de la croûte et du manteau au droit des dorsales :
a) schéma de lessivage;
b) fumeur noirs;
c) anomalie du rapport (Al+Fe+Mn)/Al.
http://www.whoi.edu/oceanus/viewArticle.do?id=2400 http://earthsci.org/mineral/energy/geomin/geomin.htm
- 91 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig.32 : panache enrichi en 3He.
chaleur
seulement
conductif dans la
couche limite. A
1000m de profondeur
la T° d’ébullition de
l’eau est de 310°C ;
elle est de 370°C à
2000m et de 410°C à
3000m
(http://www.divediscover.
whoi.edu/vents/). En de
nombreux évents, la
température de l’eau
dépasse la valeur du
point critique 218 atm, 375°C.
La mise en place de ce thermosiphon est rendue très
aisée par le grand nombre de fractures ouvertes qui
accompagne l’énorme distension à laquelle est soumise cette
zone tiraillée entre les deux plaques. Cette circulation d’eau
supercritique lessive la croûte et le manteau sous-jacent,
l'hydrate en transformant par exemple la péridotite du
manteau en serpentinite, lui échange du Sodium contre du
Calcium, et lui emprunte du Soufre, du Fer, du Manganèse...
Très riches en métaux et en soufre, les sources très chaudes
précipitent brutalement au contact de l'eau de mer des
sulfures et des oxydes ou hydroxydes qui opacifient l'eau,
leur donnant leur nom de fumeurs noirs, et construisent des
cheminées sur le fond de l'océan (cf. poly LDC). On a pu les
observer au cœur des rides océaniques depuis une quinzaine
d'années environ (Fig. 31b). Ils rejettent des quantités
considérables d'eau dont la température peut atteindre ou
dépasser 350°C. L’énergie disponible est utilisée par une
chaîne alimentaire complexe depuis des archéobactéries
extrêmophiles pouvant vivre à des T° allant jusqu’à 105°C
et très mal à l’aise en dessous de 85°C., jusqu’à des
24/10/13
organismes supérieurs, mollusques, crustacés parfaitement
adaptés, en passant par les célèbres vers vestimentaires
Riftia (cf. Poly LDC).
L’enveloppe de l’anomalie de concentration en Fe et
Mn (Fig. 31c) dans l'océan montre clairement d'une part la
coïncidence avec la ride Est-pacifique (pointillé), et d'autre
part l’influence des courants sur son étalement (flèches
grises).
Les mesures effectuées sur les isotopes de l’hélium
(He) sont, elles aussi, très significatives (Fig. 32). Si
l’isotope 4He est fabriqué par radioactivité (par irradiation
du Be e du Li), 3He, lui, est formé par photodissociation à
très haute altitude et il est alors rapidement perdu dans le
cosmos car très léger, ou bien il est originel. En fait,
l’Hélium est si léger que la Terre en perd toujours un peu
dans le cosmos. Donc 3He de la haute atmosphère n'interfère
pas avec l'hélium contenu dans la basse atmosphère ou
l'océan. Or on constate que les sources qui jalonnent les
rides océaniques contiennent une quantité anormalement
élevée de 3He. Elles apportent la preuve que le manteau
contient encore pas mal du gaz originel, et que le dégazage
continue. En outre la taille importante du panache (Fig. 32,
vue en coupe) montre encore l’importance de
l’hydrothermalisme dans la chimie de l’océan.
L'enrichissement en 3He hydrothermal est mesuré en
comparant le rapport isotopique 3He / 4He de l'eau à celui de
l'atmosphère. Les différences mesurées sont importantes et
significatives, mais en toute rigueur, il devrait être tenu
compte du fractionnement des isotopes de l'hélium au cours
de l'évaporation.
En s’éloignant de la ride, la plaque, plus vieille (Fig .
33), se refroidit, et les interactions océan-lithosphère
deviennent rapidement négligeables. La croûte n’évolue plus
que fort peu, elle épaissit progressivement par-dessus, avec
Fig. 33 : âge du plancher océanique croissant symétriquement avec la distance à la ride.
186 150 120
90
50
25 0 Ma
http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/fliers/96mgg04.html
- 92 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 34 : Les sédiments marins de la plaque plongeante.
Ils sont rapidement scalpés par la plaque sus-jacente et fortement
tectonisés en grossissant le prisme d'accrétion.
Une partie des sédiments restés solidaires sont sous-charriés avec la
plaque plongeante sous le prisme ; ils peuvent ensuite venir
s’accréter au prisme par sous placage ou au contraire être subductés
avec la lithosphère dans le manteau.
24/10/13
§ 4.C.2.b)). Rappelons que la morphologie du solidus
humide est très incurvée vers les basses pressions
(flèche 2 in fig. 12), recoupant largement les
géothermes continentaux, ancien ou récent, et plus
encore le géotherme océanique au niveau des dorsales.
L'analyse des roches volcaniques des zones de
subduction ainsi que l'expérimentation montrent que
les produits de la fusion mantellique hydratée sont
très différents de ceux qu'engendre la fusion par
décompression adiabatique du manteau quasi sec
sous les dorsales. Au lieu de basaltes, qui contiennent
40 à 45% de SiO2, on obtient des andésites et des
diorites, qui contiennent 50 à 60% de SiO2.
Le fractionnement des éléments lithophiles,
légers comme Si, Na, K ou lourds comme U, Th, est
alors maximum. Ces produits sont en outre de faible
densité (d#2.8 au lieu de 3 pour les basaltes). Ils ne
peuvent plus être recyclés dans le manteau et donnent
naissance à de la croûte continentale, dont la composition
chimique moyenne peut être assimilée à celle des diorites,
roches intermédiaire entre les basaltes, liquides quasi
indifférenciés, et les granites, qui constituent le terme le plus
évolué de ce fractionnement.
http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosgeol/01_decouvrir/02_subduction/04_subduction_
plaques/01_terrain/03a.htm
les sédiments qui viennent la recouvrir lentement, mais elle
reste peu épaisse (<10km). L’isotherme 1200°c plonge en
s’éloignant de la ride et la lithosphère épaissit. Elle dépasse
ainsi rapidement l'épaisseur de la croûte, dont la nature
détaillée n'est pas évoquée ici (cf. poly LDC), et incorpore
progressivement la partie sommitale du manteau (accrétion
de manteau devenu froid). Ce manteau est partiellement
différent du manteau initial car si la croûte est enrichie en
matériaux fusibles empruntés au manteau, la fraction du
manteau qui l’a produite est en revanche rendue plus
réfractaire. On est donc amené à conclure que la
lithosphère (croûte + manteau) n'est pas globalement
différente du manteau primaire sous-jacent, en tout cas en
domaine océanique. Le refroidissement de la lithosphère
avec la distance à la ride et donc avec le temps est
parfaitement corroboré par le flux de chaleur mesuré (cf.
carte Fig. 5 in Chp. 1.D2). La contraction qu’il implique
mène inévitablement à une inversion de densité, la
lithosphère devenant plus lourde que le manteau sous-jacent.
C’est semble-t-il pour un âge de l'ordre de 150 à 200 Ma.
que cette inversion devient patente. Elle est alors susceptible
d'engendrer une branche descendante d'une cellule de
convection ? En tous cas, aucun plancher océanique plus
vieux que 180 à 200Ma n’a jamais été échantillonné.
b - La lithosphère plongeante provoque la
fusion du manteau dans les zones de
subduction et fabrique de la croûte
continentale
L’introduction d'eau dans le système mantellique
caractérise toutes les régions qui, en surface, correspondent
au plongement d’une plaque océanique, que ce soit au droit
des guirlandes d'îles comme le Japon, ou au droit des
“marges” continentale dites actives comme la cordillère des
Andes. La tomographie sismique du manteau dans les zones
de subduction (Fig. 16, § 4.C.3.b) montre qu'il existe un coin
de manteau entre la croûte de l'arc et la plaque plongeante.
Durant la descente, en se réchauffant et en se comprimant, la
plaque libère l'eau d'hydratation qu'elle avait emmagasiné au
voisinage de la dorsale, hier ou 180 millions d'années plus
tôt, bien plus encore que pendant les millions d’années
passées au fond de l’océan... C'est cette eau qui provoque la
fusion partielle du manteau sus-jacent lorsqu'elle le
traverse car, sous forte PH2O le manteau subit un
abaissement important de sa courbe solidus (Fig. 12,
La plaque subductée et déshydratée commence sa
descente par le scalp de la majeure partie des sédiments qui
viennent s’ajouter au prisme d’accrétion de l’arc ou de la
marge active (Fig. 34). Les sédiments, de densité très basse
(1.8 à 2.2 environ) et de cohésion faible, qui s'étaient
déposés sur la plaque au fond de l'océan quittent ici la
plaque océanique qui les portait et viennent s'accréter à la
plaque supérieure au niveau de la fosse. La plaque
subductée continue sa descente et enfouit alors avec elle les
stigmates chimiques de son contact avec l'atmosphère, mais
une partie de l’eau contenant du CO2 et du CH4 est libérée.
Cette eau circule au voisinage du plan de subduction pour
venir alimenter une ligne de sources chaudes jalonnant le
front accrétion au fond de la fosse (cf. Poly LDC). En outre
la subduction de la plaque s'accompagne de frottements
intenses qui arrachent des fragments au soubassement de la
plaque supérieure. Ces fragments du soubassement seront
enfouis avec la plaque dans le manteau, avec les quelques
lambeaux de sédiments qui auront échappé à ce rabot et
seront restés solidaires de la plaque. Ils retournent avec elle
au manteau. De même, plus loin dans la subduction, une
petite fraction du matériau continental peut être raboté par la
plaque plongeante et renvoyé dans le manteau.
Cette petite partie des sédiments portés par la plaque
ou des fragments arrachés à l'arc ou au soubassement du
continent réussira à atteindre le manteau supérieur, et elle
modifiera (faiblement mais significativement) sa
composition chimique et celle de ses produits de fusion
partielle. C'est à travers ce processus que l'on imagine la
contamination de la couche D" que nous avons envisagé
plus avant. Pour M. Yoshida et M. Santosh 2011, le bilan de
matière entre quantité de continent créé en zone de rift
continental et quantité de continent perdu par le rabot de la
subduction ne serait pas constant dans le temps. Le bilan
continental serait positif dans les phases de séparation d’un
supercontinent (continental breakup induit par un superpanache) et inversement, il serait déficitaire durant les
phases de super-subduction qui sont le moteur du
rapprochement des continents en un super-continent comme
la Pangée.
- 93 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
3 - Le fractionnement magmatique
Deux types de diagrammes de phases suffisent à
illustrer clairement le fractionnement des magmas (Fig. 35),
dans l’espace de la composition représentée par 2
constituants A et B en fonction de la température T°.
T
a - Le processus de fractionnement (cf.
TP Axe GP)
Lire MC - Energie interne - Radioactivite - Letellier.htm ; MC Geochim - Cristallisation - Saifane.htm. Aux hautes T° considérées,
le système
tème magmatique est généralement entièrement
liquide (monophasé) quelque soit la concentration, et aux
basses T° considérées, le système est entièrement solide; il
peut alors être polyphasé si les constituants A et B
représentent des corps purs non miscibles,
es, ou monophasé si
les corps représentés par A et B sont miscibles en toutes
proportions (solutions solides).
Entre ces deux états, initial et final, ces diagrammes
nous montrent les domaines des compositions possibles pour
le liquide et pour le solide. Ces domaines sont limités
chacun par une courbe, lieu des points où la composition est
fixée par la température. Ces deux courbes sont (lire MC Geochim - Solidus - Liquidus – Hmiza & Mayembo.htm):
1 - le liquidus, qui limite vers les basses températures le
domaine des compositions possibles à l’état liquide;
2 - le solidus, qui limite vers les hautess températures le
domaine des compositions possibles à l’état solide.
Ces deux courbes sont toujours disjointes, sauf aux
points d’abscisse A et B qui illustrent la cristallisation des
corps purs représentés par A et B, et éventuellement en un
point singulier
ier de composition A/B défini, eutectique ou
extremum. L’espace situé entre liquidus et solidus est donc
un espace de composition impossible, tant pour le liquide
que pour le solide.
Imaginons un liquide L0 de composition initiale C0, à
la température T0(Fig. 35).
). Si la température s’abaisse, le
liquide L0 rencontre le liquidus à la température T1. Débute
ici la cristallisation du solide, dont la composition Cs0 est
définie par le solidus. La composition de l’ensemble du
système étant inchangée (C0), et le solide formé ayant une
composition (CsT) différente de celle du liquide initial (C0),
24/10/13
la composition nouvelle du liquide (ClT) s’écrit :
q.CsT + (1-q).ClT = Cte
(ici C0 ), où q et 1-q sont
respectivement les masses de solide et de liquide.
La cristallisation
sation du liquide ClT reprendra lorsque la
température sera à nouveau descendue et recoupera le
liquidus pour cette composition. La cristallisation d’un
liquide peut donc être schématisée comme une suite
d’incréments.
Arrêtons-nous
nous un instant sur la composition
comp
du solide
formé à chaque incrément :
1 - Dans le cas des corps purs (A et B non miscibles,
Fig. 35a),
a), la composition du solide est fixe, soit A soit
B ; La composition du liquide évolue avec la quantité
de solide formé, jusqu’à avoir la composition de
l’eutectique E.
2 - Dans le cas des solutions solides (Fig.
(Fig 35b), la
composition du solide total est à chaque instant
(chaque T°) celle du solidus ; elle varie donc avec le
degré de cristallisation (i.e. la température). La
cristallisation à l’équilibre impose donc dans le cas des
solutions solides que le solide total formé réagisse à
chaque incrément avec le liquide, pour donner un
nouveau solide. Le rééquilibrage de la concentration du
solide magmatique est rarement complet dans les
magmas, en raison des vitesses
vite
de diffusion des
éléments dans le solide. La composition du dernier
liquide Cf,, dépassera alors largement la composition
prévisible (celle quii correspond à la température
Tfc L0.
Les deux cas conduisent donc à une évolution de la
composition de la fraction
action liquide magmatique au cours de
la cristallisation. Dans le cas de la fusion du manteau par
exemple, les minéraux les moins réfractaires (les premiers à
fondre) seront différents en fonction de la profondeur (cf.
Chp. 4.C.2). Mais qu’il s’agisse de spinelle
s
ou de grenat, les
deux sont riches en éléments alcalins et le liquide formé sera
donc prioritairement enrichi en ces élément. Ensuite, le taux
de fusion augmentant le volume de liquide formé augmente
sans nouvel apport en alcalin. Il s’opère donc une
u dilution
qui conduit vers des laves (basaltes) d’abord alcalines puis
de moins en moins alcalines (tholéiites). Si pour une raison
ou une autre il est opéré une séparation de tout ou partie de
Fig35 : Diagrammes de phases X vs. T° :
a) corps purs A & B
b) solution solide complète A - B
- 94 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
cette fraction liquide, on peut prélever toute une gamme de
liquides de concentrations variées entre Ci et Cf , ou de
mélanges liquide + solide en proportions variées. Ce
processus intervient naturellement chaque fois qu’une
fracture au toit de la chambre magmatique permet à une
portion du magma de migrer, ou bien lorsque par
accumulation du solide formé, il n’y a plus de contact entre
l’essentiel du solide et le liquide restant.
restant Cette évolution
« en route » vers la surface (terme anglais), donne dans la
croûte tout un ensemble de roches cogénétiques, plutoniques
et/ou volcaniques
b - Depuis quand le fractionnement de la
croûte continentale à partir du manteau
supérieur fonctionne-t-il?
Si les processus terrestres sont capables d'opérer un
fractionnement des isotopes des éléments très légers, les
différences de masse entre les isotopes d'un même élément
lourd, 87Sr et 86Sr par exemple, sont insuffisantes pour que
les processus géologiques comme la fusion partielle ou la
cristallisation les fractionnent. Mais une partie du 87Sr est
d'origine radiogénique, elle provient de la désintégration du
87
Rb (87Rb → 87Sr +β), et le rapport 87Sr / 86Sr ne cesse
d'augmenter avec le temps, depuis la formation du système
Terre, partout où il y a du Rubidium. La première utilité
d'une relation linéaire de ce type est bien sûr d'offrir un
chronomètre. La radio chronologie exploite ainsi bon
nombre d'autres transformations de ce type, telles que:
238
235
40
U→206Pb ;
K→40Ca ;
138
U→207Pb ;
La→138Ce,
176
138
Lu→176Hf ;
La→138Ba.
40
K→40Ar,
Parmi ces paires radiogéniques certaines présentent
présent
des contrastes de propriétés chimiques entre père et fils que
l'on utilisera pour tracer les processus géologiques dans le
temps. Par exemple, la paire d'éléments 87Rb→87Sr
(colonnes I et II du tableau périodique respectivement) est
très sensible aux processus
rocessus de fusion et de cristallisation; Rb
a une affinité beaucoup plus forte que Sr pour le liquide ou
les volatils. Si le Rubidium a une grande affinité pour les
liquides magmatiques, la fusion mantellique appauvrit donc
le manteau solide (Rb/Sr = 0.03 in Fig.
ig. 36a) au profit du
liquide. Arrivé dans la lithosphère, ce liquide commence sa
24/10/13
cristallisation. Celle-ci
ci concentre encore le rubidium dans
les derniers liquides, légers et à composition de granite, qui
sont stockés dans la croûte continentale (Rb/Sr
(Rb/S = 0.17 in
Fig. 36a).
a). On qualifie un tel élément d’hygromagmatophile
ou de lithophile. Avec le temps, le rapport 87Sr / 86Sr de la
croûte terrestre augmente donc inexorablement plus vite que
celui du manteau (Fig. 36a)) et de la moyenne terrestre.
Inversement,
ent, celui du manteau voit sa croissance d'autant
plus ralentie. Partant des valeurs mesurées aujourd'hui et
dans des matériaux relativement anciens, provenant de la
croûte continentale (Fig. 36a)
36a et du manteau supérieur
(Fig. 36b),
b), on peut estimer que la construction massive de la
croûte continentale et l'appauvrissement du manteau
supérieur ont commencé vers 2.7 Ga. . Dans la figure 36,
depleted mantle (3) reflète la valeur moyenne du manteau
supérieur asthénosphérique actuel. Le manteau EM I
(Enriched Mantle
ntle I) qui se situe sur la droite moyenne n’est
en fait enrichi que par rapport au manteau supérieur actuel;
il est donc proche d’un manteau n’ayant jamais été modifié
(appauvri) par la fusion partielle responsable de la naissance
de la croûte continentalee (Primary Mantle issu de BABI).
Mais il porte aussi quelques caractères chimiques de certains
sédiments profonds qui permettent d’interpréter sa
composition comme le mélange d’un manteau déprimé avec
une once de sédiment recyclé dans ce manteau par la
subduction.
duction. Nous sommes là aux confins de la cuisine des
géochimistes. EM II représente quant-à
quant lui un manteau
lithosphérique (i.e. un manteau mécaniquement solidaire de
la croûte) très riche en éléments lithophiles (comme Rb),
résultant probablement d'imprégnations
d'imprég
par des liquides
magmatiques en route vers la surface.
L’étude récente du Manteau Lithosphérique SubContinental (SCLM en anglais) a montré qu’en tout point de
l’écorce continentale, son âge est corrélé à celui de la croûte
sus-jacente (e.g.). Cettee observation confirme que
l’extraction de la croûte, qui se fait à partir du manteau,
s’accompagne d’une accrétion du manteau sommital local.
Nous avons vu que cette extraction de magma du manteau
résulte de la fusion partielle de ce dernier, et qu’en fonction
fon
du taux de fusion, la minéralogie résiduelle du manteau
évolue :
1 - A des taux faibles, les phases calciques, alcalines et
Fig. 36: Evolution du rapport isotopique 87Sr / 86Sr ; a) dans la croûte
ûte continentale, b) dans le manteau
a)
b)
Le point de départ de la droite d'évolution de la valeur moyenne terrestre, BABI (Basaltic
Achondrite Best Initial) est la valeur initiale estimée de la Terre au temps T0 . La zone grisée balaye le champ possible de
l'évolution, de 87Sr / 86Sr mininum à maximum.
Attention aux changements d'échelle 87Sr / 86Sr.
- 95 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
alumineuses, le clinopyroxène et le grenat (ou le
spinelle, cf. tableau 1) sont encore présents
2 - A taux élevé, seules restent les phases les moins
fusibles, l’olivine et le orthopyroxène ; ces phases sont
des solutions solides de fer et de magnésium, olivine =
SiO4 (Fe-Mg)2 , Opx = Si2O6 (Fe-Mg)2 , qui comme
tous les silicates ferromagnésien admettent le
magnésium comme pôle de haute T° et le Fer comme
pôle de basse T°. La fusion croissante, à température
croissante de ces minéraux conduit donc à un solide
résiduel de plus en plus magnésien.
Au terme de la fusion partielle qui fabrique la croûte
sus-jacente, il reste donc un manteau appauvri en matériel
entrant dans le liquide.
Suzanne O’Reylly et al 2001 ont mis en évidence
que la nature du manteau lithosphérique varie
considérablement avec l’âge de l’écorce, et qu’une
distinction importante doit être faite entre lithosphère
ancienne (archéenne) et récente. Un saut dans la
composition chimique moyenne est bien marqué entre le
manteau subcontinental très magnésien des régions à croûte
archéenne, et celui des régions à croûte de la période
suivante (Protérozoïque), qui semble en effet beaucoup plus
calcique et alumineux (Fig. 37) ; ce contraste est peut-être
encore plus marqué pour les régions “jeunes”, d’âge
Phanérozoïque (les âges où la vie est abondante, <600 Ma.).
Les auteurs ont remarqué à travers l’étude des enclaves de
manteau remontées par les laves que les péridotites les plus
capables de donner des liquides magmatiques, dites
« fertiles » ; sont d’autant moins abondantes que l’âge de la
croûte terrestre qui supporte les volcans est ancien. Les
conduits volcaniques des volcans qui éjectent de telles
enclaves en faible proportion ramonent donc un manteau au
caractère appauvri (« depleted »), ce qui signifie qu’il a subi
une fusion partielle importante caractérisée par son déficit
en Na, Ca, Al par rapport à la lherzolite type, dite fertile.
Les harzburgites dans la figure 37 sont des roches très
24/10/13
« déplétées » selon cette terminologie. L’asthénosphère
commence lorsque la ductilité du manteau s’affirme, ce qui
correspond à la « molt péridotite » de la figure. Certaines
péridotites subcontinentales montrent en outre un
enrichissement anormal en alcalins et terres rares légères
(La..Sm), qui résulte de la percolation de magmas et/ou de
fluides venus du manteau asthénosphérique, en route vers la
surface. Ce processus d’échange avec la roche environnante,
qui tend à équilibrer chimiquement le liquide ou le fluide
avec le solide qu’il traverse, s’appelle métasomatisme. La
production de fluides ou de magmas dans l’asthénosphère
étant liée à la convection, il s’agit là d’un phénomène
pérenne qui a d’autant plus de chances d’avoir marqué la
lithosphère de son empreinte que celle-ci est ancienne. Sur
ce point, La figure 37 oppose clairement le manteau
subcontinental phanérozoïque aux manteaux lithosphériques
plus anciens.
Nous avions noté plus avant qu’aux temps archéens
le manteau supérieur fertile (Lherzolite composée d’olivine,
orthopyroxène clinopyroxène plus une phase alumineuse, cf.
§ C1 Minéralogie du manteau p 57-58) subissait une fusion
partielle beaucoup plus intense que celle qu’il subit de nos
jours en raison de la grande énergie thermique disponible, et
que ce taux élevé s’exprime dans un volcanisme
komatiitique (à la fois très chaud et magnésien) très différent
du volcanisme basaltique moderne. Pour produire les
basaltes modernes, les fractions fondues d’olivine et
d’orthopyroxène sont faibles par rapport à celles qui sont
engagées dans le processus de fusion partielle qui conduit
aux komatiites. Il en résulte donc un liquide
proportionnellement plus calcique, plus alcalin, plus siliceux
(voir les compositions des deux minéraux prépondérants qui
fondent en premier, le clinopyroxène et la phase alumineuse,
au § C1) et par soustraction moins magnésien. A l’opposé,
puisque le manteau qui a donné naissance au komatiites
fondait beaucoup, il conduisait vers un résidu solide très
appauvri (harzburgite et dunite). En outre le résidu solide
des komatiites présente un rapport Mg/Fe fort, car en
Fig.37 : Logs géochimiques vertical (en km) dans le manteau lithosphérique subcontinental,
datant de l’archéen (Sibérie et Canada), du protérozoïque et du phanérozoïque ;
On appelle lherzolite fertile des péridodites riches en Orthopyroxène et phase alumineuse (grenat), donc les moins réfractaires, par
conséquent capables de donner naissance à des liquides magmatiques par fusion partielle.
Le reliquat de cette fusion, dépourvu de phase alumineuse est appelé harzburgite, plus ou moins appauvrie en clino puis en
orthopyroxène, elle est appelée dunite lorsqu’elle n’est plus composée que d’Olivine.
Les fractions métasomatisées figurées en rouge représentent la fraction du manteau lithosphérique (rigide, tectoniquement associé
à la croûte continentale sus-jacente) qui a subi des modifications de composition par réaction avec les liquides magmatique issus
de la fusion partielle du manteau (y compris d’origine asthénosphérique venant du manteau sous-jacent.
- 96 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
équilibre avec le liquide à une température très élevée, qui
favorise le solide magnésien et le passage du fer dans le
liquide.
Un tel manteau lithosphérique possède donc un poids
volumique remarquablement faible par rapport au manteau
normal (plus riche en éléments lourds Fe et Ca), et il reste de
ce fait très solidement arrimé à la croûte sus-jacente, et
vieillit avec elle. Inversement, le manteau subcontinental des
24/10/13
régions les plus jeunes est rapidement plus dense que le
manteau asthénosphérique, et très facilement entraîné par le
manteau convectif, en particulier dans les régions de rift ; un
tel manteau « délaminé » rejoint alors le manteau convectif
et laisse place à du manteau plus jeune, peu déplété et peu
ou pas métasomatisé. On parle de délamination, à l’image
des composites vieillissants comme les plastiques des
coques de bateaux
Sites WEB consultés
http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/70/67/60/PDF/these2iso.pdf
http://www.tcd.ie/Geology/Courses/ewf/
http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/intro.pt/planete_terre.html
http://www.geo.uu.nl/~bijwaard/movie/movie.htm
http://www.seismo.unr.edu/
http://volcano.oregonstate.edu/
http://volcanoes.usgs.gov/images/CinderCone.htmlhttp://vulcan.wr.usgs.gov/Glossary/CinderCone/description_cinder_cone.html
http://volcanoes.usgs.gov/about/index.phphttp://skywalker.cochise.edu/wellerr/pglnx/chapter4ax.htm
http://www.seismo.berkeley.edu/seismo/Homepage.html
http://geollab.jmu.edu/fichter/Wilson/PTRC.html
http://www.ruf.rice.edu/~leeman/
http://www.newgeology.us/presentation41.html
http://vulcan.wr.usgs.gov/Volcanoes/MSH/NatMonument/framework.html
http://www.rncan.gc.ca/sciences-terre/energie-mineraux/geologie/geodynamique/8919
http://www.jayhanson.us/page192.htm
http://www.pgc.nrcan.gc.ca/geodyn/cascadia.htm
http://www.geo.lsa.umich.edu/~crlb/
http://www.ldeo.columbia.edu/margins/Home.html
http://greenwood.cr.usgs.gov/pub/open-file-reports/ofr-99-0132/
http://publish.uwo.ca/~wrchurch/
http://www.astrosurf.com/luxorion/sysol-soleil-magnetique2.htm
http://www.seismology.harvard.edu/research_japan.html
http://www.psrd.hawaii.edu/May03/SolarSystemTrigger.html
http://walrus.wr.usgs.gov/tsunami/cascadia.html
http://www.oca.eu/morby/
http://www.igppweb.ucsd.edu/~gabi/rem.dir/rem.home.html
http://pubs.usgs.gov/publications/text/dynamic.html
http://www-istp.gsfc.nasa.gov/earthmag/
http://www.seismo.unr.edu/
http://www.seismology.harvard.edu/research_sumatra2012.html
http://www.es.ucsc.edu/~glatz/geodynamo.html
http://people.ucalgary.ca/~ppwu/Research/SeisTomogSAW12D.html
http://www.crdp-montpellier.fr/ressources/rd/svt/..%5Csvt%5Cpfab%5Cpfab06%5Cpfab06.pdf
http://www.le.ac.uk/geology/art/gl209/lecture1-12.html
http://www.gemoc.mq.edu.au/Participants/AcademManag/SueOreilly.html
http://www.gps.caltech.edu/~gurnis/Movies/movies-more.html
http://igppweb.ucsd.edu/~gabi/3dmodels.html
http://baudolino.free.fr/Noyau/
http://seis.karlov.mff.cuni.cz/
http://faculty.weber.edu/bdattilo/parks/plume_cont.jpg
http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosgeol/01_decouvrir/02_subduction/04_subduction_plaques/01_terrain/03a.htm
http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/fliers/96mgg04.html
http://www.whoi.edu/oceanus/viewArticle.do?id=2400
http://earthsci.org/mineral/energy/geomin/geomin.htm
http://www.divediscover.whoi.edu/vents/
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/astro/astfus.html#c2
http://peterbird.name/publications/2003_PB2002/PB2002_wall_map.gif
http://www.astro-rennes.com/planetes/kuiper_oort.php
http://www.nature.com/news/1998/030505/full/news030505-5.html
http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/actu/d/astronomie-on-peut-etre-decouvert-micrometeorites-nuage-oort-45807/
http://www.newgeology.us/presentation41.html
http://www.aoc.nrao.edu/epo/powerpoint/astro.disk.talk.pdf = Accretion Disks around Stars and the Process of Planet Formation
http://www.soest.hawaii.edu/krubin/GG325/lect33.pdf = Planetary Accretion – the raw materials and the final compositions
http://www.astro.washington.edu/courses/astro321/Chambers_EPSL_04.pdf = Planetary accretion in the inner Solar System
UPL54066_10.Imaging a mantle plume beneath the French Massif Central.pdf
superwells article423.pdf = http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/98RG00255/abstract
http://ebookbrowse.com/phd-thesis-crida-pdf-d331963654 = Planetary migration in solar system formation
http://www.youscribe.com/catalogue/rapports-et-theses/savoirs/science-de-la-nature/vers-des-scenarios-predictifs-de-la-migration-planetaire-1688560 =
http://www.mantleplumes.org/WebDocuments/Clouard_epsl2008.pdf
http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/actu/d/astronomie-crateres-lunaires-asteroides-systeme-solaire-nouvelle-theorie-6372/
http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/actu/d/astronomie-asteroides-plus-vieux-systeme-solaire-detectes-15050/
http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/actu/d/astronomie-migrations-jupiter-expliqueraient-petite-taille-mars-30664/
http://www.gps.caltech.edu/~dla/ScoringHotspotsPDF.pdf = Scoring hotspots: The plume and plate paradigms
http://geology.about.com/od/platetectonics/a/nohotspots.htm
http://volcanum.geosciences.univ-rennes1.fr/IMG/pdf/gibert_PCGI_STU_cours6A.pdf = Le champ magnétique d'origine interne La dynamo terrestre et la
création du champ magnétique principal
http://woodrowshew.com/pepi05.pdf = Liquid sodium model of geophysical core convection
www.ago.ulg.ac.be/PeM/Docs/Systemes_planetaires.ppt = Systèmes planétaires. Systemes_planetaires.ppt
http://clement.baruteau.free.fr/these/PhD_CB.pdf Vers des scenarios predictifs de la migration planetaire
http://www2.cnrs.fr/journal/3066.htm = La genèse chaotique des continents
- 97 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Quelques idées fortes
24/10/13
Quelques idées fortes :
Noyau
Graine solide, reconnue seulement depuis 1936, axisymétrique :
orientation des cristaux de fer par convection axisymétrique ? ou par dépôt orienté par le champ magnétique du noyau ?
30 à 100 m3 de graine cristallisée/jour = chaleur latente qui permet la convection dans le noyau liquide.
Le noyau liquide sismiquement transparent pour les ondes S :
limite entre le noyau et le manteau : P= 130 G.P ; T°= 3800K ;
limite entre le noyau et la graine : P= 320 G.P ; T°= 5000K ;
Centre de la Terre : P= 400 Gpa ; T°= 6000K.
Noyau fonctionne comme une magnétohydrodynamique, Les inversions du champ terrestre :
La durée moyenne de stabilité entre 2 inversions est de l'ordre de quelques x100 000 ans, elle peut être beaucoup plus courte
elle peut être beaucoup plus longue, plusieurs x10 Ma ; avant la limite Permien-Trias et avant la limite Crétacé-Tertiaire.
la couche D"
Produit de l'interaction chimique entre le fer liquide du noyau et le manteau silicaté.
Solide mais à vitesse lente, à forte densité, et elle donne des rais sismiques spécifiques qui émergent dans la zone d'ombre ;
Topographie tourmentée : épaisseur très variable, de quelques x10 km à 200-300 km.
Couche limite entre la convection mantellique et la convection du noyau,
Zones épaisses =accumulateur de chaleur à la base du manteau ;
Déclanche des panaches mantelliques si longue accumulation = volcanisme de point chaud
trapps de Sibérie, à la fin du Permien, trapps du Deccan en Indes, à la limite Crétacé-Tertiaire
Manteau inférieur
Composition chimique proche de celle des chondrites = indifférencié, et minéralogie très compacte.
Pas de fractionnement important car ne donne que les basaltes des points chauds.
échanges intermittents avec le manteau supérieur :
Subduction d’une plaque dans le manteau inférieur vers la couche D" ;
Traversée de la discontinuité 670 Km par des panaches chauds en route vers la surface
Manteau supérieur
Compostion chimique et minéralogie et de péridote = fortement différencié :
Péridotites à plagioclase
dans les 30 premiers Km;
Péridotites à spinelle
entre 30 et 60 Km;
Péridotites à grenat
au-delà de 60 Km.
Autres phases minérales plus compactes en profondeur
Fractionnement important :
Tous les volcanismes autres que les points chauds ; T
toute l’extraction de la croûte continentale (SiAl)
Domaine de convection ordinaire des plaques lithosphériques = volcanisme de 3 types
Décompression adiabatique peu profonde (<80-100 km), fusion partielle « à sec, HT° » dans les rides océaniques (ou rifts)
Décompression adiabatique profonde(>80-100 km), fusion partielle HT° « à sec, HT° » dans les points chauds
Fusion partielle « hydratée, BT° » à profondeur croissante dans les zones de subduction
Croûte
Croûte océanique :
Fusion dans les rides océaniques, transport et hydratation du plancher océanique, disparition dans les fosses ;
Durée de vie maximum d’un fond océanique = 200 Ma (mémoire courte)
Croûte continentale :
Fusion dans les zones de subduction, matériaux légers et hydratés peu recyclables ;
Durée de vie très variable : jusqu’à 4 Ga (cratons)
Mémoire effaçable par érosion ou par métamorphisme (ceinture orogénique de collision ou de marge continentale active)
Histoire de la Terre
L’Adéen, une naissance tourmentée datée de 4.55 Ga.
Planètes formées en moins de 10 Ma ? ou quelques x10 Ma ?
Le couple Terre-Lune fabriqué par capture violente d’un météore déjà différencié de la taille de Mars ?
Archéen, (3.5 Ga. A 1.7 Ga. ) une convection mantellique rapide et un géotherme élevé
l’extraction très active par fusion partielle et flottation = embryons de croûte continentale
Le début des temps modernes vers 2 Ga
Fonctionnement de la tectonique des plaques prend un rythme comparable à celui que nous observons
- 98 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
CHAPITRE 5
L’enveloppe gazeuse de la Terre
Le couple atmosphère - hydrosphère
Lire MC - Atm generalites - Hamelin.htm. Nous
tenterons ici une description
sommaire de la sphère des
vapeurs, condensées ou non,
le couple hydrosphère-atmosphère. Cependant, avant de
décrire l’atmosphère de notre planète et d’envisager son
histoire, nous devons nous interroger sur les conditions
mêmes de l'existence d'une atmosphère sur les planètes
telluriques:
l’altitude, et notre atmosphère n’a donc pas de limite. Sa
masse se répartit comme suit :
Josephine Wall « Sadness of Gaïa »
http://www.josephinewall.co.uk/
1 - la première condition est bien évidemment qu’elle fut
créée un jour, soit lors de l'effondrement de la
nébuleuse solaire, soit par dégazage des enveloppes
rocheuses, soit encore par bombardement cométaire;
2 - la seconde condition est que la planète concernée ait eu
une pesanteur (et donc une masse) suffisante pour
retenir une atmosphère.
A ces 2 conditions essentielles de l’existence d’une
atmosphère viennent s’ajouter d’autres considérations,
relatives à l’état de l’atmosphère, P, T° en particulier. Parmi
les principaux paramètres qui régissent l’état d’une
atmosphère, citons:
1 - la distance au soleil;
2 - l’extraction continue de volatils par le biais d’une
tectonique encore active susceptible de limiter ou
d’annuler les pertes vers le cosmos;
3 - la vitesse de rotation de la planète (ou de son
atmosphère en cas de super-rotation comme pour
Vénus 60x plus rapide que la planète elle-même) qui
limite les écarts de température jour - nuit;
4 - l’orientation de l’axe de rotation sur le plan de
l’écliptique (susceptible de variations importantes) qui
peut engendrer une durée du jour égale à la durée de la
révolution...
A - Composition de L’atmosphère Terrestre
actuelle
La connaissance du champ de pression de
l’atmosphère terrestre est récente. Après le décès de Galilée,
en reprenant ses expériences non achevées sur des colonnes
d’eau, E. Torricelli mit en évidence en 1644 que le poids de
l’air maintient à niveau le mercure d’une colonne. B. Pascal
en déduisit que la pression de l’air devait décroître avec
l’altitude, ce qu’il fit mesurer en 1648 entre ClermontFerrand et le sommet du Puy de Dôme.
50% contenus dans les 5.5
premiers Km;
75%
« «
les
10
90%
« «
les
16
99%
« «
les
31
« «
« «
« «
;
;
.
A 200 Km de la surface terrestre, la pression n’est
plus que de 10-7mbar, et l’on peut considérer que vers 500
à 1000 Km, la densité de l’atmosphère est suffisamment
faible pour que des molécules gazeuses puissent partir
vers le cosmos sans qu’un choc avec d’autres molécules
les renvoient vers l’atmosphère. On entre là dans
l’exosphère, domaine où la physique des gaz ne
s'applique plus, et où chaque molécule se comporte
comme une particule balistique.
L’air est un mélange de gaz. Cette intuition de
Descartes fut rapidement confirmée. Auparavant, l’air
était considéré comme une substance homogène, ce qui
rendait complexe l’explication de la pluie, souvent
considérée par les anciens comme un des états possibles
de l’air.
Le tableau 1 montre que les constituants gazeux
essentiels de l’atmosphère sèche, exprimés en volume,
sont le dioxyde d’azote (78%) et le dioxygène (21%).
L’argon (0.9%) et le dioxyde de carbone (0.035%),
pourtant 3° et 4° constituants respectivement, sont déjà
très minoritaires.
Par comparaison avec la composition de
l’atmosphère des autres planètes telluriques (cf. planche
hors texte, planétologie comparée en fin d’introduction),
celle de notre hôte apparaît à la fois ordinaire par la nature
des constituants (N2, O2, Ar, CO2), et singulière par les
teneurs de ces constituants. Ces similitudes et ces
différences reflètent l’évolution particulière de notre globe
(cf. § Histoire de l’atmosphère terrestre). La comparaison
avec l'atmosphère des géantes gazeuses montre des
différences encore plus radicales. Celles-ci apparaissent
en effet beaucoup plus proche de la composition de Soleil,
et donc de la nébuleuse initiale.
La composition de l'air terrestre (sec) est
suffisamment constante (malgré les variations de teneur
en CO2 en particulier) pour que l’on puisse lui attribuer
une masse molaire internationalement reconnue (M =
Partant du champ de pression on estime la masse de
l’atmosphère (à l’équilibre hydrostatique) à 5.13 1018 kg, ce
qui est de l’ordre de 1.10-6 de la masse Terrestre.
Si la masse volumique de l'air était constante, et si sa
répartition autour du globe était homogène, alors
l’atmosphère serait une enveloppe épaisse de 8Km environ.
Mais en fait, la masse volumique de l’air varie avec
- 99 -
Tableau 1, composition de l’atmosphère terrestre
Gaz
% volumiques
N2
78.09
azote
O2
20.95
oxygène
Ar
0.93
Argon
0.038
Dioxyde de carbone CO2
Ne
1.8 10-3
néon
He
5.2 10-4
Helium
Kr
1.0 10-4
Krypton
H2
5.0 10-5
Hydrogène
Xe
8.0 10-6
Xénon
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
28.966). La présence de produits instables (ozone au-delà
au
de
25 Km par exemple, ou produits azotés, NO, NO2, NO3)
n’engendre pas non plus de modifications significatives de la
masse molaire de l’air.
Toutefois, on considère que la production de
l’oxygène atomique par photodissociation pourrait provoquer
un changement de composition significatif au-delà
au
de 80 à
100 Km. L’absence de brassage vers les très hautes altitudes,
renforcerait ce changement de composition en provoquant
une stratification de la composition, les gaz les plus légers
tendant à s'élever au-dessus
dessus des plus lourds.
La vapeur d’eau est présente
ésente en quantité très
variable dans l’atmosphère terrestre, si bien que la valeur de
sa concentration moyenne, 5400 ppm volume n’a pas grande
signification. La fourchette de teneur s’étend dans les basses
couches de l’atmosphère entre 0.1% environ dans les régions
continentales et 5% environ dans les régions océaniques
intertropicales.
On évalue à 2.5Cm seulement la hauteur d’eau
(condensée) contenue dans l’atmosphère, ce qui revient à
dire que l’essentiel de l’eau non géosphérique (i.e. contenue
dans less minéraux) est stocké dans les océans. Le réservoir
atmosphérique peut apparaître insignifiant. Pourtant il n’en
est rien, car le temps de résidence de l’eau dans le réservoir
atmosphérique est extrêmement court (quelques heures à
quelques mois) par rapport
rt à son temps de résidence dans le
réservoir océanique (102 à 104 ans), ou a fortiori
géosphérique, et les flux entre le réservoir atmosphérique
(continental + océanique) et l‘hydrosphère sont au contraire
considérables. La figure 1 présente des estimations
estimatio
des
réservoirs d’eau dans le cycle de l’eau selon M.T. Chahine.
On notera que l'atmosphère assure un transfert d'eau vers le
continent de 36.1015kg/an, qui est compensé par le débit des
fleuves vers l'océan. L’imprécision sur les composants de ce
cycle est certes importante, mais cette estimation des ordres
de grandeur des réservoirs et des flux permet de confirmer
les estimations précédentes des temps de résidence de l'eau
très différents dans les divers réservoirs, de l'ordre de
quelques jours dans l'atmosphère
tmosphère (11/434; 4.5/71); de 1000 à
10000 ans dans l'océan (1400000/398); et 500 ans environ
dans le réservoir continental (59000/107).
La figure 1 résume les ordres de grandeur des
volumes des réservoirs d’eau, y compris géosphériques
(croûte et manteau)
eau) et les temps de résidence moyens dans
les réservoirs superficiels. L’eau océanique représente
l’essentiel de la masse de l’eau sur Terre avec 1.39 × 1021 kg,
soit 0,023 % de la masse totale de la Terre. La Terre est la
seule planète de notre système où
o l’eau est présente sous
les 3 états, solide, liquide et gaz.
gaz Le rôle solvant de l’eau
(non solide), vis à vis du CO2 par exemple, les grandes
vitesses de diffusion en milieu non solide, et la protection
efficace qu’elle procure (à l’état liquide en particulier)
parti
vis
à vis des UV entre autres, font de l’eau atmosphérique et
hydrosphérique un des paramètres essentiels de
l’apparition de la vie sur la Terre, mais aussi de sa
pérennité
L’air contient de nombreux aérosols et grains
solides provenant de la surface
surfa terrestre, tels que des
poussières arrachées ou cendres volcaniques injectées
dans la haute atmosphère, ou des cristaux de sel(s). Les
rôles essentiels de cette fraction solide sont d’une part
d’introduire des variations dans les conditions
d’ensoleillement,
ment, et d’autre part (et surtout) d’aider à la
condensation et/ou à la congélation de la vapeur d’eau.
B - Structure thermique et chimique verticale
de l'atmosphère
Lire MC - Atm - Bilan radiatif - Autixier.htm et MC - Atm Structure thermique - Autixier & Puyau.htm ; Q - Atm - que devient le
rayonnement reçu par le Terre - Autixier.htm ; Q - la chaleur sur Terre
et comment elle se propage - Aurélien Badji.htm Les pionniers de la
recherche dans le domaine atmosphérique, à l’articulation
du XIX° et du XX° siècle furent tout d’abord les
aérostiers, dont certains,
ns, victimes de leur curiosité,
décédèrent en raison du froid et de la raréfaction de l’air
au-delà
delà de 7500m. L’histoire retient aussi L. Teisserenc
de Bort et les “ emmêlés ” de ses cerfs-volants
cerfs
avec
l’administration du télégraphe, et G. Hermite, qui mit au
point les premiers ballons sondes. Avec eux, l’ère de la
mesure des paramètres atmosphériques devenait
journalière.
La courbe de la température en fonction de
l’altitude (Fig. 2) permet de distinguer :
1 - La troposphère
2 - La Stratosphère
Fig. 2, Structure verticale de l’atmosphère terrestre
Fig. 1, estimation des réservoirs et des flux dans le cycle de
l’eau de la surface terrestre selon M. T. Chahine
Marine atmosphere
11.0
Rain
398
A d v e c ti o n
36
Ocean
Mixed layer 50 000
Thermocline 460 000
Abyssal
890 000
1 400 000
Terrestrial atmosphere
4.5
Evaporation
&
Transpiration
71
Evaporation
434
R iv e r s
36
land
Ice & Snow
Surface water
Underground w
Biota
24/10/13
Rain
107
43 400
360
15 300
2
59 000
Reservoirs in 10 15 kg ; Fluxes in 10 15 kg yr-1
- 100 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig. 3a : Spectre solaire comparé à l’émission d’un corps noir à 5770K (en jaune), T° de la chromosphère
Fig. 3b : Spectre du corps noir à 256K, T° d’émission de la Terre
a)
b)
Le spectre réel (courbe noire) montre des creux profonds,
Les longueurs d’onde du visible sont hors du champ
Liés aux absorptions élémentaires de son atmosphère.
d’émission de la Terre qui, à 256°K n’émet que des IR
Lire MC - Atm - Rayonnement solaire - Bantegnie.htm
Lire MC - Atm - Emission - Autixier.htm
dans la gamme 3 à 20 µm ▼
A 5770°K, Il émet principalement dans le visible
0.4 à 0.7 µm et l’IR▼
3 - La mésosphère
4 - La thermosphère
1 - La Troposphère
a - Troposphère et phénomènes climatiques
Son épaisseur varie de 8 Km au pôle en hiver (air
froid et dense) à 16 km à l’équateur (air chaud et léger); elle
contient 75% de la masse de l’atmosphère et quasi 100%
de la vapeur d’eau. Tropos veut dire changement; la
troposphère est le siège des phénomènes météorologiques.
Elle constitue la zone convective de l'atmosphère.
La température au sol est en moyenne de +13°C.
En un point donné, elle est liée à l’ensoleillement et à la
quantité d'IR réémis par la Terre.
Anaxagore, au ~V° siècle, reprenant les écrits de
Thalès de Milet (~VII°), remarquait déjà que l’air chaud
s’élève, que les nuages se forment lorsque l’air refroidit. Il
admettait ainsi que la température s’abaisse avec l’altitude.
On sait que l’air chaud s’élève en premier lieu par
décompression adiabatique. La convection continue aussi
longtemps que les particules montantes sont plus chaudes
que l’air environnant. Puis, lorsque la température a
suffisamment baissé, la condensation de la vapeur d’eau
commence, et la chaleur latente libérée relance la machine,
accélérant ainsi de nouveau l’ascension de l’air.
Au sommet de la stratosphère la température cesse
de décroître (tropopause) et se stabilise autour de -50 à 80°C. Le gradient moyen de température est de l’ordre de 6°.Km-1. La tropopause peut être mise en évidence lors du
développement de très gros nuages d’orages dont l’ascension
vient “ buter ” sur cette couche limite; ces nuages constituent
alors une magnifique enclume qui vient s’étaler sous la
tropopause.
b - Troposphère, siège de l’effet de
serre
Lire MC - Atm - Effet de serre - Alvares Leite &
Le terme “ serre ” n’a pas été judicieusement
choisi, car dans une serre, la paroi de verre joue un rôle
primordial en interdisant le transfert de chaleur vers
l’extérieur (les IR), mais pas le passage des longueurs
d’ondes visibles (Lire MC - Atm - Longueur d'onde - Alvares Leite
& Autixier.htm). La chaleur accumulée dans la serre résulte
donc essentiellement du fait que les IR émis par le sol ou
les plantes sont réfléchis par le verre, alors que
l’insolation directe traverse normalement les parois de la
serre. L’atmosphère terrestre, elle, n’a pas de couvercle, et
le mécanisme de l’effet de serre est un peu différent.
Autixier.htm.
Le bilan énergétique de l’atmosphère repose
sur deux paramètres fondamentaux, sa composition (nous
y reviendrons) et la distance du soleil.
En effet, les planètes du système solaire étant en
équilibre thermodynamique (leur température moyenne
annuelle est “ constante ”), les lois du rayonnement du
corps noir, établies à la fin du XIX°, leur sont applicables
(lire MC - Planeto - corps noir - Autixier.htm), comme elles le
sont au soleil :
1 - la loi de Planck : elle exprime le fait que l’intensité
du rayonnement émis par le corps en équilibre en
fonction de sa longueur d’onde passe par un
maximum (fig. 3a cas du Soleil, 3b cas de la Terre);
2 - la loi de Wien : elle exprime le fait que la longueur
d’onde maximale émise par le corps noir est
inversement proportionnelle à sa température
- 101 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig 4a : Relation couleur-température du corps noir, d’après
J.Y. Daniel 1991;
Rayonnement à 2K, fossile du Big Bang. Etoiles : Betelgeuse,
rouge ; Soleil, Jaune. Cyg X1 Rayonnement
X de la
constellation du Cygne, trou noir potentiel.
24/10/13
Fig. 4b : Albedo annuel moyen versus latitude,
de l’Antarctique (à gauche) à l’Arctique (à droite)
http://www.climatedata.info/Forcing/Forcing/albedo.html
d’émission;
λmoy = 2900/T,
λ exprimé en microns et T exprimé en K. Autrement
dit, plus un corps est chaud plus la fréquence de sa couleur
démission est élevée (Fig. 3a-b, Soleil et Terre ; Fig. 4a,
principaux objets cosmiques). En effet, plus la fréquence
d’une radiation est élevée, plus son énergie est importante.
3 - La loi de Stephan-Boltzman nous dit que pour un corps
noir de rayon R, la luminosité L (voir définition
Chp. 1A), à la température T est égale à
L = 4π
πR2 . σ T4
avec
la cte de Stephan σ = 5.67 10 SI (erg.s-1.cm-2/K-4).
-8
Pour le Soleil, R = 700 000 Km, T°surface= 5770K,
la luminosité Ls = 3.8 1026 w m-2.
On appelle “ Constante solaire ” le flux solaire Cs
reçu par une surface plane située à la distance d du Soleil,
Cs = Ls/(4π
πd2).
Cette constante solaire n’est d'ailleurs pas strictement
constante. Les mesures montrent des variations de l’ordre de
0.1% en relation avec la surface cumulée des taches solaires.
Pour la Terre, située 150 106 Km, Le flux solaire
calculé est de 1360 w m-2. Puisque l’on considère les
planètes comme des corps noirs sphériques à l’équilibre,
l’énergie qu’elles émettent est égale à celle qu’elles
reçoivent : pour une planète de rayon Rp, située à la distance
d du soleil, la température d’équilibre sera Tp et le bilan
s’écrit :
Cs* πR
πRp2 σ Tp4
π p2 = 4π
(NB. Surface réceptrice = jour = πRp2 ; surface rayonnante =
4πRp2). Le flux solaire reçu par la Terre (par unité de
surface) est donc égal à Cs/4 — soit 340 w m-2 en moyenne Cela
représente environ 10 000 fois la chaleur dissipée par les
enveloppes rocheuses par unité de surface! — et le flux rayonné
par la Terre à la température TT , appelé émittance (voir
définition Chp. 1A), est de la forme
σ TT4
L’atmosphère et la surface terrestre réfléchissent
vers l’espace respectivement 87 W.m-2 et 21 W.m-2 =108
W.m-2 soit 31% de l’énergie reçue. Cette fraction de
l’énergie renvoyée vers l’extérieur définit l’albédo α de la
planète (=0.3) 36, lire MC - Planeto - Albedo - Autixier &
Rondeau.htm. Les meilleurs réflecteurs sont les corps blancs
ou clairs, les nuages, la neige et la plupart des sols
dépourvus de végétation. L’albedo varie donc avec la
latitude (Fig. 4b) et la saison, en particulier en raison de la
variation de la surface de la banquise, qui diminue
significativement l’albedo moyen du pôle nord par rapport
à celui de l’Antarctique (Fig. 4b). En raison de la
dissymétrie de la planète L’albédo de la Terre est
maximum durant l’hiver de l’hémisphère Nord et
minimum durant l’été, il varie entre 0.2 et 0.3. On perçoit
ici l’effet rétroactif d’un changement climatique éventuel
(variation de la surface réfléchissante des calottes
glaciaires) ou de la déforestation.
Connaissant l’albédo de la Terre (α
α), on peut en
déduire que la valeur du flux qu’elle reçoit réellement
vaut
Cs/4 (1 – α) = 340 *0.7 = 238 w m-2
et le bilan radiatif de la Terre s’écrit schématiquement :
Flux reçu = Flux émis
Cs/4 (1 – α) = σ.T4
D’où TT= [(238/ σ]-4= [(238/ 5.67 ]-4 102 =254.7K
soit -18.3°C.
A cette T° d’équilibre, la Terre émet essentiellement dans
le domaine des IR, en 5 et 50 µm (Fig. 3b)
La différence entre sa température d’équilibre
théorique (-18°c) et sa température moyenne (+13°c)
impose que la Terre tire de l'énergie d’une autre source.
L’énergie interne dissipée par la Terre (Chp. 1) est très
insuffisante pour justifier une telle différence, la source
d’énergie réside donc nécessairement dans son
36
Dans le détail, le problème est plus complexe car
l’albédo de l’atmosphère αa et celui de la géosphère αg
sont différents : l’atmosphère laisse passer le visible ou le
réfléchit vers le cosmos, et absorbe la moitié des infra
rouges (IR) qu’elle renvoie ensuite vers le cosmos ; le sol
réfléchit ou absorbe le visible, et il absorbe tous les IR qui
lui sont transmis par l’atmosphère. Si on appelle Irabs le
coefficient d’absorption des IR par l’atmosphère, la
fraction de flux IR absorbée par la Terre (qui participe au
flux émis par la Terre) est de la forme Irabs/2 α Tt4.
L’énergie totale réellement reçue par la Terre serait donc
de la forme C* πRp2 (1 – αa) (1 – αg) + Irabs/2 α Tt4.
- 102 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
atmosphère. Il convient toutefois de rester prudent, pour
plusieurs raisons :
Fig. 5b : Down-welling Surface Short-wave Radiation Flux
Le calcul de la température d’équilibre présenté ici est
un modèle largement utilisé, quoique très simplifié. Nous
avons raisonné à partir d’un flux que recevrait un disque
perpendiculaire au flux, et non une demi-sphère exposée au
flux. La quantité totale reçue calculée est donc bien
satisfaisante, mais ensuite nous calculons une température
moyenne comme la racine (quatrième !) de ce flux moyen,
alors qu’il serait plus rigoureux de sommer les températures
calculées en chaque point de la demi-sphère exposée, en
fonction du flux réel reçu par chaque surface unitaire non
perpendiculaire au flux sauf sur le plan de l’écliptique. Par
ailleurs, il n’est pas tenu compte de la rotation terrestre, ni de
l’inclinaison de son axe et de l’excentricité de la révolution
terrestre. En résumé, notons que cette valeur de -18°C n’est
Fig. 5a: Spectre des raies d'absorption des gaz atmosphériques
En rouge : le domaine des λ courtes reçues du Soleil
En bleu : le domaine des λ longues émises par la terre
bleu pâle, les domaines d’absorption totale pour H2O
mauve, les domaines d’absorption totale pour CO2
vert, les domaines d’absorption pour CH4
brun, les domaines d’absorption pour O2 et O3
24/10/13
http://landsaf.meteo.pt/algorithms.jsp?seltab=1
pas exacte mais qu’elle suffit à notre propos.
Nous avons vu qu’une partie du rayonnement est
directement réfléchie par le globe terrestre (albédo) et que
ce phénomène est compliqué par des absorptions dans
l’atmosphère (note infrapaginale page précédente et MC Atm - Absorption - Autixier & Coup.htm) et par la diffusion des
photons par les poussières et les gouttelettes de vapeur
d’eau (lire MC - Atm - Diffusion - Autixier & Coup.htm). Les
absorptions de rayonnement sont principalement le fait
des molécules qui constituent l’atmosphère. L'absorption
du rayonnement provoque la transition d'un atome ou
d'une molécule d'un état d'énergie stable vers un état
d'énergie plus élevé (excité) sous l'action d'un photon
incident d'énergie hν. Pour que l'absorption ait lieu il faut
donc que le quantum d'énergie hν corresponde à la
différence entre deux niveaux permis par les règles de la
mécanique quantique: c'est ce que l'on appelle une raie
d'absorption (Fig. 5a). En revenant à son niveau d'énergie
initial, soit directement, soit par étapes, la matière émettra
à son tour un rayonnement de même énergie. Les
principaux absorbants qui jouent un rôle dans
l'énergétique de l'atmosphère sont des molécules gazeuses
triatomiques: vapeur d'eau (H2O), dioxyde de carbone
(CO2), ozone (O3).Ces molécules ont un spectre
énergétique beaucoup plus riche que celui des molécules
diatomiques (O2, N2, H2) qui absorbent peu le
rayonnement solaire ou terrestre. En outre, les molécules
poly atomiques (CH4, CFC) ont un pouvoir absorbant très
élevé : on appelle « gaz à effet de serre » (GES) les gaz
fortement absorbants.
Le spectre du rayonnement solaire est caractérisé
par des longueurs d’ondes courtes, dans la gamme 0.1 à 5
µm couvrant le domaine des UV, du visible et un peu les
IR ; l’essentiel du rayonnement est compris en 0.3 et
1.5µm (Fig. 3a, et 5a). On nomme souvent ce
rayonnement provenant du Soleil « Downwelling
Shortwave Radiation (DSR) Flux ». La figure 5b illustre
la répartition de l’énergie reçue sur Terre un jour
d’équinoxe à 12h GMT. Dans ce domaine de longueurs
d’onde, il n’y a pas d’autres raies d’absorption de gaz
atmosphériques autres que celles de l’eau, tant dans la
basse atmosphère (troposphère) qu’en altitude (fig. 5a). Il
s’ensuit donc une absorption minimale du flux solaire, et
ces absorptions ne sont pas totales. Dans le domaine 1.55µm, le CO2et le méthane sont présents, mais dans un
domaine de très faible intensité du flux solaire. Par contre,
- 103 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
dans la bande spectrale de l’émission du corps noir terrestre,
5-50µm, le nombre des raies des gaz atmosphériques est
beaucoup plus important, et leur capacité d’absorption
devient très importante, en particulier dans les couches
basses et denses de l’atmosphère (Fig. 5aa) où seules trois
bandes d’énergies ne sont pas totalement absorbées,
absorbées ouvrant
autant de fenêtres ouvertes vers le cosmos :
1 - 8-9 µm;
2 - 10-14 µm;
3 - 18-30 µm.
Plusieurs faits importants sont à noter:
noter
1 - L’absorption d’une longueur d’onde λ donnée par un
GES donné est fonction de la concentration en ce GES
dans l’atmosphère, jusqu’à une concentration limite
correspondant à l’absorption totale de cette λ ; au-delà,
la largeur de la bande d’absorption s’élargit légèrement
mais une augmentation de la concentration n’aura
qu’un effet mineur, l’ensemble des photons de cette λ
étant déjà absorbés par l’atmosphère.
2 - Dans le domaine de l'émission terrestre
terr
(5-50 µm;
Fig. 3b et 5a),
), les fréquences absorbées par H2O (en
bleu pâle) le sont à 100%; une augmentation de la
teneur en eau de l'atmosphère serait donc sans
répercutions sur l'effet de serre pour ces λ. En outre
l'atmosphère terrestre est globalement
ent proche de la
saturation en H2O. Il n’y a pas grand-chose
grand
à redouter
d’une augmentation de la teneur en eau.
3 - Le CO2 (en violet) peut par contre absorber encore une
part importante du rayonnement IR dans la fenêtre 1212
16 µm,
m, dans la troposphère en particulier.
pa
Une
augmentation de saa teneur dans l'atmosphère se traduit
donc automatiquement par un accroissement de l'effet
de serre. La concentration en CO2 étant naturellement
très basse, l’activité humaine (CO2 d’origine
industrielle,
trielle, de chauffage, transport)
transpor
modifie
significativement sa teneur et provoque nécessairement
un accroissement de l’effet de serre. Pour l’essentiel de
la communauté scientifique, les effets du CO2
anthropique sont maintenant considérés comme
indiscutables, même s’il existe encore ici
ic ou là
quelques chercheurs arcboutés sur leurs observations,
rebelles face à ce consensus, nous y reviendrons.
4 - Le CH4 (en vert) peut lui aussi absorber une part
importante du rayonnement IR dans la fenêtre 8-10
8
µm.
Le méthane est un produit qui provient
provien naturellement
de la décomposition de matières organiques dans des
conditions réductrices (c'est le gaz des marais et des
Fig. 6a: L’effet de serre d’après Ramanathan et al
24/10/13
terrains humides 1.5 à 3 G.Tonnes/an).
G.Tonnes/an Il voit sa
concentration
augmenter
fortement
avec
l'accroissement des surfaces consacrées à la
riziculture (actuellement 2 à 3.5 G.T/an), et aussi
(même si ceci peut apparaître plus anecdotique) avec
l'augmentation du cheptel ruminant, dont la
fermentation entérique est un producteur important
de CH4 (1G.T/an!).
!). Son effet ne peut donc que se
surajouter
uter à celui du CO2, nous aurons donc à y
revenir.
en jaune brun dans la figure
5 - L’O3 troposphérique (en
5a,, le pic à basse altitude est légèrement décalé vers
la droite et n’est pas superposé au tireté brun,
…imprécision de la figure origine)
origine pose un
problème comparable à celui de l’eau, la bande 1010
12µm étant d’ores et déjà presque totalement
absorbée. D'origine anthropique elle aussi, l’ozone
troposphérique reste limitée aux bassins industriels
et aux mégalopoles. Il en résulte une augmentation
locale de la température, mais qui restera faible. Son
inconvénient
convénient majeur n’est donc pas un
accroissement important de l’effet de serre il mais
réside dans son impact sur la santé humaine, en
raison de l’irritation des voies respiratoires qu’elle
provoque.
En conclusion, c’est
’est donc une fraction importante
de l’énergie émise par le corps noir terrestre qui est ainsi
absorbée par l’atmosphère.. Cette énergie ne peut être
rétrocédée qu’avec
avec retard au cosmos. Il
I s’ensuit
l’instauration d’un équilibre dynamique conduisant à une
élévation de la température de –18°C
–
à +13°C : c'est cela
que l'on nomme «effet de serre».
serre
Reprenons en détail le schéma de bilan énergétique
terrestre de Ramanathan et al. (Fig. 6a).
Sur les 345 W.m-2 reçus par la Terre dans les
UV, le visible et le proche IR,
IR ce sont finalement 169
W.m-2 seulement
ement qui sont absorbés par la surface du sol :
1 - Une partie de l’irradiation directe, 68 W.m-2, est
absorbée par l’atmosphère dans les nuages et lors
de la photodissociation de l’oxygène dans le
processus de fabrication de l’ozone ; cette chaleur
est restituée
tuée à terme par l’atmosphère, dans toutes
les directions.. De la sorte, on peut admettre
qu’une
une ½ est renvoyée vers le cosmos et l’autre
½ est transmise à la surface du globe (Fig. 6b) ;
2 - Une partie est réfléchie,, 108 W.m-2 (albédo #30%),
par l’atmosphère ouu par la surface du globe, sans
absorption par l’atmosphère transparent pour ces
longueurs d’ondes, comme suit:
a) 87 W.m-2 sont renvoyés par l’atmosphère et les
nuages ;
Fig. 6b: L’effet de serre, représentation simplifiée
- 104 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 6c: Downwelling Longwave Radiation (DLR) Flux
24/10/13
le système Terre + atmosphère (= 345 -108 = 237 W.m-2)
et la chaleur émise vers le cosmos par le même système (
= 149 +68 +20 = 237 nous montre que ce schéma de
fonctionnement très approximatif est néanmoins suffisant.
L’excédent permanent de 187 W m-2 à l’équilibre
que nous explicitons ainsi ne correspond qu’à la fraction
rayonnement intervenant dans le bilan terrestre. Selon
Ramanathan et al., il faut ajouter à cette fraction les
contributions liées aux transferts de chaleur latente et de
chaleur sensible traversant l’interface entre le globe
(continents-océans) et l’atmosphère :
http://toyo.mediasfrance.org/?GEOLAND-Project,100
b) 21 W.m-2 sont renvoyés par le sol terrestre.
La valeur mesurée du rayonnement émis par la
surface terrestre est de 390 W.m-2 (en rouge dans la figure
6a) ; à la température de -18°C ce rayonnement se situe
exclusivement dans les IR. D’après ces valeurs tirées de
Ramanathan et al., la surface du globe dégage donc un
excédent de chaleur par rapport à ce qu’elle reçoit
directement du Soleil et indirectement de l’atmosphère, excès
que l’on peut estimer à 390 -169 -(68/2) = 187 W.m-2. D’où
provient-il ?
Considérons que les 169 W.m-2 transmis par le Soleil
à la surface du globe y sont totalement convertis en ondes
longues, infrarouges réémis vers notre atmosphère. Selon
Ramanathan et al., 20 W.m-2 sont perdus directement dans
le cosmos et le reste, 149 W.m-2, est absorbé par
l’atmosphère. En effet, si celui-ci est largement transparent
aux UV et au visible incidents, il ne l’est que faiblement aux
IR37.
Comme dans le cas des 68 W.m-2 cédés par le
rayonnement Solaire incident, cet excédent de 149 W m-2
rétrocédé à l’atmosphère sera perdu à terme par celle-ci, pour
½ vers le cosmos, et pour ½ renvoyé vers la surface ; cette
dernière fraction sera à son tour réinjectée vers l’atmosphère
— fraction qui ne peut être mesurée directement mais que l’on peut
calculer et que l’on nomme Downwelling Longwave Radiation
(DLR38, Fig. 6c) Flux — où elle subira le même sort, rendant ¼
au cosmos et ¼ au globe, puis ⅛, etc. (voir représentation
simplifiée Fig. 6b) ; l’ensemble tend vers un excédent total à
l’équilibre de 149 W.m-2 venant de la surface terrestre, plus
34 W.m-2 issus de la fraction incidente cédée à l’atmosphère,
soit 183 W.m-2 , un total voisin de l’excès de 187 W.m-2 que
nous avons estimé à partir de Ramanathan et al. Le flux
thermique d’ondes longues (DLR) provient essentiellement
de la couche riche en vapeur d’eau, donc proche de la
surface, avec environ un tiers émis par la tranche des 10
premiers mètres et de 80% par la tranche 0- 500 mètres.
Un simple bilan entre la chaleur incidente entrant dans
37
Sur le total de 390 W m-2 émis par la surface du globe
(dans les IR) 20 sont transmis au cosmos ; l’opacité de
l’atmosphère aux IR est donc de 370/390*100 = 95%.
38
DLR est calculé à partir de plusieurs capteurs de satellites
(METEOSAT, MSG) et en utilisant différentes approches
dans différents programmes: GEOLAND ; AMMA. Cette
approche fut essentielle dans la détermination du transfert de
chaleur entre océan et atmosphère en Arctique, Surface Heat
Budget of the Arctic Ocean (SHEBA).
1 - 90 W m-2 de flux de chaleur latente ; pour les
auteurs, les changements d’état de l’eau dans le
champ de gravité jouent un rôle prépondérant
dans le transfert de chaleur entre la surface
terrestre et l’atmosphère ; L’évaporation de l’eau
contenue dans le sol permet de transférer un
excédent de chaleur de la surface terrestre
(géosphère ou hydrosphère) vers l’atmosphère, et
inversement, la condensation ou la congélation
(plus la gravité ici aussi), sont le moteur du
transfert de chaleur de l’atmosphère vers la
surface. Les flux de chaleur latente sont
particulièrement forts au-dessus des courants
marins chauds comme le Gulf Stream et audessus des forêts tropicales humides, couplant les
cycles d’énergie et d’eau.
2 - 16 W m-2 de chaleur sensible ; pour les auteurs, les
échanges de chaleur sans changement de phase
entre la surface du globe et l’atmosphère au sein
du système Terre est donc significatif ; les flux de
chaleur sensible sont importants au-dessus de
terres arides, où l’eau (exclusivement vapeur)
transfère en convectant de la chaleur à travers
l’interface, aidant ainsi à réguler la température
des deux réservoirs.
On peut donc évaluer à 187 +90 +16 = 293 W m-2
la chaleur qui est cédée temporairement à l'atmosphère.
L’équilibre dynamique ainsi obtenu correspond à ce que
nous nommons effet de serre.
c – Réchauffement climatique ou « global
warming ».
Toutes les fenêtres d’énergie ouvertes vers le
cosmos n’étant pas entièrement saturées par les GES, on
comprend que les climatologues recherchent parmi ceuxlà les responsables du changement climatique observé de
nos jours, en corrélation avec les variations de leurs
concentrations mesurées dans l’atmosphère.
La démarche écologique apparue au sein des pays
industrialisés durant les dernières décennies et l’ouverture
au monde de l’ensemble des populations, en particulier
grâce au racourcissement des tremps de transport, sont
concomitantes. En effet les antipodes longtemps distants
de plusieurs mois de navigation sont maintenant à peine
éloignés de 24h de vol. Ce lointain inaccessible,
juqu’alors présent seulement dans nos livres, est devenu
en quelques années une partie de notre réalité quotidienne.
Parallèlement, l’immensité du monde est devenue jardin et
le cultivateur cueilleur chasseur pêcheur que nous sommes
encore a réalisé que la ressource n’est pas inépuisable.
- 105 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
L’impact longtemps ignoré de l’industrialisation de
nos activités, source de notre bien-être, nous est devenu
évident, questionnant en retour l’immense bond
technologique et scientifique opéré durant les XIX° et XX°
siècle. Ainsi donc Science et Technique qui mettaient notre
planète au creux de notre main étaient en quelque sorte
irrespectueuses de notre devenir ? A refuser de nous
considérer comme partie intégrante de la nature, nous
n’avons pas voulu voir l’effet, si positif pour nous, du
développement de notre mode de vie sur notre planète. Et
puisqu’il fut « visiblement positif » pour les pays
industrialisés, comment ne servirait-il pas de modèle à tous
ceux qui n’ont bénéficié à ce jour que du loisir de nous
observer ? La mondialisation des échanges et des matières, le
déplacement des usines du monde depuis quelques décennies
(2, 3 ?), sont en train de nous montrer la nécessité d’une
gestion coordonnée des besoins, des ressources, des produits
et des déchets. L’eau en est l’exemple type qui, parce que
vitale, nécessitera la mise en œuvre d’un droit d’accès pour
tous, parce qu’universelle (climatologie à l’échelle des
continents, bassins versants transfrontières etc.) exigera une
gestion commune et une protection partagée. La prise de
conscience de la finitude de notre planète et de ses ressources
est douloureuse, nos habitudes de fragmenter l’information
pour aborder les problèmes par spécialités sont très ancrées,
notre propention à dénoncer le bouc émissaire est intacte, au
point que même si l’analyse systémique des milieux permet
d’entrevoir
différents
modèles
prometteurs
de
« développement soutenable », l’évidente causalité humaine
des dégats engendrés sur les espaces dits « naturels » peut
engendrer des peurs irrationnelles que nous chercherons ici à
éviter.
Ainsi, sur la très médiatique question du changement
climatique, la causalité humaine est maintenant très
généralement considérée comme entendue. Malgré la
complexité des processus mis en œuvre et une
méconaissance encore très importante de notre atmosphère,
le coupable est, pour un grand nombre de climatologues, le
relargage inconsidéré des GES.
Mais la géologie, qui nous renseigne sur le passé de la
Terre, nous informe que le climat terrestre à toujours varié et
donc qu’il faut se garder de penser qu’il aurait existé un point
climatique d’équilibre dont nous serions en train de nous
éloigner ! Elle nous renseigne sur les variations majeures
subies par notre planète (Chp 5.F) et enregistre bien les
phénomènes
périodiques
jusqu’à
une
périodicité
pluricentenale. Pour les oscillations plus courtes, la géologie
devient déficiente, sauf exception telles que l’enregistrement
annuel des variations sédimentaires dans les varves39.
La climatologie prend alors le relais, mais n’oublions
pas qu’avant les observations satellitaires (environ 20 ans en
matière de climatologie) notre méconnaissance des espaces
océaniques était quasi-totale. N’oublions pas non plus que
nombre de phénomènes océano-atmosphériques présentent
des périodes longues, souvent pluridécénales, voire
pluricentenales. La mesure rigoureuse des nombreux
paramètres mis en œuvre, à l’échelle des processus mis en
jeu (celle de la planète, via les satellites), couvre donc
seulement quelques périodes des cycles les plus rapides, et
24/10/13
Tableau 2 : Potentiel de réchauffement planétaire (PRP) et
durée de vie dans l'atmosphère des GES.
http://www.ec.gc.ca/pdb/ghg/inventory_report/2003_report/c1_f.cfm
http://www.riaed.net/spip.php?article448
GES
Formule
PRP
Durée de vie
dans l'atmosphère
Dioxyde de carbone
CO2
1
Variable 50-200
Vapeur d’eau
H2O
8
1 semaine
Méthane
CH4
21
12 ± 3
Oxyde nitreux
N2O
310
120
Hydro fluorocarbures (HFC)
HFC-23
CHF3
11 700
264
HFC-32
CH2F2
650
6
HFC-41
CH3F
150
4
HFC-43-10mee
C5H2F10
1 300
17
HFC-125
C2HF5
2 800
33
HFC-134
C2H2F4
1 000
11
HFC-134a
C2H2F4
1 300
15
HFC-143
C2H3F3
300
2
HFC-143a
C2H3F3
3 800
4
HFC-152a
C2H4F2
140
48
HFC-227ea
C3HF7
2 900
37
HFC-236fa
C3H2F6
6 300
209
HFC-245ca
C3H3F5
560
7
Hydrocarbures perfluorés (HPF)
Perfluorométhane
CF4
6 500
50 000
Perfluoroéthane
C2F6
9 200
10 000
Perfluoropropane
C3F8
7 000
2 600
Perfluorobutane
C4F10
7 000
2 600
Perfluorocyclobutane
c-C4F8
8 700
3 200
Perfluoropentane
C5F12
7 500
4 100
Perfluorohexane
C6F14
7 400
3 200
pour beaucoup seulement une petite partie des cycles
pluridécennaux. En outre, nombre de phénomènes encore
mal compris ne sont probablement pas pris en compte
comme il conviendrait. Il en est ainsi de la formation des
nuages et du rôle joué par le rayonnement cosmique dans
la condensation, nous y reviendrons.
Certes, nos computeurs de plus en plus efficaces
sont capables de reconstruire le passé récent que nous
avons échantillonné, et c’est bien le moins que l’on peut
attendre de modèles créés à partir de ce dernier. Mais
qu’en est-il de leur valeur prédictive, puisque leur
validation ne devrait être effective en principe qu’au-delà
de plusieurs cycles observés et correctement modélisés ?
Dès lors faut-il sans doute rester prudent et considérer que
même si toute une communauté scientifique établit à partir
des mêmes données des modèles cohérents entre eux, il
peut être prématuré de parler de consensus scientifique ?
Un seul fait, observé en un seul lieu par un seul
scientifique, peut suffire à mettre à bas une théorie, s’il
s’avère être incontournable, correctement observé et
interprété.
Force est donc de reposer ici cette question.
Comment le climat a-t-il évolué ? Cette évolution est-elle
synchrone
de
l’industrialisation
(depuis1850) ?
L’évolution des marqueurs du climat est-elle conforme à
celle des GES, le CO2 en particulier, mais aussi les autres
gaz dont l’eau (de loin la plus abondante) et ceux,
beaucoup moins abondants mais dont le rôle peut aussi
être primordial en raison de leur fort pouvoir de
réchauffement (tableau 2).
39
Les varves sont des dépôts sédimentaires laminaires très
fins, où chaque lamine correspond à une alternance de deux
termes, un dépôt d’été et un dépôt d’hiver.
- 106 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Rappelons la concentration en vapeur d’eau est de
5400 ppmV. Cette valeur moyenne n’a pas grande
signification car, nous l’avons souligné, cette concentration
varie beaucoup d’un point à un autre. Celle du CO2 atteint
maintenant 380 ppmv. En termes de potentiel de
réchauffement planétaire (tableau 2) le CO2 représente donc
environ 1% de celui de la vapeur d’eau. Celui du CH4,
présent en moyenne à 1.8 ppmv dans notre atmosphère en
représente environ 0.1%, et celui de N2O (0.32 ppmv)
environ 0.2%. L’effet de serre responsable de la température
moyenne terrestre de 13°C calculée précédemment (Chp
5.B.1.b) trouve donc bien son origine, très majoritairement,
dans la vapeur d’eau atmosphérique.
Le fait que la covariation de la température moyenne
avec la concentration en CO2 soit globalement évidente est
considéré de nos jours comme la preuve que le CO2
anthropique est la cause principale de l’augmentation de la
température terrestre. Les paléoclimatologues ont montré
depuis environ 15 ans que des évolutions climatiques
majeures se sont produites bien avant l'ère industrielle ; les
courbes d’évolution (e.g. J.R. Petit et al. 1999, Fig. 7) sont
caractéristiques. Le climat terrestre, enregistré par la
composition des glaces de l’inlandsis (rapport 18O/16O
retranscrit en évolution des températures) et celle des bulles
d’air piégées (concentration en CO2), apparaît cyclique à
l’échelle de la centaine de milliers d’années (cf. § F4b, ce
chapitre). On observera aisément dans la figure 7 la
covariation de la température et le CO2, elle est remarquable
à cette échelle, comme le montre la superposition de la
courbe du CO2 (rouge) sur celle des températures (en bleu).
Lorsque l’on entre dans un interglaciaire, la remontée de la
température et l’augmentation du CO2 atmosphérique sont
très clairement corrélées. Par contre les chutes de la
température du début des périodes froides sont beaucoup plus
rapides que les diminutions de la concentration en CO2. Le
retard à la baisse du CO2, qui apparaît être d’au moins 10000
à 20000 ans, contraste avec la quasi simultanéité des deux
phénomènes lors des réchauffements. Toutefois, et ce point
est essentiel, ces covariations lors du réchauffement sont
elles aussi non synchrones. L’augmentation de la
température précède l’augmentation de teneur en CO2 ;
le décalage est à peu près constant, de quelques centaines
d’années (moins de 1000 ans ; Nicolas Caillon et al 2003).
Ce phénomène n’est pas observable à l’échelle de la
figure 7). Lors de ces paléovariations, la teneur en CO2 de
l’atmosphère a donc été le corollaire et non la cause de
l’augmentation de la température ; mais cela ne signifie
pas que l’inverse soit impossible, ce qui se passerait
actuellement40. Le même diachronisme température40
Revenant à la figure 7, qui analyse les fluctuations préhumaines du CO2 et de la température. On note qu’à une
amplitude de variation thermique de 10°C correspond une
variation de la concentration en CO2 de 100 ppmv. Cette
amplitude de la variation de température en fonction de celle
du CO2 est dont très au-delà de l’actuelle, dont le rapport du
GIEC40 estime que pour le XX° siècle elle est de +0.6°C
pour un accroissement en CO2 du même ordre de grandeur,
100 ppmv. Force est donc de constater que la réponse du
climat actuel à notre injection massive de GES durant le XX°
siècle est considérablement plus faible que ce que les
archives des glaces polaires ont enregistré. La cause ne peut
en être le temps d’homogénéisation de l’atmosphère
puisqu’il y aurait plus d’un ½ siècle entre le début de
24/10/13
Fig. 7 : évolution de la teneur en CO2 et de la Température de
l'air depuis 400 000 ans;
les mesures ont été effectuées dans une carotte de glace de
l'antarctique (Vostok)
teneur existe aussi pour le méthane (CH4) dans les
glaces. L’augmentation en CH4 de l’atmosphère avec le
réchauffement à la fin des périodes froides est attribuée à
la fonte du permafrost. Lors des épisodes de
refroidissement et de gel du sous-sol, le stockage
cryosphérique du dioxyde de carbone et du méthane serait
un processus beaucoup plus progressif.
Actuellement, le sol gelé des hautes latitudes de
Sibérie et d’Alaska contiendrait encore 30% (ou plus, sous
forme d’hydrates de gaz) de tout le carbone stocké dans
les sols de la planète. Par conséquent, la fonte du
pergélisol (autre nom du permafrost) par augmentation de
l’effet de serre pourrait être suivie d’émissions à grande
échelle de méthane ou de dioxyde de carbone, provoquant
un feedback positif sur les températures. Dans les
scénarios plus ou moins catastrophiques que l’on nous
promet, de telles émissions pourraient être supérieures à
celles produites par les carburants fossiles.
Les différences essentielles qui accompagnent
l’évolution de l’atmosphère actuelle par rapport à celle de
l’atmosphère ancienne résident donc d’abord i) dans le fait
que l’augmentation actuelle de la température est
considérée comme induite par celle de la concentration en
GES et ii) dans le fait que les deux phénomènes sont quasi
synchrones à l’échelle de l’activité humaine. Elles résident
ensuite dans l’amplitude des variations ; d’après les
mesures effectuées dans les glaces de l’Antarctique et du
Groenland, on dit souvent que les valeurs maximales
« naturelles » de CO2 n’avaient jamais dépassé 300-320
ppmv (Fig. 7 et 8a-2), valeur que nous avons atteinte en
1900 sur la courbe de la figure 11d (p. 111) et que nous
avons largement dépassées depuis. Aussi, la
concentration actuelle en CO2 dans l’atmosphère de
370-380 ppmv a-t-elle été souvent considérée comme le
témoin irréfutable de l’impact de l’activité humaine. La
concomitance avec l’ère industrielle de cette ultime et
l’injection massive de CO2 et la réponse de l’atmosphère.
L’écart à la linéarité entre ces 2 paramètres est-il si
important qu’il signifie que l’on va vers une asymptote de
température? Pour quelle raison? La figure 5 suggère que,
dans la gamme des longueurs d’ondes émises par la Terre,
les raies d’absorption du CO2 ne sont pas complètement
« bouchées » mais que l’on s’en approche… Est-ce
suffisant ?
- 107 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 8a : variation de la teneur en CO2 pour les 20 000 ans BP
,
1) d’après le rapport du GIEC 2007, données Antarctic (violet)
et actuelles (vert puis rouge) ; report des limites ci-dessous (vert)
2) Données NOAA GISP2 Groenland (vert) et Antarctic (rouge).
brutale variation (# 200 ppm) est indubitable (Fig. 8a-1)
Dire que cette valeur n’a jamais été dépassée
mérite néanmoins d’être nuancé :
24/10/13
2 - Concernant toute l’histoire de la Terre (Fig. 8b),
depuis l’explosion de la vie (600 Ma., début du
Primaire) jusqu’à la deuxième partie du tertiaire, les
paléoclimatologues ont montré que l’atmosphère
terrestre a connu des teneurs en CO2 beaucoup plus
élevées que de nos jours (Fig. 8b) qui apparaissent
difficilement corrélables aux températures et aux
niveaux des océans. En effet, au début du Primaire,
lors de l’explosion de la vie Cambrienne et de sa
diversification, la teneur en CO2 de l’atmosphère
était 20 fois supérieure à la concentration actuelle.
Elle l’était 5 fois seulement au Crétacé, pour des
températures de 9-10°C de plus qu’aujourd’hui
(Scortese et Mc Kerrow, ou S. Manoliu et M.
Rotaru Fig.75). Arrêtons-nous sur les derniers 100
Ma. Le climat terrestre a considérablement changé
durant cette période. On se situe jusqu’à la fin du
Paléocène dans une période de température
décroissante mais encore chaude, sans incidence
notable de l’accident à 65Ma de la météorite de
Chixculub, tenue pour responsable de la crise du
vivant entre crétacé et Tertiaire. Durant cette
période, le continent indien s’est détaché et remonte
vers le nord, créant l’océan indien, et
progressivement le bloc Antarctique-Australie prend
une position quasi polaire. Avec l’Oligocène, on
entre dans la période froide, marquée par l’existence
Fig. 9 : Température de l’Océan et Concentration en CO2 dans
l’atmosphère depuis 65 Ma, in IPCC AR4 Chp 6.
1 - Concernant la période industrielle, nombre de voix
discordantes se font entendre ; prenons pour
exemple E.G. Beck, 2007 (cf. fig. 11c), qui
considère que les courbes d’évolution du CO2
atmosphérique sont insuffisamment renseignées
par l’étude des glaces (e.g. Fig. 8a1), et qu’il faut
prendre en compte l’ensemble des données
historiques fiables. Ainsi, les données sur les
glaces du Groenland (GISP2) sont certes moins
complètes que celle tirées des glaces de
l’Antarctique (Vostok) mais elles montrent que
dans la période 10000 à 12000 ans BP, la teneur
en CO2 de l’atmosphère a atteint plusieurs fois
320-325 ppm, ce qui correspond dans
l’augmentation moderne du CO2 à la teneur
atteinte aux environs de 1970 dans la figure 11b,
et à quasiment 1W. m-2 en terme de contribution
de chaleur (« radiative forcing » dans la figure 8a1) par rapport à l’état pré-industriel, c'est-à-dire
environ ⅔ du réchauffement climatique attribué à
notre espèce.
Fig.8b : RCO2 = Rapport des teneurs de CO2 avec le
niveau de concentration de1900.
- 108 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 10a : Effet des précipitation sur les rapports δ2H et δ18O,
(based on Hoefs 1997 and Coplen et al. 2000).
http://www.sahra.arizona.edu/programs/isotopes/oxygen.html
de calottes polaires. Dans la figure 9, issue de IPCC
Fig. 10b : carte des δD et δ18O pour les précipitations en
Amérique du Nord ;
observer la distillation isotopique SE - NW depuis le golfe du
Mexique, précipitations qui couvrent l’essentiel du territoire
contrairement aux pluies du Pacifique
in Géologie isotopique 2005
2010, sont représentées la teneur en CO2 et l’étendue
des glaciations d’après Crowley 1998 (exprimée en
latitude, en bleu) pour les derniers 400 Ma. La teneur en
CO2 est représentée pour différents proxies compilés
par Royer 2006, et l’on y retrouve (en vert) le domaine
plausible (en rose dans la figure 8b) tiré du modèle
GEOCARB III41 de Berner et Kothavala (2001). La
chute de la
température, d’abord douce durant
l’Oligocène, devient abrupte à 33.7 Ma. Cette transition
est appelée « Eocène-Oligocène Boundary » (EOB).
Elle est accompagnée d’une diminution très importante
de la concentration atmosphérique en CO2. Une fois
encore, un diachronisme léger apparaît entre la cassure
de la courbe de la température et celle de la courbe du
CO2 la plus précise, celle du phytoplancton (Fig. 9).
Notez aussi que la présence de calottes glaciaires,
banquises ou inlandsis, n’est pas une constante de
l’histoire de la Terre. Au contraire, les périodes sans
glaces polaires ont été nettement plus longues que les 3
périodes présentant des pôles englacés, i) quelques Ma
autour de 350 Ma, ii) 330à 270, la plus longue, et iii) les
30 derniers Ma. Concernant cette dernière période, Y.
Lagabrielle et al. (2009) ont mis en évidence le rôle de
l’isolement progressif du continent Antarctique et sa
migration vers le pôle (ouverture du passage de Drake
entre 43 et 10 Ma, §E5, Fig. 52a) dans la dernière
entrée en glaciation de la Terre (Fig. 52b).
24/10/13
Dans les figures 7 et 9, la température n’est pas
mesurée directement mais monitorée par des proxies, mot
anglais utilisé pour qualifier des variables capables de
donner l’image d’une autre variable dont la mesure directe
est impossible. Par exemple, on utilise le rapport 18O/16O
(δ18O) de la glace, parce qu’il est largement dépendant de
la température qui règne au moment de la formation de la
glace. Le fonctionnement de ce proxi est le suivant
(Fig. 10a). Nous avons vu (Chp. 2.C.2) que le rapport
18
O/16O est fractionné significativement lors de
l'évaporation et de la précipitation; l’isotope léger étant
favorisé dans l’état gazeux. L'eau du réservoir
atmosphérique se trouve ainsi déprimée en isotopes lourds
18
O et D (δ18O et δD <0, Fig. 10a) par rapport à l'eau du
réservoir océanique, et l'eau de pluie (ou la neige) est
enrichie en isotopes lourds par rapport à l'eau
atmosphérique. Avec le transport de l'air à travers les
cellules convectives (Hadley, Ferrel, et cellule polaire, cf.
§ 5.D) et les précipitations successives qu'il peut subir
pendant son transport, l’air évaporé sous les basses
latitudes voit ainsi son rapport 18O/16O décroître en
remontant vers le nord (Fig. 10b). Vient s’ajouter l’effet
de la température de l’atmosphère, qui exerce un contrôle
très fort sur la composition isotopique de l’eau de pluie.
Avec l’augmentation de la température, les précipitations
s’enrichissent linéairement (0.5‰ par C° pour d18O) en
isotopes lourds 18O et 2H (D) par rapport aux léger 16O et
1
H (Fig. 10c). Lorsqu’il atteint une latitude suffisamment
Fig. 10c : Enrichissement linéaire en isotopes lourds avec la
température.
(Clark and Fritz 1997, p. 37, as compiled in Rozanski et al.
1993).
Variation du δ18O d’une pluie subissant une distillation de
Rayleigh. Conditions initiales : eau vapeur est
δ18Ovapor = -11‰, T° = 25°C. Température finale -30°C.
à 0°C, le fractionnement neige- eau vapeur remplace le
fractionnement liquide-vapeur.
Les lignes pointillées relient δ18O de précipitation et
température de condensation.
41
Notez que la représentation IPCC de GEOCARB III,
limitée à 400 Ma, ampute celle-là de valeurs plausibles des
concentrations en CO2 les plus hautes jamais atteintes sur
terre.
http://www.sahra.arizona.edu/programs/isotopes/oxygen.html
- 109 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
haute, cet air précipite finalement en neige et constitue un
réservoir solide (apparenté à la géosphère) aux propriétés
isotopiques très différentes de celles de l'océan au-dessus
duquel il s’était évaporé. Durant les périodes glaciaires, le
stockage d'un énorme volume de glace provoque en
corollaire un enrichissement de l'eau océanique en 18O par
rapport à 16O. Inversement pendant les périodes chaudes, un
déstockage de 16O a lieu.
Dans le cas de mesures faites à partir de sédiments, le
proxi δ18O utilisé est celui de la mesure sur des coquilles
fossilisées. Les organismes tirant leur coquille du réservoir
océanique, on considère qu’il s’agit d’un processus de
fractionnement d’équilibre chimique (cf. Chp. 2.C.2.a). La
valeur recherchée étant celle de la température de surface de
la mer à l’époque de la construction de ces coquilles, on
utilise surtout les espèces planctoniques pélagiques (vivant à
la surface loin des côtes) et on élimine les espèces benthiques
(vivant sur le fond) qui donneraient la température du fond
de l’océan au moment considéré.
Y a-t-il un hiatus entre i) les modèles climatiques
actuels qui nous promettent une augmentation de 6°C pour
seulement un doublement de la teneur actuelle en CO2 et ii)
la paléoclimatologie qui nous informe de variations bien
moindres ? entre i) le discours qui affirme que les
températures actuelles sont responsables de la disparition
irréversible d’une banquise garante de la circulation
océanique et ii) la paléogéographie qui nous renseigne sur le
rôle à long terme de la distribution des masses
continentales ? entre i) l’affirmation que les teneurs actuelles
en CO2 de notre atmosphère sont sans précédent, qu’elles
nous entraînent vers des augmentations de température
irréversibles préjudiciables à la vie et ii) l’histoire de la vie
Fig. 11 a-b : CO2 de l’air, données NOAA,
la mesure du CO2 sur la Mona Loa (4170m), Hawaï, a débuté
en 1959. Les valeurs utilisées sont les moyennes annuelles.
395
390
385
y = 1.9453x - 3520.6
380
R² = 0.9983
375
370
y = 0.0101x2 - 38.3x + 36800
365
R² = 0.9988
360
355
1990
1995
2000
2005
2010
2015
Evolution de la concentraion en CO2 depuis 1995
390
370
350
330
y = 0.0118x2 - 45.5x + 44000
R² = 0.9992
310
1955 1965 1975 1985 1995 2005 2015
Evolution de la concentration en CO2 depuis 1959
24/10/13
sur la Terre?
Hiatus ? Peu importe, le fait est réel, le climat
terrestre change, il a toujours changé. Il convient
d’essayer d’évaluer la part humaine dans ce
« dérèglement ». Nous comparerons donc les courbes de
l’évolution récente de la température de notre atmosphère
avec celle de trois groupes de paramètres essentiels :
1 - la concentration de l’atmosphère en GES : CO2, CH4,
SO2 et N2O ;
2 - l’émission du CO2 liée la consommation des énergies
fossiles, ou bien (très similaire) la production des
combustibles fossiles, depuis le début du XVIII°.
3 - l’activité de notre étoile, dont nous savons qu’elle
procure l’essentiel de l’énergie disponible dans notre
atmosphère ; si les conditions de distance au Soleil et
de luminance de celui-ci sont les facteurs clef qui ont
permis l’apparition de la vie sur Terre on peut
supposer que des fluctuations, mêmes mineures, de
ces paramètres peuvent influer sur le climat.
1) GES majeur : le Dioxyde de Carbone
Considérons tout d’abord le GES principal, le CO2.
Nous étions en mai 2013 sur le point de dépasser la barre
symbolique des 400 ppmv. La concentration atteignait
392.41 ppmv en Août 2012 dans l’atmosphère du Mona
Loa (http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends), soit 1.34 ppm de
plus qu’en Août 2011… On ne voit aucune inflexion dans
l’augmentation du CO2 atmosphérique depuis 1995 (Fig.
11a, régression linéaire R2 = 0.9983). Cette apparente
linéarité n’est en fait due qu’au laps de temps des
observations choisi. Si l’on prend l’ensemble des mesures
acquise par la NOAA sur le Mona Loa, qui débutent en
1959 (Fig. 11b), on observe qu’une augmentation quasi
constante (régression du 2° degré, R2 = 0.9992, point de
rebroussement
1928 ;
306.4
ppmv)
« fit »
remarquablement le trend du CO2 atmosphérique pour
toute la période 1959 à nos jours. En retour sur la figure
11a, notez qu’une régression du 2° degré sur ce petit
segment de données apporte un léger bénéfice par rapport
à la régression linéaire, R2 = 0.9988, confirmant que
l’accélération constante du taux de CO2 dans l’atmosphère
reste de règle, malgré les différents accords pris à grand
renfort de médiatisation.
A ce stade de l’analyse, il n’est peut-être pas inutile
de rappeler l’ensemble des efforts consentis depuis plus de
30 ans. Les informations qui suivent sont tirées de la
librairie du citoyen, documentation française,
http://www.ladocumentationfrancaise.fr :
• 1979, Genève, 1° conférence mondiale sur le
changement climatique. Lancement d’un
Programme de recherche climatologique
mondial.
• 1987, Montréal, décision d’interdire la production
et l’utilisation des CFC ;
• 1988, création du GIEC = IPCC (en anglais),
chargé du suivi scientifique des processus de
réchauffement climatique ;
• 1990, La Haye, les états européens s’engagent à
stabiliser leurs émissions de CO2 au niveau de
1990 d’ici à 2000 ;
1° rapport du GIEC : bilan des
connaissances scientifiques.
• 1992, Rio, 1° sommet de la terre, 131 chefs d’Etat
- 110 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
42
adoptent l’Agenda 2142, l’objectif de la convention
Climat, ratifiée par 50 Etats, est de stabiliser les
concentrations atmosphériques des GES à un niveau
« qui empêche toute perturbation humaine
dangereuse du système climatique ».
1995, Berlin : 1ère Conférence des Parties à la
Convention Climat (COP 1) ; adoption du principe
des quotas d'émissions de GES.
2° rapport du GIEC : confirmation du rôle
des activités humaines sur les changements
climatiques.
Prévisions d’ici
à
2100 :
réchauffement moyen de 1 à 3, 5°C; montée du
niveau de la mer de 15 à 95 cm.
1996, Genève, 2° conférence mondiale sur le
changement climatique, COP2.
1997, New-York, dit Rio+5, 2ème sommet de la
terre, désaccord entre l’Union européenne et les
Etats-Unis sur la réduction des GES.
Kyoto, 3° conférence mondiale sur le changement
climatique, COP3. Adoption du dit « protocole de
Kyoto » qui engage les 38 pays industrialisés (EtatsUnis, Canada, Japon, pays de l'UE, ancien bloc
communiste) à réduire les émissions de GES de
5.2% en moyenne d’ici 2012, par rapport au niveau
de 1990.
1998, Buenos Aires, 4° conférence mondiale sur le
changement
climatique,
COP4.
les
pays
industrialisés, seuls concernés dans un premier
temps par le Protocole de Kyoto, adoptent un plan
d’action destiné à relancer les mesures décidées à
Kyoto. Les Etats-Unis signent le Protocole de
Kyoto.
1999, Bonn, 5° conférence mondiale sur le
changement climatique, CPO5.
2000, La Haye, 6° conférence mondiale sur le
changement climatique, COP6. Echec à trouver un
accord sur la mise en œuvre des mesures adoptées à
Kyoto.
2001, 3° rapport du GIEC.G.W. Bush s’oppose au
Protocole de Kyoto et refuse la réglementation des
émissions de GES.Marrakech, 7° Conférence des
Nations unies sur les changements climatiques,
COP7. Des moyens techniques et financiers sont
débloqués en faveur des pays en développement.
2002, New Delhi, 8° Conférence des Nations unies
sur les changements climatiques, COP8. L'Union
européenne, puis le Japon ratifient le protocole de
Kyoto.
2003, Milan, 9° Conférence des Nations unies sur les
changements climatiques, COP 9.
2004, Buenos Aires, 10° Conférence des Nations
unies sur les changements climatiques, COP 10. La
Russie ratifie le protocole de Kyoto.
2005, Montréal, 11° Conférence des Nations unies sur
les changements climatiques, COP 11. Entrée en
vigueur du protocole de Kyoto signé en 1997. Il a
donc été ratifié par 141 pays dont 36 pays
industrialisés, à l'exception des Etats-Unis et de
l'Australie (soit 1/3 des émissions de GES). Ils
sont néanmoins tenus de réduire de 5.2% leurs
émissions de CO2 et de cinq autres GES.
2500 recommandations d’action pour le XXI° siècle.
24/10/13
• 2006, Sydney, 1° réunion du Partenariat AsiePacifique sur le développement propre et le
climat
:
Ce Partenariat, formé en juillet 2005, regroupe
les Etats-Unis, l'Australie et quatre pays d'Asie :
Chine, Japon, Inde et Corée du Sud, soit ½ des
émissions de GES dans le monde. Objectif de ce
Partenariat « que la lutte contre le réchauffement
climatique ne freine pas la croissance
économique ».
Nairobi, 12° Conférence des Nations unies sur les
changements climatiques, COP 12. La révision
du protocole de Kyoto (fondée sur le 4° rapport
du GIEC, à paraître en 2007) commencera en
2008, pour définir les implications du protocole
au-delà de 2012.
• 2007, 4° rapport du GIEC. Il établit la
responsabilité humaine dans le réchauffement
climatique. Perspectives pour la fin du XXI°
siècle : augmentation moyenne de 1.8°C à 4°C,
pouvant aller j’à 6.4°C ; hausse du niveau des
océans de près de 60 cm ; généralisation de
vagues de chaleur et d'épisodes de fortes
précipitations. Il met en garde contre les
conséquences
« soudaines »,
voire
« irréversibles » du réchauffement en cours.
Bali, 13° Conférence des Nations unies sur les
changements climatiques, COP 13. Elle met en
place une « feuille de route » devant aboutir en
2009, à Copenhague, à un nouveau traité, qui
prendra la suite du Protocole de Kyoto, qui vient
à échéance en 2012. Les parties reconnaissent
que « des réductions sévères des émissions
mondiales devront être conduites ».
• 2008, Bangkok, 161 pays ouvrent un nouveau
cycle de négociations pour répondre aux objectifs
fixés par la feuille de route du traité de
Copenhague.
Poznam, 14° Conférence des Nations unies sur les
changements climatiques, COP 14. Création
d'un Fonds d'aide aux pays pauvres menacés
par les conséquences du réchauffement, 80
millions de dollars.
Bruxelles, l’UE adopte un « paquet énergie
climat », plan de lutte pour la période 20132020, objectifs : diminution de 20% des
émissions de GES, augmentation à 20% de la part
des énergies renouvelables et amélioration de
20% de l’efficacité énergétique de l’Union
européenne.
• 2009, Bonn, 2° réunion, 183 pays participent à la
feuille de route pour le traité de Copenhague. Le
Brésil, la Chine, l’Inde et l’Afrique du Sud ne
souscriront pas au futur traité et refuseront des
objectifs domestiques de baisses de leurs propres
émissions, tant que les pays industrialisés
n’auront pas adopté les réductions préconisées
par le GIEC, soit moins 40% en 2020 par rapport
à 1990.
Copenhague, 15° Conférence des Nations unies sur
les changements climatiques, COP 15. 193 pays
réunis adoptent un texte juridiquement non
contraignant, mis au point par les Etats-Unis et 4
pays émergents, la Chine, le Brésil, l'Inde et
l'Afrique du Sud. Ce texte affirme la nécessité de
- 111 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
limiter le réchauffement planétaire à 2°C par Fig. 11c: CO2 de l’air d’après E.G. Beck (2007)
rapport à l’ère préindustrielle mais ne comporte
aucun engagement chiffré de réduction des
émissions de gaz à effet de serre.
• 2010. Cancun, 16° Conférence des Nations unies sur
les changements climatiques, COP 16. 192 pays
mettent en place à la quasi-unanimité (sauf la
Bolivie), une série de mécanismes financiers pour
lutter contre le réchauffement climatique et
promouvoir l'adaptation à ses effets. On voit ici
apparaître la notion de mitigation. un « Fonds l’époque sont encore considérées comme précises (± 6
vert » est créé pour soutenir les projets, ppmv en 1857) et elles nous offrent une image avec un
programmes et politiques d'adaptation des pays en pas de temps (Fig. 11c, courbe bleue) que les glaces ou les
développement. La mise en place du mécanisme sédiments ne peuvent atteindre (petites + dans la figure).
REDD (Ressources pour le développement Mais elles ne couvrent que les régions économiquement
durable) qui consiste à rémunérer financièrement développées à l’époque. D’une part elles ne peuvent être
les populations locales impliquées dans la gestion considérées comme des moyennes planétaires et d’autre
des forêts. Rien pour prolonger le protocole de part les régions couvertes étaient potentiellement polluées.
Kyoto au-delà de 2012.
Détaillons la courbe de concentration en CO2
• 2011, Durban, 17° Conférence des Nations unies sur atmosphérique, depuis les premières valeurs reconnues
les changements climatiques COP 17. Elle se comme acceptables (1812) à nos jours. L’utilisation des
conclut sur la mise en œuvre d’une nouvelle feuille données des glaces de l’Antarctique permettent une
de route, en vue d’un accord prévoyant d’établir reconstruction malgré tout assez fine de l’évolution de la
d’ici à 2015 un pacte global de réduction des concentration.
émissions des GES, avec une entrée en vigueur
Avant 1850, la courbe du CO2 montre une
prévue à l'horizon 2020. D’ici là, la feuille de route
augmentation
très lente (Fig. 11c et Fig. 17, p. 117),
prévoit la prolongation du protocole de Kyoto. Le
probablement
liée à l’accroissement régulier de la
texte englobe pour la première fois tous les pays
biomasse
cultivée.
dans la lutte contre le réchauffement climatique, y
compris les plus gros pollueurs, la Chine, l'Inde et
La première rupture de pente se situe vers 1850. De
les Etats-Unis... Ni contrainte juridique, ni hausse 1850 à 1950 environ, (Fig. 11d et Fig. 17, données GIEC)
du niveau des mesures pour réduire les émissions de l’augmentation du CO2 est encore presque linéaire mais
GES ne sont prévues… gaz à effet de serre, afin de elle est un peu plus forte que précédemment. Cela suggère
limiter le réchauffement sous le seuil de 2°C. le que la teneur en CO2 dans l’atmosphère augmente peu
« Fonds Vert » est officiellement créé.
après avec le décollage de la consommation de charbon.
• 2012, Doha, 18° Conférence des Nations unies sur les
La 2° rupture de pente se situe vers 1950-1960
changements climatiques, COP18, dit aussi Sommet
dans les figures 11d et 17, elle paraît assez brutale ; Il est à
de la terre « Rio + 20 ». Le rapport « Geo-5 »
noter que le minimum calculé de la courbe de régression
montre que, sur 90 objectifs prioritaires définis en
du 2° degré de la figure 11b sur les valeurs du Mona Loa
1992, seulement 4 ont connu des progrès
passe par le minimum de 306.4 ppmv à la date 1928.
significatifs, dont celui relatif à la couche d’ozone.
Figurés en vert sur la figure 11d, ils sont, aux erreurs près,
Geo-5 confirme que l'objectif de réduction des
parfaitement « raccord » avec les valeurs de la fin de la
émissions de GES n'a pas connu de progrès et que
période précédente, confirmant que la 2° rupture de pente
ceux-ci devraient doubler d’ici 2050.
doit se situer à peu près à cette période, disons entre 1930
• 2013, Varsovie, la 19° Conférence aura lieu en et 1960. Cela semble bien devoir être mis en relation avec
décembre 2013
l’explosion de la consommation de pétrole et de gaz (voir
En résumé, concernant le CO2 — cible principale du Fig. 17, World Energy consumption). L’accroissement de
GIEC et des Etats participants à la lutte contre la consommation de charbon reste quant-à elle à peu près
l’augmentation des GES, responsables du changement
Fig. 11d : Evolution de la concentration en CO2 de
climatique — la totalité des résultats obtenus par l’ensemble
l’atmosphère depuis l’ère industrielle ;
des conférences, conventions ou accords conduits depuis
sources Moa Loa et bulles d’air dans la glace de l’Antarctique
plus de 30 ans est résumée par la figure 11b, aucune
inflexion dans la courbe, que de dépenses et d’énergie
dissipées pour un résultat parfaitement nul.
Nous avons vu que les mesures de concentration en
CO2 dans l’air du Mona Loa permettent, pour les 60 et
quelques dernières années, d’accéder à une valeur moyenne
annuelle de l’atmosphère. Pour les années qui précèdent, on
recourt le plus souvent aux mesures de concentration des
gaz des bulles de la glace. Pourtant, des mesures de teneur
de CO2 dans l’air étaient effectuées dans les laboratoires de
chimie des pays développés. Ces mesures opérées au XIX°
par des chimistes n’ont pas été utilisées dans les études sur
le changement climatique. Les méthodes employées à
- 112 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig. 11e : distribution spatiale et temporelle du CO2
dans l’atmosphère, pour les années 1999 à 2006,.NOAA.
carbone ; dégagement de CO2 par la respiration de la
biosphère (massivement continentale) et inversement de la
photosynthèse végétale qui opère un pompage du CO2
atmosphérique, essentiellement continental et dont
l’activité saisonnière s’inverse entre les 2 hémisphères. La
figure 11e montre que l’amplitude de la variation annuelle
est, au maximum d’environ 15 ppmv, et que cette
variation ne masque pas la tendance à l’augmentation
moyenne décrite plus avant. La figure nous informe aussi
sur l’homogénéisation de notre atmosphère : i) le contraste
entre les 2 hémisphères montre la relative étanchéité des
deux réservoirs, qui ne sont pas homogénéisés à l’échelle
annuelle ; ii) le contraste saisonnier, en particulier dans
l’hémisphère nord, montre que le CO2 dégagé par la
respiration est largement et rapidement soustrait de
l’atmosphère, dont le niveau bas en concentration se situe
au niveau de celui de l’hémisphère sud.
Noter la faible amplitude des variations saisonnières en
hémisphère Sud et l’inversion nord-sud ; noter le gain
pluriannuel de la concentration ;
Y-a-t-il un impact du CO2 atmosphérique sur le
recul de la banquise ? Si corrélation n’est pas raison, force
est de constater dans la figure 11f que, sur 30 ans de
mesure, la courbe de la surface de la banquise à son
minimum annuel (août-septembre) — décroissante d’année
en année, en noire — est semblable à la courbe du CO2 —
http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/about/global_means.html
linéaire depuis le creux de la fin de la 2° guerre. La
corrélation positive entre la concentration en CO2
atmosphérique et dilapidation des ressources fossiles apparaît
donc clairement établie et non équivoque. En outre, le
décalage dans le temps du point de rupture dans les 2 courbes
implique que la dispersion dans l’atmosphère terrestre du
CO2 est très rapide et n’excède pas 5 à 10 ans. En corollaire,
l’influence des phénomènes volcaniques sur la concentration
du CO2 atmosphérique est non observable sur ces courbes.
Elle est probablement masquée par notre activité.
Quant-à la distribution spatiale du CO2 dans
l’atmosphère terrestre, la représentation largement diffusée
de l’évolution dans le temps de la moyenne annuelle des
concentrations sur le Mona-Loa pourrait laisser croire à une
homogénéité spatiale et temporelle qui n’a rien d’exact. La
variation saisonnière (été CO2 pauvre / hiver CO2 riche) est
la plus connue ; elle est souvent présentée (sinusoïde, e.g.
Fig. 11d) pour les mesures sur le Mona Loa. La variation
spatiale, quoique largement documentée, est plus rarement
présentée. Dans sa représentation matricielle (Fig. 11e), on
observe très nettement la dissymétrie nord-sud qui reflète la
distribution des masses continentales et l’opposition des
saisons été-hiver. Confirmant ce fait, l’amplitude de la
sinusoïde de période annuelle, très faible aux latitudes sud,
s’inverse en traversant l’équateur et croît très vite pour
devenir maximum au niveau tropical. Elle reste ensuite très
marquée jusqu’à une latitude élevée. Une telle représentation
ne tient pas compte d’éventuelles variations longitudinales.
Cette hétérogénéité nord-sud et cette oscillation annuelle
résultent bien sûr principalement du cycle naturel du
croissante d’année en année, l’axe du temps est présenté en sens
inverse, orange — même si la courbe de tendance du CO2
est plutôt du second degré quand on admet pour l’aire de
la banquise Arctique que la régression est linéaire. Nous
reviendront sur ces aspect plus loin
(voir §
Chp.5.B.1.c.4).
2) Le Méthane
Les rapports du GIEC indiquent que la
concentration atmosphérique mondiale de CH4 est passée
d’environ 715 ppb à l’époque préindustrielle à 1 732 ppb
au début des années 1990, pour atteindre 1 774 ppb en
2005. La figure 12a (empruntée au Trinitry College)
reprend les données des auteurs de « A Compendium of
Data on Global Change43. Carbon Dioxide Information
Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, U.S.
Department of Energy, Oak Ridge, TN, USA. ». Ces
mesures effectuées dans les carottes de glace montrent une
teneur constante entre 1000 et 1700, puis un
accroissement très fort à partir de l’ère industrielle.
L’apparente constance préindustrielle est toutefois un
leurre, dissipé par la figure 12b qui montre que si le CH4
est un GES puissant (dont la teneur actuelle équivaut à 3540 ppm de CO2, cf. tableau 2), il est aussi naturellement
très dépendant du climat.
En effet, la première source de méthane réside dans
la biochimie des zones humides naturelles (actuellement
>30% des émissions), à l’origine des variations
Fig. 11f : CO2 et Surface de la banquise Arctique vs temps
43
Data Source: D.M. Etheridge, L.P. Steele, R.J.
Francey, and R.L. Langenfelds. 2002. Historical CH4
Records Since About 1000 A.D. From Ice Core Data. In
Trends: A Compendium of Data on Global Change.
Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge
National Laboratory, U.S. Department of Energy, Oak
Ridge, Tenn., USA. and Steele, L. P., P. B. Krummel and
R. L. Langenfelds. 2002. Atmospheric CH4
concentrations from sites in the CSIRO Atmospheric
Research GASLAB air sampling network (October 2002
version).
- 113 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 12a : Courbe d’évolution des teneurs en CH4 dans
l’atmosphère ; notez l’unité, 1 ppb = 1.10-3 ppm
http://www.trunity.net/weatherandclimate/articles/view/171440/
Fig. 12b : Synchronisme des variations de teneur en CO2 et
en CH4 avec le climat
observables dans la figure 12b (oscillation entre 350 et 700
ppb). Les autres sources sont principalement agricoles, et
l’on retrouve dans l’atmosphère récente l’augmentation de la
consommation de biomasse méthanogène, le riz en
particulier (qui dégage autant de méthane que la moitié de
l’ensemble des zones humides naturelles, soit environ 15%)
et celle de l’élevage bovin souvent mis en cause
(actuellement environ 15%). Vient enfin la contribution
industrielle via les combustibles fossiles, contribution
désormais majeure (environ 20%).
Comme pour le CO2, qui, lui aussi, présente depuis
1850 une causalité humaine, on observe une covariation
étroite de la concentration en CH4 (et du CO2) avec
l’évolution de la population mondiale (Fig. 12c). Dans le cas
du CH4,
celle-ci s’interrompt vers 1990. Le taux
d’accroissement de la teneur en CH4 chute alors et devient
même quasi nul entre 2000 et 2007. Puis, le méthane est
reparti brutalement à la hausse. Pour les auteurs, la première
raison de l’arrêt de la croissance de la teneur en CH4 réside
dans l’amélioration des pratiques agricoles. Quant à son
redémarrage en 2007, les variations imputables à notre
espèce ne pouvant excéder quelques % par an, un tel
comportement doit avoir des causes naturelles ? Le
permafrost (partie toujours gelée du sol dans les régions
polaires) est suspecté contenir jusqu’à 30% du carbone piégé
dans géosphère.
On s’attend donc à ce qu’un réchauffement
significatif induise un relargage important de CH4 s’il vient à
fondre. Il fut donc le 1° suspecté, et sa dénonciation offrait
par là même la preuve d’un feedback très attendu. En 2008,
Mat Rigby et al. ont montré que l’augmentation du CH4
était générale sur la planète, alors que le permafrost
susceptible de dégeler est essentiellement situé en zone
Arctique. Depuis lors, Dlugokencky et al. 2009, puis
24/10/13
Fig. 12c : Evolution de la concentration en CH4 de 1850 à 2010
Comparer la morphologie des courbes d’évolution des teneurs
en GES : celle du CO2 pour la période 1850-1990 (tireté gris) et
celle de N2O pour la période 1850-2000 (tireté vert) sont
ajustées, sans échelle, à celle du CH4 pour la même période.
Bousquet et al. 2010, ont montré que la reprise de
l’augmentation de la teneur en CH4 est due très
probablement d’abord, en 2007, à une suractivité des
zones humides nordiques, puis, en 2008, à une suractivité
des zones humides tropicales nord et sud. Ainsi nous
pouvons conclure avec Dlugokencky et al.que « nous
n’avons sans-doute pas encore activé le fort effet de
feedback climatique » attendu avec la fonte du permafrost.
Enfin, cette ré-augmentation des émissions pourrait aussi
provenir de l’accroissement de la consommation de
combustibles fossiles depuis 2006 dans le Nord de l'Asie.
La question est encore largement ouverte…
Le CH4 présente plus encore que le CO2, un fort
contraste entre les hémisphères nord et sud (Fig. 12d). La
variation saisonnière est à peu près de même amplitude
dans les 2 hémisphères. Elle est moins importante que
celle du CO2 (en hémisphère nord) mais reste significative
et légèrement décalée par rapport à la sinusoïde du CO2 ;
pour l’hémisphère nord toujours, le maximum se situe
vers mars et le minimum vers août. Le CH4 est presque
principalement produit en hémisphère nord, puis transféré
pour partie vers le sud. Le puits majeur d’absorption du
CH4 est la réaction avec l’oxygène excité O (1D) + CH4
⇒ OH + CH3 ; nous verrons au paragraphe stratosphère
que cette réaction joue un rôle important dans le cycle de
l’ozone (O3). Le second puits de méthane est le radical
hydroxyle OH- ; dans la stratosphère, très sèche, CH4 +
OH- ⇒ CH3 + H2O. Cette réaction d’oxydation du
Fig. 12d : distribution spatiale et temporelle du CH4 dans
l’atmosphère, pour les années 1984 à 2010,NOAA.
Noter la faible différence d’amplitude des variations
saisonnières entre hémisphère Sud et Nord par rapport au
CO2. Noter l’inversion nord-sud ; noter la stabilisation de
l’accroissement pluriannuel de la concentration entre 2000
et 2006 et son redémarrage en 2007
http://www.noaanews.noaa.gov/stories2006/s2709.htm
- 114 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
méthane conduit donc à la production d’eau, qui est aussi un
GES, moins puissant et aux effets limités. La durée de vie du
CH4 dans l’atmosphère est d’une dizaine d’années.
3) Le Protoxyde d’Azote et le Dioxyde de
Soufre
La concentration atmosphérique globale de N2O est
passée de 270 ppb à l’époque préindustrielle à 319 ppb en
2005 (GIEC 2007, Fig. 13), équivalent à 100ppm de CO2
(pouvoir réchauffant = 310 fois celui du CO2, tableau 2). Le
protoxyde d’azote gazeux naturel provient des océans ;
d’origine biologique il est produit par dénitrification dans les
milieux anaérobies et par nitrification dans les milieux
aérobies. 1/3 seulement des émissions totales de N2O sont
anthropogéniques. Le « fit » de la courbe du N2O avec celle
de la croissance démographique est donc logiquement moins
bon que celui du méthane et le « décollage de la courbe ne se
produit que vers 1900. Le tiers d’origine humaine provient
d’une part des sols agricoles et l’alimentation du bétail et
d’autre part de l'industrie chimique.
Les contributions anthropiques aux aérosols
(essentiellement des sulfates, du carbone organique, du
carbone noir, des nitrates et des poussières) produisent
globalement un effet de refroidissement sur le climat. La
courbe de la concentration en SO4 dans les glaces (Fig. 14)
est le reflet direct de sa concentration dans l’atmosphère. Sa
forme est si particulière qu’elle ne peut être corrélée à la
production d’aucun des combustibles fossiles. On admet
généralement une origine industrielle au soufre
atmosphérique, même s’il existe des incertitudes
considérables sur les quantités totales de SO2 émises (et de et
NOx d’ailleurs). On suppose que les émissions naturelles
représentent 25 à 50% des émissions totales de SO2.
Néanmoins, la brutale inflexion observable vers 1950 est en
accord avec la 2° rupture de pente du CO2 (Fig. 17) et
surtout avec l’explosion de la production des combustibles
fossiles. La diminution du taux de soufre dans l’atmosphère
depuis les années 90 est le fruit des efforts des pays dits
développés pour réduire leurs émissions, en Europe en
particulier.
4) Impact des GES sur la T° globale
Comment se traduisent ces évolutions des GES sur
la température? Avant de discuter le détail de la courbe
24/10/13
d’évolution des anomalies de température (écart à la
moyenne des températures de la période 1951-1980,
définie comme la normalité), précisons l’origine des
données utilisées dans les figures 16 et 17, qui sont
semblables à celles des différents rapports du GIEC pour
le XX° siècle : i) pour l’ère industrielle les courbes ont été
construites avec l’outil interactif du site web
http://www.woodfortrees.org. ; ii) le set de données HadCRUT,
qui couvrent la période la plus longue (en rouge), est issu
de 4349 stations de mesures de la température de surface
(un peu plus depuis 2006), fut publié pour la 1° fois en
1994 par P .D. Jones ; les actuelles versions HadCRUT3CRUTEM3 font place en 2012 à une version CRUTEM 4
(voir le site du Met Office Hadley Centre observations
datasets www.cru.uea.ac.uk) ; iii) la 2° longue série de
données de températures de surface moyenne de la
planète, GISTemp (en vert), provient de la NASA
(Goddard
Institute
for
Space
Study,
http://data.giss.nasa.gov/gistemp); iv) le set de données « UAH
satellite temperature » provient de l’Université
d’Alabama (http://discover.itsc.uah.edu),
site
interactif
permettant la reconstruction des variations annuelles de la
température ; les valeurs ne sont plus des mesures de la
température mais le résultat de calculs de la température à
partir de mesures satellitaires de la radiance du sol dans
différentes longueurs d’onde ; v) le set de données RSS de
Remote Sensing System provient des sondes MSU
Microwave Sounding Unit embarquées sur les satellites en
orbite polaire de la NOAA ; il s’agit là encore de mesures
indirectes de la température de surface.
L’avantage des mesures satellitaires est l’excellente
couverture (homogénéité des mesures) qu’elles offrent par
rapport aux réseaux de stations essentiellement
continentales (e.g. Fig.15). En outre, elles permettent de
déceler plus facilement les points chauds que produisent
souvent les activités humaines et donc de s’en affranchir,
reproche souvent adressé par les scientifiques critiques à
la communauté du GIEC. Hélas leur entrée en action est
récente (courbes bleue et violette) et ne permet pas de
couvrir l’ensemble des variations observées.
Fig. 15 : réseau des stations de mesures de la température de
surface, set de données HadCRUT.
Fig. 13-14 : Evolution de la concentration en N2O et en
SO4 depuis le début de l’ère industrielle
Noter que les ruptures de pente dans l’évolution de ces 2
GES ne sont pas simultanées
Etat en 2005. P. Brohan et al. Uncertainty estimates in regional
and global observed temperature changes: a new dataset from
1850. Les points verts représentent les stations abandonnées en
2005 ; bleus, les stations nouvelles ; rouges les stations faisant
l’objet de modifications mineures ; noirs, le reste des stations.
- 115 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 16a : Augmentation quasi linéaire de la température
de l’hémisphère Sud depuis 1930.
Hémisphère Sud
Fig. 16b : contraste avec le tracé en dents de scie de la
courbe de l’hémisphère Nord.
Hémisphère Nord.
http://data.giss.nasa.gov/gistemp/graphs_v3
Dans la figure 17, le set RSS a été pris en référence et les
autres courbes sont décalées pour offrir le meilleur « fit »,
respectivement de 0.12, -0.24 et -0.15°C pour UAH,
GISTemp et HadCRUT. En effet, chaque set ne prenant pas
la même valeur en référence pour le calcul de l’anomalie, il
est nécessaire de décaler les différentes courbes (offset).
24/10/13
i) l’avant,
ii) le démarrage du changement climatique,
iii) la rémission temporaire,
iv) la reprise du réchauffement, et peut-être
v) la 2° rémission …? temporaire …?
1 - Episode-1 : l’avant 1910-20. La température du XIX
siècle, moins froide que celle du XVIII° (Fig. 18a),
apparaît stable. Cette stabilité se poursuit jusqu’au
début du XX°, au Nord comme au Sud ; la
température n’augmente absolument pas avant 1910
(point 1 de la courbe Fig. 17, 1930 en hémisphère
sud), c’est à dire au moins 60 ans après la première
rupture de pente dans la courbe de concentration en
CO2 atmosphérique. Pourtant, la consommation de
charbon a régulièrement augmenté pendant ce temps!
Le ½ siècle est une durée bien trop grande pour
admettre que ce retard est simplement lié au temps
de transfert et d’homogénéisation du CO2 de
l’atmosphère, qui est de l’ordre de 10 ans. Cette
valeur de 10 ans est précisément le retard observable
au décollage de la courbe du CO2 de l’hémisphère
sud par rapport à celui de l’hémisphère Nord
producteur du CO2 anthropique. Faut-il supposer que
les conditions naturelles durant cette période sont
celles d’un refroidissement global qui masque le
forçage anthropique (l’effet de serre dû à l'homme)
débutant durant cette période ? Il faut aussi prendre
en compte de temps de saturation des puits de CO2,
assurant la soustraction du CO2 produit — passage du
réservoir atmosphère vers la géosphère (via l’océan ou
pas) — pour lequel nous avons noté le rôle clef de la
photosynthèse. Auront-ils mis 50 à 60 ans pour se
saturer, rendant alors seulement la hausse du CO2
observable, au nord d’abord, puis 10 ans plus tard au
sud ?
2 - Episode-2 : 1910-1945. Le changement climatique
démarre en 1910-1920 par une augmentation
régulière de la température jusqu’en 1945 (points 1
et 2 de la courbe Fig. 17, flèches rouges et pointillés
rouges). Ce démarrage en 1910 ne correspond à
La courbe de température concernant la période de
sortie du petit âge glaciaire n’est pas reportée sur la figure 17
page suivante. Il est en effet difficile de trouver pour les
XVIII° et XIX° siècles des illustrations cohérentes et d’égal
niveau de détail avec cette période récente dans la littérature.
Les courbes de températures sont le plus souvent Fig. 18a: courbes de température des rapports IPCC de 1990 et 2001
des reconstructions basées sur différents proxies, pour le dernier millénaire ;
pro parte des données sur les glaces et pro parte
des sets de données sur les cernes de croissances
des arbres. On se reportera donc pour cette époque
à la figure 18b tirée du 1° rapport du GIEC 2001 en
raison de sa cohérence avec les écrits historiques
plutôt qu’à la courbe en crosse de hockey du
rapport de 2007 (fig. 18a) objet de controverses.
Il est intéressant de noter (Fig. 16) que
l’augmentation de température de l’hémisphère sud
durant le XX° siècle a été beaucoup plus linéaire
que celle de l’hémisphère nord, qui marque de son
empreinte la courbe d’évolution globale (Fig.17).
Le rôle, naturel ( ?), anthropique ( ?), et à quel
degré ( direct? Indirect ?) des masses continentales
dans les changements climatiques pourrait donc
être essentiel.
1) Courbe en crosse de hockey, modèle 2001,
Dans la figure 17, on peut placer sur la
courbe des températures globales au moins 3 points
d’inflexions (voire 4, flèches rouges) et
décomposer ainsi la courbe des températures en 4
périodes, voire 5 (?) :
2) Courbe du premier rapport du GIEC
- 116 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig. 17: Courbes d’évolution des GES, actualisées sur http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/iadv/, de la production de combustibles
fossile, des caractéristiques solaires, de la température et du niveau de la mer.
- 117 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
aucune des 2 ruptures de pente dans l’évolution des
GES (CO2 en particulier, flèches violettes Fig. 17), ni
à une augmentation brutale de la consommation des
ressources fossiles, dont l’inflexion se situera plus
tard (vers 1960, Fig. 17). Il faut donc admettre que le
forçage anthropique a dû augmenter lentement de
manière continue durant l’ensemble des périodes 1 et
2. Si l’hypothèse émise pour l’épisode 1 d’un
masquage du forçage anthropique pendant que les
GES émis croissent lentement jusqu’à ce que la
saturation du puits de CO2 ait été atteinte (fin de la 1°
période) est valide, on peut s’attendre à ce que toutes
nouvelle augmentation de GES se traduise ensuite
(épisode 2) par une montée de la température, ce qui
est la cas. Si l’hypothèse d’un masquage du forçage
anthropique durant l’épisode 1 par des conditions
naturelles de refroidissement global est valide,
sachant que le forçage anthropique a dû augmenter
lentement durant les 2 épisodes, l’augmentation de
température en 2° période suppose que les conditions
naturelles se sont modifiées — diminution ou arrêt du
refroidissement naturel global, voire réchauffement — de
telle sorte qu’elles cessent de masquer le forçage
anthropique, et donc la température augmente.
Fig. 18b: courbes des anomalies de température globale
(en °C), définies par rapport à la tempéraure moyenne d’une
année prise en référence. Les différentes courbes, HadCRUt,
GISTemp, UAH et RSS sont présentées ici avecun offset
permettant le meilleur fit avec
la moyenne WTI
(WoodForTrees Index) GISTEMP,-0.35, HADCRUT3VGL,0.26, RSS,-0.10, UAH
Réactualisez la figure avec le calculateur du Woodfortree.org
http://www.woodfortrees.org/plot
consommation des ressources naturelles de la figure
17 durant les épisodes 3 et 4. On observe que
l’augmentation brutale de la consommation en 1960
est synchrone de celle de la concentration du CO2
atmosphérique. Par contre, si la pente de la courbe de
consommation tend à s’amortir vers 1985, celle du
CO2 continue sons ascension régulière. Néanmoins,
la pente de la consommation reste considérablement
plus forte ici que durant la première période de
réchauffement. L’augmentation de CO2 —rappelons
3 - Episode-3 : 1945-1975. Entre les points 2 et 3 de la
courbe de température de la figure 17, la température
marque un palier, voire un léger abaissement.
L’évolution durant cet épisode est donc similaire de
celle de l’époque relativement froide ante-1910.
Pourtant, le point d’inflexion commun aux courbes de
teneur en CO2 et de consommation des ressources
fossiles est franchi vers 1955-1960, avec une rupture de
pente très marquée pour le CO2, GES majoritaire (hors
l’eau). En outre, durant cette période, l’injection de
méthane dans l’atmosphère continue à s’accroître
massivement, jusqu’en 1985. Il devient difficile de
rejeter l’hypothèse de variations significatives des
conditions naturelles, à nouveau orientées vers le
refroidissement — voire encore plus froides que durant la
qu’elle correspond à un modèle d’accélération constante
— est aussi beaucoup plus forte durant ce second
épisode de réchauffement que durant le premier.
Devons-nous alors supposer que le forçage
anthropique est devenu tel qu’il dépasse le masquage
envisagé précédemment ? Le masquage naturel s’estil effondré parce que les conditions climatiques
naturelles sont redevenues moins froides ? Durant les
2 épisodes de réchauffement observés, les conditions
climatiques naturelles ont-elles seulement cessé de
masquer le forçage anthropique ou ont-elles
contribué au réchauffement ? Le forçage anthropique
n'est-il qu'une fraction, significative et dans quelle
mesure, des changements observés?
période historique ante-industrielle indemne de forçage
anthropique — et masquant complètement le forçage
anthropique qui pourtant se renforce progressivement.
Parmi les gaz suivi dans la figure 17, seul le soufre
pourrait avoir un effet de refroidissement (Noter que les
aérosols dispersés par nos industries contribuent aussi à
refroidir l’atmosphère). Mais, outre le fait que la courbe
du SO4 est mal expliquée, la contribution du soufre
atmosphérique reste marginale.
4 - Episode-4 : 1975-1998 ? Après 1975, la courbe des
températures est repartie à la hausse régulière, au moins
jusqu’en 1998 (la dernière décennie paraît à nouveau
échapper à la hausse, voir plus loin). La pente moyenne
de ce 3° épisode est un peu plus forte que celle de la
période 1910-1945 ; l’interprétation de ces 2 segments
de
la courbe donne 0.014°C.a-1 et 0.018°C.a-1
respectivement44. Regardons l’enveloppe de la
44
Notez que la courbe utilisée donne une moyenne de
0.007°C a-1, conforme à la valeur communément admise
(IPCC = Intergovernmental Panel on Climate Change) de
0.6° pour le XX°siècle. Remarquez aussi qu’une telle
moyenne n’a aucun sens au regard des valeurs obtenues pour
les épisodes de réchauffement, au moins deux fois
24/10/13
5 - Un Episode 5 de moins en moins hypothétique ? En
1998 pourrait avoir commencé un second palier dans
le réchauffement. La durée d’observation, à peine
égale à 15 ans est petite et il convient de rester
prudent. La figure 18b présente les sets de données
retenus dans la figure 17 durant cette période
inachevée. L’anomalie, est de valeur faible (0° à
0.3°C sauf en 2010) et quasi constante depuis 1999.
Rappelons qu’il s’agit de l’écart entre la moyenne
annuelle et une année prise en référence. la
température moyenne annuelle globale ans est donc
la même depuis plus de 10 ans. Cela veut-il dire que
le réchauffement climatique est terminé ?
supérieures, épisodes heureusement entrecoupés de
périodes « sans réchauffement ».
- 118 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Rien n’est moins sûr, car si l’augmentation de
température a effectivement cessée pendant cette décennie,
ces années sont restées les plus chaudes que l’on ait connues
et la teneur en CO2 a continué à croître… Il apparaît donc
intéressant de comparer l’accumulation du CO2 dans
l’atmosphère, non pas à la courbe de température dans le
temps — donnée in figure 17 ou ci-après (figure 19a), anomalie
24/10/13
Fig19 a : 1882-2009, courbe de l’anomalie de température
(par rapport à la moyenne de 1900-2001)
annuelle tirée de la table de la NOAA annexe) en moyenne glissante
sur 5ans — mais à l’accumulation de l’anomalie résiduelle de
température (voir ci-après) dans le temps, calculée à partir
des valeurs de la NOAA, comme suit :
Dans cette table, l’anomalie moyenne mensuelle
présentée est la différence entre la température
moyenne mensuelle et la moyenne globale pour la
période 1900-2001 ;
Afin de comparer entre elles les évolutions de ces
anomalies mensuelles (de janvier à décembre), nous
avons d’abord calculé l’anomalie résiduelle mensuelle
— différence entre d’anomalie mensuelle et l’anomalie
minimum du même mois pour la période 1880-2011 —
puis nous avons cumulé les résidus de chaque mois.
La figure 19b présente l’anomalie résiduelle cumulée
versus la concentration de CO2 atmosphérique sur le
Mona Loa à Hawaï pour la période 1959-2009
(valeurs fournies par la NOAA, in Fig. 11b et 11d).
La valeur du coefficient corrélation de la régression
linéaire entre les deux variables pour cette période 19592009 est de 0.9977, confirmant que les deux courbes (non
montrées) sont presque parfaitement homothétiques, faisant
disparaître les paliers de température 1960-1975 et 20002010. Au regard de ce résultat, on est donc tenté d’attribuer
au CO2 atmosphérique la totale explication de notre anomalie
de température résiduelle cumulée. Inversement, cette
anomalie cumulée devrait donc constituer un bon proxy de la
concentration en CO2 de l’atmosphère. La figure 19c en
présente le résultat : elle compare les valeurs de CO2
calculées avec ce proxi aux valeurs tirées des glaces de
l’Antarctique pour la période 1882-1959. Si les valeurs
calculées du CO2 pour la période 1959-2009 (courbe verte)
sont en parfait accord avec les valeurs mesurées (courbe
bleue) — homothétie parfaite — il n’en est pas du tout de
même pour la période antérieure, 1882-1958. Si, comme
nous l’avons souligné, le résultat obtenu efface bien les
paliers de température observés dans les figures 17 ou 20a, il
ne rend pas compte du changement de courbure observé vers
1950-1960 chez la concentration de CO2. Une même
variation de CO2 aurait-elle eu un impact très différent avant
et après cette période charnière ? Pourquoi ? Pourquoi
malgré un accroissement continu des GES depuis 10 ans le
forçage anthropique le plus puissant à ce jour est-il illisible
sur les courbes de température moyenne globale ces 10
dernières années, comme il l’a été pendant 30 ans de 1945 à
Fig19 b : 1959-2009, CO2 vs anomalie de température
résiduelle cumulée (moyenne annuelle)
Fig19 c : 1882-1959, teneur en CO2 calculée avec le proxi de
la température résiduelle cumulée, en vert
1975 ? Quelle est la contribution réelle du forçage
anthropique dans les variations climatiques ? La question
est complexe, que des modèles comme ceux de l’IPCC
(GIEC) visent a éclairer.
Ces modèles climatiques (Fig. 20) sont utilisés
pour simuler les changements de température dus à la
fois à des causes naturelles et à des causes anthropiques.
Les simulations sont représentées par la bande grise, la
courbe rouge est celle des températures :
a) les modélisations sont effectuées avec les forçages
naturels seulement, c'est-à-dire en ne prenant en
compte que l’impact des variables naturelles, dont
par exemple la variation du rayonnement solaire et
de l'activité volcanique.
b) les simulations sont effectuées avec les forçages
anthropiques, tenant compte des GES et des aérosols
sulfatés (estimation). Si le début du siècle semble
assez bien modélisé, il est à remarquer que les
Fig. 20 : modèles de réchauffement IPCC
- 119 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
valeurs des températures obtenues pour les deux
modèles a) naturel pur et b) anthropique seul, se situent
en dessous de la courbe des températures observées (en
rouge) pour la seconde moitié du 20°siècle.
c) On parvient en combinant les deux modèles (en faisant
varier les proportions des 2 forçages comme suggéré
dans nos 4 périodes) à caler l’ensemble sur la courbe
des mesures. La prédiction serait-elle à notre portée ?
Nous avons vu que la courbe des températures
moyennes subit une inflexion forte suggérant qu’il y a peutêtre eu vers 1998 (point 4 de la Fig. 17 et Fig. 18b) un point
d’inflexion marquant l’entrée dans une nouvelle période
d’arrêt de l’augmentation de la température, comparable à la
période 1945-1975. Certes la courbe de la concentration en
méthane dans l’atmosphère s’était amortie progressivement
depuis 1985, mais celle du CO2 continue sa croissance
régulière et aucun modèle ne prévoyait un tel palier… Alors
il n’y a bien sûr pas consensus sur cette inflexion. Et la
querelle fait rage, entre « climato-sceptiques » partisans
d’une contribution anthropique somme toute modérée — et
largement modulée par les processus naturels, mal identifiés peutêtre — et tenants du tout anthropique.
De fait, l'approche de ces processus très complexes
nous a déjà montré combien l’interaction des nombreux
paramètres rend la prévision délicate, jusque dans le choix
des sources de données. Ainsi, comme le soulignent nombre
de sceptiques — tel le polémique C. Allègre (2007) mais aussi le
très documenté ouvrage de Hacène Arezki (2011) — les
moyennes à l’échelle de la planète sont difficiles à établir en
raison de l’importance de la variabilité horizontale et
verticale de la température dans la troposphère et de
l'impact de l'urbanisation sur les continents qui doit
nécessairement être pris en compte. A ces difficultés de
sélection des données, s'ajoute i) le choix peut-être parfois
discutable, et discuté, de quelques contributions au travail
d'évaluation du GIEC —par exemple des travaux de la WWF ou
de l’ICIMOD (International Centre for Integrated Mountain
Development Hinu-Kush/Himalaya http://www.icimod.org qui
produisent une littérature dite "en demi-teinte" ; on appelle ainsi
des rapports qui n’ont pas été évalués par des revues
internationales à comité de lecture — et ii) un contrôle, qui
n’est pas sans faille, des chiffres publiés qui sont parfois
faux et alors l'objet de polémiques.
Conscients de ces défauts avérés, l'ONU et le GIEC
ont demandé en 2010 une expertise des méthodes utilisées
au Conseil Inter-Académique45 (10 institutions dans le
monde). Parmi les principales remarques formulées par
l’IAC, — tirées de la version française du « Report New
release » sur le site de l’IAC, en bleu ci-après — il en est qui
permettent sans doute de mieux comprendre le débat, trop
vif et même parfois insultant, souvent mal argumenté,
soulignons:
45
Fondé en 2000, l’IAC a été créé pour mobiliser les
meilleurs scientifiques et ingénieurs autour du monde, afin
de fournir un conseil basé sur des preuves aux institutions
internationales telles que les Nations Unies et la Banque
Mondiale -- incluant la préparation sur demande d’études
spécialisées validées par des pairs. Le secrétariat de l’IAC se
tient à l’Académie royale des Pays-Bas des Arts et Sciences,
à Amsterdam.
http://reviewipcc.interacademycouncil.net/ReportNewsReleaseFrench.html .
24/10/13
1 - La « réponse lente et inadéquate du GIEC aux
révélations d’erreurs dans la dernière évaluation",
ainsi que "les plaintes sur le fait que ses dirigeants
ont outrepassé le mandat du GIEC pour être en
conformité avec la politique au lieu de prescrire la
politique dans leurs commentaires publics ».
2 - L’échéance fixée à la position de directeur du GIEC,
dont « la limite actuelle de deux mandats de six ans
est trop longue. Le président du GIEC et le directeur
exécutif, ainsi que les coprésidents des groupes de
travail, ne devraient pouvoir remplir qu’un mandat
de façon à maintenir une variété de perspectives et
une approche neuve pour chaque évaluation. »
L’IAC ajoute qu'il faut « développer une politique
rigoureuse sur les conflits d’intérêt, applicable à
toute la haute direction du GIEC et à tous les
auteurs, aux éditeurs de révisions, et au responsable
de direction quant au contenu du rapport ». Il s'agit
donc bien d’éviter la mainmise de groupes d'intérêt
sur la rédaction des rapports du GIEC.
3 - L'IAC affirme « qu’une exécution plus poussée des
procédures de passage en revue pourrait minimiser
le nombre d’erreurs. À cette fin, le GIEC devrait
encourager les éditeurs de revue à exercer
pleinement leur autorité pour assurer que tous les
commentaires du passage en revue soient pris en
considération de façon adéquate. Ces éditeurs de
revues devraient également assurer que les
controverses authentiques sont bien reflétées dans
le rapport, et obtenir satisfaction pour qu’une
considération appropriée soit donnée aux visions
alternatives correctement documentées. Les auteurs
de vérification devraient explicitement documenter
que la gamme complète des points de vue et
réflexions
scientifiques
a
été
prise
en
considération. » L’IAC souligne aussi « l’utilisation
de la littérature dite en demi-teinte provenant de
sources non publiées ou non examinées par des pairs
a été controversée, bien que souvent de telles
sources d’informations et de données soit valables et
appropriées pour être incluses dans le rapport
d’évaluation… …les auteurs ne suivent pas les
consignes du GIEC pour l’évaluation de telles
sources ». Il a donc recommandé que ces consignes
soient « rendues plus spécifiques »
et soient
« strictement appliquées, afin d’assurer que la
littérature non publiée et non examinée par des pairs
soit répertoriée de façon appropriée ». On voit donc
ici que le contenu de certains articles utilisés ne
tenait pas compte des critiques scientifiques que leur
avaient fait les comités de lecture des revues
auxquelles ils ont été soumis. On comprend aussi
que des avis divergents ont été occultés. Quant-à la
littérature en demi-teinte elle est qualifiée de souvent
(donc pas toujours) valable et appropriée. Voilà bien
ce que, suivant E. Morin on pourrait qualifier
d’« usage dégradé de la raison »…
4 - L'IAC appelle enfin à plus de cohérence entre les
différents groupes de travail dans la caractérisation
de l’incertitude. Il dit du rapport du groupe de
travail II, pris en exemple qu’il « contient beaucoup
de déclarations qui se sont vues attribuer un niveau
de confiance élevé mais pour lesquelles il y avait
peu de preuves. »
- 120 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 21 a-b: Températures du Groenland reconstruites à partir
des isotopes de l’azote et de l’Argon :
vers la fin du XVI° jusqu’au milieu du XVII° et dont
le recul entrecoupé d’avancées a commencé vers
1750. Lire MC - Atm - climato - Glacier - Rondeau.htm. Des
réchauffements plus anciens, du même ordre de
grandeur que l’optimum médiéval, ne sont pas à
exclure. Ainsi, ont été mises au jour par des
archéologues à des latitudes élevées (Champagne,
région Parisienne, Angleterre) des alignements de
fosses rectangulaires gallo-romaines semblables à ce
que l'on retrouve sur des sites de vignes galloromaines du Sud de la France. Selon l’auteur de ces
découvertes récentes pour la Champagne, S.
Chevrier de l’Inrap (2009), il s’agit bien de vigne,
« les dimensions réduites des fosses permettent
d'exclure l'hypothèse d'un verger. Le « fantôme » de
petit arbuste observé dans la terre de remplissage a
la taille d'un pied de vigne ».
a) période 1750-1989: in Kobashi et al., “Observed (blue) and
reconstructed (red) Greenland temperature records. The observed
record is a compilation of records from llulissat, Nuuk, and
Qaqurtop located along the south and west coast of Greenland
(Vinther et al. 2006).”
b) période 1000-actu: “Thick blue line is mean of results of
Monte Carlo simulation, and thin blue linesare error bands (1σ).
Red line is a smoothed temperature history (50-year running
mean)”
On voit combien il est essentiel de présenter dans un
poly les différents points de vue.
Concernant l'évolution de la température dans le
temps, on comparera (Fig. 18a) les courbes de températures
qui figurent dans les 2 rapports IPCC de 2001 (courbe a) et
de 1990 (courbe b). Celle de 2001 (connue sous le nom de
courbe en crosse de hockey), due à James Hansen du
Goddard Institute, ne montre plus le pic de chaleur des XI°
au XIII° siècles bien marqué dans celle de 1990. Pourtant,
cet « optimum médiéval » paraît être d’échelle comparable
au réchauffement actuel :
1 - On connaît à cette époque l’épopée Viking au « Pays
Vert46 », la floraison de roses en Janvier et la vigne
cultivée dans le nord de l’Angleterre. La disparition la
vigne anglaise fut liée d’abord au mariage en 1124 du
futur roi d’Angleterre Henry II avec Aliénor
d’aquitaine, qui apporta en dot la région viticole déjà
très développée des vins de Bordeaux. Mais cette
disparition temporaire47 est aussi liée au
refroidissement climatique global (connu sous le nom
de « Petit âge glaciaire ») qui atteint son apogée trois
siècles plus tard. Cette période froide est elle aussi
parfaitement documentée dans les archives
européennes : replis des Viking devant l’invasion des
glaces ; difficultés agricoles de toute l’Europe ;
avancée des glaciers alpins qui menacent des villages
24/10/13
2 - Le fort bruitage observé sur les rapports isotopiques
de l’oxygène dans les échantillons de glace de
subsurface du Groënland (GISP2) ne permet pas
d’exploiter le proxi 18O/16O en dessous de 10K.ans
BP. Aussi, T. Kobashi et al. (2009) ont utilisé les
rapports de l’azote (15N/14N) et de l’argon
(40Ar/36Ar). Grace à ceux-ci, outre des périodicités
pluridécennales dont nous retrouverons des
équivalents dans l’étude des interactions océanatmosphère (Chp 5 §E), les auteurs ont reconstruit
l’augmentation de température de la période 19001950, jusqu’à -30°C environ au Groenland, puis la
décroissance de 1950 à 1975 (fig. 21a).
3 - Plus en avant dans le temps, cette étude confirme la
réalité au Groenland du petit âge glaciaire entre 1700
et 1800 et de l’optimum médiéval vers 1100 (Fig.
21b), confirmant ainsi que les caractéristiques
climatiques tirées de la littérature historique
européenne ont une représentativité plus large,
probablement extensibles à l’hémisphère nord au
moins.
Nous sommes sortis du dernier épisode
climatique froid (le Dryas, lire MC - Atm - climato - Dryas Rondeau.htm) vers 11000 ans BP (Fig. 21c) de manière très
brutale. On observe une remontée jusqu’à des
Fig.21c : Courbe des températures construite à partir des
isotopes des gaz des bulles dans les glaces,
Données NOAA, GISP 21° valeur : 95 ans BP, T° -31.59°C
ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/paleo/icecore/greenland/summ
it/gisp2/isotopes/gisp2_temp_accum_alley2000.txt
46
Il ne faut pas imaginer que la calotte glaciaire avait
disparue ! Tout au plus les conditions étaient-elles telles que
plusieurs centaines d’humains pouvaient y vivre de
l’agriculture et de la pêche.
47
La vigne fut réimplantée en Angleterre en 1945. Elle
comptait 25 vignobles en 1967 et plus de 300 en 1986
d’après l’English Wineyard Association.
- 121 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
températures ½° à 1°C plus chaudes qu’actuellement — voir
24/10/13
Fig. 22a : Recul des glaciers dans le monde depuis 5 siècles.
à l’extrême gauche de la figure, la remontée et le maximum vers 9000 ans ; il faisait au Groënland -30° à -29.5°C, contre -30.5
actuellement — suivie d’une lente descente pendant 5000 ans
avec des pointes à presque 2°C de plus qu’aujourd’hui,
mais aussi des périodes très froides à presque 3°C de
moins. Ensuite la température remonte jusque vers -3000
ans avant de redescendre lentement, jusqu’au petit âge
glaciaire. La courbe se termine par la remonté actuelle (en
rouge Fig. 21c). La lente descente vers le petit âge glaciaire
est entrecoupée de plusieurs épisodes plus chauds que la
moyenne de l’époque (en vert dans la figure), mais aussi
plus chauds qu’aujourd’hui pour les 2 premiers (optimum
minoen et optimum romain) ou aussi chaud (optimum
médiéval). A défaut de données disponibles pour cette
période pour le Groënland, les valeurs de la teneur en CO2
atmosphérique utilisées ici (Fig. 21c en bas) sont celles des
bulles de glace de l’Antarctique (programme EPICA,
European Project for deep Ice Core drilling in Antarctica).
Noter que durant toute la durée de l’Holocène la
concentration en CO2 décroît d’abord un peu puis remonte
lentement, sans aucune corrélation avec les variations de
températures, certes de l’hémisphère nord, mais de
plusieurs degrés d’amplitude…
Ainsi restitué dans le contexte général des
températures de l’hémisphère nord depuis la sortie du
glaciaire, le réchauffement du XX° siècle est considéré par
nombre de chercheurs, dits « climato-sceptiques », comme
le démarrage d’un nouvel évènement chaud, qui doit être A
PRIORI considéré comme comparable aux précédents. Les
valeurs de température fournies par la NOAA que nous
avons tenté d’exploiter dans les figures 18-19 ne
contredisent pas une telle hypothèse. On observe en effet
que le cumul des anomalies résiduelles de température sur
la période 1882-2009 n’est pas réparti de manière
homogène sur l’année mais qu’il pourrait exister une
différence saisonnière dans l’augmentation de la
température globale de la Terre. La figure 21d montre que le
cumul des anomalies est plus fort pour la période hivernale
que pour la période estivale ; ce phénomène est en plein
accord avec l’évolution actuelle des paramètres de
Milankovitch (cf. §F.4.b, « Les changements cycliques du
climat »), diminution de l’ellipsité de l’orbite de la Terre,
diminution de l’angle du cône de précession qui tendent à
amoindrir le contraste été-hiver.
Un autre aspect souvent abordé dans le débat
climatique est le recul de la banquise et des glaciers
continentaux en de nombreux points du globe (lire MC - Atm climato - Glacier - Rondeau.htm). Ce recul est un indice essentiel
de l’augmentation de la température. Faut-il considérer que
les 2 sont liés au CO2 anthropique, comme l’illustrerait alors
la corrélation entre anomalie résiduelle cumulée et
Fig. 21d : évolution de l’anomalie résiduelle cumulée
de la température pour la période 1882-2009,
pour chacun des mois de l’année
concentration de CO2 (Fig 19b) depuis les années 60 ?
La figure 22a confirme l’accélération du recul qui,
lorsqu’elle est observable, se produit vers 1930, donc en
même temps que la rupture de pente sur la courbe
d’élévation du niveau marin dans la figure 17, soit 10 ans
après la 1° rupture de pente de la courbe des températures.
Les ruptures de pente majeures du CO2 (Fig. 17) et de
production d’hydrocarbures (Fig. 17) se produiront 30 ans
plus, vers 1960… CO2 est-il « la » cause du changement
climatique ? Plus globalement, le recul des glaciers
continentaux apparaît même très antérieur à cette
accélération. Pour 6 glaciers (pour lesquels la figure nous
présente des observations plus anciennes que 1850) le
recul commencerait avec la sortie du petit âge glaciaire,
bien avant la période industrielle. Le Vatnajökull (Islande)
avançait et 2 glaciers alpins, L’Argentière et le
Grindelwald, étaient stables. Par contre, les glaciers du
Rhône et le Franz-Joseph (Nouvelle Zélande) étaient déjà
clairement en recul. Le recul des glaciers peut donc être
considéré comme un phénomène plus ancien que le début
de l’accumulation de CO2 industriel, mais accéléré depuis
1930.
C. Vincent.et al. (2005) ont montré (fig. 22b)
qu’en fait, pour les glaciers alpins, il n’y a pas de
corrélation entre le recul et la température, la cause du
recul résidant dans une modification de la pluviosité et des
chutes de neige. Pour ces glaciologues du Laboratoire de
Glaciologie et Géophysique de l’Environnement de
- 122 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 22b : non corrélation entre longueur des glaciers alpins
et température estivale
Grenoble le paradoxe du recul généralisé des glaciers alpins
à la fin du Petit Age de Glace il y a 150 ans résulterait donc
d’une diminution de plus de 25% de la précipitation neigeuse
hivernale, alors que les températures estivales restaient
stables. Par contre l’accélération du recul des glaciers durant
la seconde partie du XX° siècle pourrait, elle, peut-être
résulter directement de l’augmentation de la température
observée ? Mais si cette accélération semble bien
correspondre au changement de pente de la remontée du
niveau marin, elle ne correspond pas à la 1° rupture de pente
du CO2 et elle est antérieure de 30 ans à l’accélération de
l’exploitation massive des combustibles fossiles et au 2°
changement de pente de la courbe du CO2 (2° point de
rupture). D’une manière globale, le problème de la fonte des
glaces n’est pas encore parfaitement bien compris.
Dans les années 1990, dans l’hémisphère nord, le
recul de la banquise et la fonte de l’inlandsis groenlandais
sont devenus incontestables et rapides (Fig. 22c-1, courbe
Fig. 22c-1 : Recul de la banquise Arctique (courbe noire) et
de l’inlandsis Antarctique (courbe verte)
24/10/13
Fig. 22d: taux de variation de l’altitude de la surface
glaciaire antarctique (dS/dt);
mesures radar altimètre effectuées de 19920 2003 over the
Antarctic Ice Sheet. Triangle = Zone de front de glace
fortement (30 cm/an) aminci (bleu) ou épaissi (rouge).
noire), avec une phase d’accélération marquée de cette
fonte entre 2003 et 2007. La période 2008-2010 marque
une reconstitution partielle de la banquise et 2011 un
recul comparable à celui de 2007. 2012 établit un
nouveau record. Le recul par rapport à la moyenne 19792000 est de l’ordre de 10% en hiver et de 25 à 50% en
été. Les courbes annuelles des moyennes décennales
(Fig. 22c-2) montrent clairement un approfondissement
du minimum estival et, pour l’heure la quasi stabilité de
l’extension hivernale. En vert dans la figure 22c-1, la
surface de la calotte Antarctique montre une légère
augmentation depuis 10 ans environ. Si sa fonte n’est pas
d’actualité, les bilans effectués pour l’antarctique ces
dernières années par les équipes du GIEC (Davis et al.
2005 ; Zwally et al. 2006) a permis de montrer que les
bilans locaux peuvent être positifs ou négatifs (Fig. 22d).
Les variations sont faibles et leur amplitude est du même
ordre que l’erreur liée à la mesure. Il faut donc les
surveiller de très près en fonction de l’évolution à venir
du climat. Elles signifient en effet que, pour l’heure, la
contribution de l’antarctique à l’élévation du niveau
marin est négligeable, mais elle pourrait ne pas le rester
si la température terrestre devait augmenter.
La conséquence majeure du recul des glaciers
réside dans la remontée du niveau marin. La déglaciation,
débutée il y a 19 000 ans (sortie du Dryas), s'est produite
en plusieurs stades entrecoupés de refroidissement
relativement brefs, que les chercheurs observent, e.g. sur
les coraux des Barbades, e.g. sur les coléoptères de
Grande-Bretagne, e.g. ou dans l’étude des rivages. Au
plus froid de la dernière glaciation, le niveau moyen des
mers était 120-130 m plus bas qu’aujourd’hui (Fig. 23a).
Deux accélérations se produisent lors de la remontée, vers
14 000 ans BP ('meltwater pulse') et vers 11 500 ans BP.
http://www.ijis.iarc.uaf.edu/en/home/seaice_extent.htm
Fig. 22c-2- courbes de la surface de glace Arctique
http://www.ijis.iarc.uaf.edu/en/home/seaice_extent.htm
Fig. 23a: élévation du niveau de la mer depuis le dernier
maximum glaciaire;
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Post-Glacial_Sea_Level.png.
data from Fleming et al. 1998, Fleming 2000, & Milne et al.
- 123 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 23b : -1 élévation du nieau de la mer à l’holocène
24/10/13
Fig. 23c-d: élévation du niveau de la mer depuis 1000 ans,
d’après Behre K.E., 2003
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Post-Glacial_Sea_Level.png.
data from Fleming et al. 1998, Fleming 2000, & Milne et al.
2005
Le premier ne dure pas plus de 1000 ans mais présente une
vitesse de remontée de plus de 30 mm/an ! Le second dure
2000 ans et sa vitesse moyenne de remontée est de l’ordre de
20 mm/an48. Le réchauffement très court (à peine 500 ans)
autour de 12700 ans a été lui aussi très brusque : en moins
d'un siècle, la température estivale est remontée de 15°C,
rejoignant pratiquement le niveau actuel des températures. A
l’échelle des observations présentées ici (Fig. 23b), la
remontée devient lente vers 7000 BP (5 à 6 m) puis le niveau
de l’océan mondial apparaît stable depuis 2000 ans environ.
http://co2thetruth.e-monsite.com/rubrique,montee-des-mers,404968.html
d) élévation de 1992 à nos jours
Néanmoins, les travaux de détail sur l’évolution du
trait de côte et des paysages — e.g. L. Visset & J. Bernard,
2006, paléo-anthropo-palynologie sur le littoral breton ; K.-E.
Berhe 2003 du Niedersächsisches Institut für historische
Küstenforschung sur le littoral de Basse Saxe — suggèrent que
le niveau moyen des mers n’a jamais cessé de remonter, du
moins dans les zones d’études concernées durant cette
dernière période. D'après K.-E. Berhe, le facteur essentiel
dans la modification du trait de côte de Basse Saxe est bien la
fluctuation de la remontée du niveau marin et il présente
(Fig. 23c) une reconstruction des variations du niveau
maritime
basée sur des observations archéologiques,
géographiques, géologiques et botaniques. La courbe, valable
pour la mer du Nord, permet de tirer des conclusions
intéressantes :
1 - Des hausses et des baisses de niveau marin très
rapides ont eu lieu notamment ces derniers 1000 ans,
pouvant atteindre 4, voir 8 millimètres par an ;
2 - Ces valeurs importantes sont encadrées par une
montée moyenne de 1 mm/an depuis 3000 ans.
A l’échelle globale, la courbe d’élévation du niveau
marin présentée par le GIEC 2007 (Fig. 17) ne débute pas
avant 1870. Mais elle montre elle aussi des variations de la
vitesse de remontée, à savoir :
1 - Le montée du niveau marin est positive dès le début
de la courbe présentée ; une élévation régulière est
mesurable (0.9 mm /an) pour la période 1870-1920.
Celle-ci est compatible avec l’évaluation moyenne de
Berhe ;
2 - une accélération brutale apparaît (rupture de la pente)
vers 1930 ;
48
Noter que les coraux ont survécu à la remontée rapide du
niveau de l’océan, y compris aux accélérations les plus fortes
(3m/siècle !), rendant sans objet les craintes de voir mourir
ceux des Maldives et autres récifs coralliens à cause de la
remontée actuelle (20 cm à peine en 1 siècle).
http://sealevel.colorado.edu/
3 - postérieurement à 1930, on peut distinguer quatre
segments témoignant d’une remontée en quatre
épisodes plus ou moins rapide, 2.4 mm/an puis 2.1
puis 3.5 à 3.7 mm /an et enfin 1.9 mm/an.
Ces pentes, reportées dans la figure 23c,
confirment les conclusions tirées de la figure de K. E.
Berhe. Il conviendrait de rechercher d’autres études
archéologiques pour confirmer la cohérence des valeurs
modernes de remontée avec celles de K. E. Berhe. En
2013, N. Scafetta conduit une approche graphique des
variations de l’accélération de la remontée du niveau de la
mer tantôt positive et tantôt négative, confirmant ainsi les
travaux de Becke, et il observe la coïncidence de ces
variations avec la période de quasi 60 ans de l’AMO et de
la PDO et de la NAO (voir Chp5.E.4, couplages océanatmosphère). La courbe du niveau marin depuis 1992
montre que l’élévation continue, autour d’une moyenne
régulière sur cette période, mais avec des variations de
pente du même ordre de grandeur que celles citées plus
avant.
On a admis longtemps que 50% de l’élévation du
niveau des mers au cours du XX° siècle (période de recul
maximum des glaciers) étaient dus à la dilatation
thermique de l’océan et 50% dus à la fonte des glaciers
(voir Eustatisme § E6). Donc, durant les décades plus
froides, 1870-1920, 1945-1975, non marquées par une
augmentation de la température (Fig. 17), l’essentiel du
signal aurait dû correspondre au recul des glaciers. Mais
alors, le recul ante-industriel des glaciers ou l’élévation du
niveau marin durant ces épisodes froids se trouvait en
contradiction avec la courbe des températures moyennes,
stables voire décroissantes pour ces périodes. On admet en
2012 que l’essentiel de la hausse du niveau marin serait
causé par la fonte des glaciers (voir § E6).
- 124 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 24 : Reconstruction des précipitations estivales à partir des cernes des
arbres.
Cette remontée actuelle du niveau marin est bien sûr
l’objet d’une forte inquiétude car elle risque d’induire des
catastrophes et des déplacements massifs de populations. Il
en fut ainsi en lors de l’évènement de « vimer » Xynthia qui
endeuilla la façade maritime française en février 2010. Un
vimer est une submersion marine liée à la conjonction
d’évènements cycliques, des marées d’exception — les
coefficients >110 sont des évènements pluriannuels classiques des
équinoxes — avec des épisodes climatiques accidentels (mais
bien sûr saisonniers) tels que des queues de cyclones qui
viennent mourir de ce côté de l’Atlantique ou des tempêtes
hivernales balayant l’ouest-européen. De telles dépressions
engendrent une onde de tempête dont la hauteur conduit à
une surcote de l’onde de marée pouvant dépasser plusieurs
mètres. La cote atteinte dans le cas de Xynthia, tempête +
marée, a été de 7m à 7.3 m ZH (au-dessus du Zéro
Hydrographique), soit une altitude de 3.5 à 3.8 m NGF
Fig. 25: Coupes NS de l’atmosphère après 1 siècle d’effet
de serre (XX°), comparaison entre modèle et réalité:
1) le modèle de températures, GIEC 2007, Chp 9 Fig. 9f,
sum of all forcings : (a) solar forcing, (b) volcanoes, (c) wellmixed
greenhouse gases, (d) tropospheric and stratospheric ozone changes, (e)
direct sulphate aerosol forcing.
24/10/13
(Nivellement Général de la France). L’histoire
locale des côtes basses en Europe rapporte 22
tempêtes dépassant force 10 sur l’échelle de
Beaufort pour les 5 derniers siècles, avec une
fréquence variable, et donc hélas le temps
d’oublier. On comprend l’inquiétude des
riverains, habitant parfois à des cotes NGF
négatives, qui se voient devoir affronter un
réchauffement risquant de se traduire par des
décimètres, voire des mètres, de montée du
niveau marin.
Dernières inquiétudes liées à l’augmentation des
températures durant le XX° siècle, la fréquence et la
violence des cyclones — dont nous discuterons plus loin
l’évolution avec l’étude des océans (§D2), — et la sécheresse.
On dispose de peu d’informations sur l’évolution
historique de la pluviométrie en relation avec le climat.
Deux sources indépendantes peuvent être évoquées : i)
les modèles des climatologues considèrent maintenant
que si les scenarios du GIEC se réalisaient, leur influence
sur la pluviométrie serait sans doute plus importante en
terme de modalité (périodes courtes de pluies intenses)
qu’en terme de quantité ; ii) les travaux sur les cernes de
croissance d’arbres en Europe, conduits par l’équipe de
Ulf Büntgen et Willy Tegel, publiés en 2011 (Fig. 24)
confirment qu’il n’y a pas eu de variations importantes
de la pluviométrie depuis 2500 ans malgré les différents
changements de température.
L’une des empreintes essentielles des GES sur la
température de l’atmosphère, prévue par les modèles et
considérée comme caractéristique, donc très recherchée,
est la présence d’un point chaud aux basses latitudes, à
environ 10km d’altitude, que l’on nomme « tropospheric
hotspot » (Fig. 25). Aucun point chaud n’a été observé et
depuis 2007 la discussion fait rage : Les modèles de
circulation globale sont-ils pris en défaut ? Les
phénomènes d’amplification de l’effet de serre sont-ils
contrôlés par d’autres variables que celles prises en
compte, telles que la variation de la teneur en vapeur
d’eau avec l’altitude par exemple ? Les relevés de
température de la troposphère sont-ils déficients ? Est-ce
toute notre appréciation du principe même de l’effet de
serre qui est à revoir ?
5) Le rôle des radiations solaires.
Les radiations solaires, UV, visibles et IR sont en
fait le premier facteur qui régit le climat. Cette source
Fig.26a-1 : Activité solaire (Total solar irradiance)
et Anomalie de T° de l’atmosphère arctique.
2) les valeurs observées actuellement
U.S. Climate Change Science Program Synthesis and Assessment Product
1.1, Chp 5 p 116
- 125 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig.26a-2 : Activité solaire (Total solar irradiance) et T°
moyenne de la surface de la Terre
tirée de la figure 17
d’énergie n’est pas exactement constante, et il a été observé
depuis le début du XX° siècle des covariations étroites entre
l’activité magnétique du soleil et la fréquence des taches
solaires. Celles-ci sont d’ailleurs observées depuis plusieurs
siècles et les variations de leur nombre ont été mises en
relation avec un cycle d’activité de 11 ans environ. En fait,
cette période n’est pas exactement constante, et plus le soleil
est actif (plus le nombre des taches augmente) plus la période
de ce cycle se raccourcit, jusqu’à moins de 10 ans. Parmi
plusieurs tentatives menées depuis les années 90 pour évaluer
l’incidence de l’activité solaire sur le climat terrestre,
retenons l’étude récente de W.H.S. Soon 2009 du HarvardSmithsonian Center for Astrophysics Cambridge,
Massachusett pour la période 1850-2000 (Fig. 26a-1). La
moyenne de l’activité solaire (courbe rouge), définie par
l’intervalle entre deux maxima de taches solaires, coïncide
avec la courbe noire de l’anomalie de la température de la
région Arctique. Cette coïncidence est « presque aussi
bonne » que le modèle complexe anthropique + naturel de
l’IPCC, qui rappelons le, prend en compte l’activité solaire
(Fig. 20). La même coïncidence est observable dans la figure
17 avec les courbes d’irradiance (bleu) et de durée des cycles
solaires (vert). Cette publication ayant fait l’objet de
plusieurs remarques, notamment sur le choix de la courbe des
anomalies de température prise en référence, nous avons
reporté cette courbe de l’activité solaire sur celle des
anomalies de température du GIEC, extraite de la figure 17.
On comparera ainsi les deux courbes (fig. 26a-2) et la
position des points d’inflexion 1, 2 et 3 des anomalies de
température avec les inflexions de la courbe de l’activité
solaire. La figure Fig. 26a-3 rappelle que la courbe de teneur
en CO2 atmosphérique ne se superpose que très
imparfaitement à la courbe des anomalies de la température,
et surtout ne montre aucune similitude dans ses inflexions.
Fig.26a-3 : CO2 atmosphérique et anomalie de T° de
l’atmosphère arctique
24/10/13
En
l’absence
d’une
théorie
explicative
convaincante de l’influence solaire, les modèles les plus
récents continue à minimiser l’influence solaire en face de
celle des GES et le rapport du GIEC 2007 considère que
« les variations de l’éclairement énergétique solaire ont
provoqué, depuis 1750, un léger forçage radiatif de + 0,12
[+ 0,06 à + 0,30] W/m2, soit moins de la moitié de la
valeur estimée figurant dans le 3° Rapport du GIEC.
Mais plusieurs astrophysiciens considèrent que le
problème est mal posé, et que seule la partie haute énergie
du spectre UV du Soleil doit être prise en compte ; elle est
responsable de la fabrication de l’ozone et du chauffage
de la haute atmosphère, qui conditionne la structure
thermique de l’atmosphère. Les variations de la
concentration d’ozone avec les cycles solaires pourraient
expliquer 20% de la variation de la température. Les
données les plus récentes obtenues sur la tranche des 8
premiers Km à partir des satellites et non les valeurs au
sol, suggèrent qu’un découplage entre valeurs du CO2
atmosphérique et température est en train de se produire,
confirmant le rôle de l’activité solaire. D'après R.
Fairbridge, et selon I. R. G. Wilson, B. D. Carter et I. A.
Waite 2008, ce sont les déplacements du Soleil autour du
Barycentre de notre système qui sont à l'origine des
variations de l'intensité et des durées des cycles éruptifs
du soleil. Bien évidemment la position des deux géantes
gazeuses, Jupiter et Saturne jouent un rôle prépondérant
dans le déplacement du Soleil. L’étude historique des
cycles solaires a montré la coïncidence de l’activité solaire
minimale et de la durée maximale du cycle lors de leur
alignement, correspondant à un déplacement maximum du
Soleil. L’affaiblissement du cycle 23 et le démarrage très
retardé du cycle 24 (Fig. 26b) sont conformes au modèle
« SIM » (Solar Inertial Motion, mouvement inertiel du
soleil) de R. Fairbridge. Celui-ci prédit une atténuation
nette et progressive des cycles solaires de 2010 à 2040.
Faut-il en conclure, par opposition au modèle GIEC un
refroidissement généralisé de la planète ?
Pour Enrik Svensmark (2007) et son équipe du
Centre national danois de l’espace (DNSC, Copenhague
http://cr0.izmiran.rssi.ru/mosc/main.htm)
la relation entre
l’activité solaire et le réchauffement climatique réside
dans l’interaction entre la formation des nuages de basse
altitude, qui accroissent l’effet de serre (contrairement aux
Fig.26b : Cycle 24 de l’activité solaire.
Le minimum d’activité solaire (fin du cycle 23) ayant tardé
jusqu’en Mars 2009, le maximum du cycle 24 a été atteint
en mai 2013 avec un nombre de taches très inférieur au
maximum enregistré en 2000 par le cycle 23
http://www.swpc.noaa.gov/SolarCycle/index.html
- 126 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 26c : activité solaire, rayons cosmiques et
des fluctuations)
14
C (opposé
http://solaire.obspm.fr/images/documentation/InversionsBsolaire.pdf
cirrus dont les paillettes de glace augmentent l’albédo de la
planète) et le rayonnement cosmique d’origine galactique.
Plus celui-ci pénètre notre atmosphère et plus l’ionisation
qu’il y produit est favorable à la nucléation des gouttes
d’eau. Les électrons libérés participent en effet à la création
de petits noyaux de condensation dans la vapeur d'H2O. S’ils
sont assez nombreux, ces micronoyaux se regroupent en
petits paquets et condensent la vapeur d'eau présente dans
l'atmosphère, formant ainsi des gouttelettes d'eau. Les nuages
se forment en effet par condensation de la vapeur d’eau
présente dans l’atmosphère. Ordinairement, pour que cette
condensation se fasse, un peu comme la buée se forme sur
une surface froide, il faut, outre le refroidissement de la
parcelle d’air environnante, la présence de petites particules
(aérosols). Les rayons cosmiques (galactiques) de haute
énergie qui pénètrent dans l'atmosphère terrestre agissent
donc comme des catalyseurs de cette réaction, mais ils sont
plus ou moins déviés par les orages magnétiques engendrés
lors des éruptions solaires.
La variation de l’activité solaire, que traduit le
nombre des taches, accroît ou diminue l’intensité de son
champ magnétique. Celui-ci constitue donc un bouclier
d’efficacité variable, détournant plus ou moins de la Terre le
rayonnement cosmique, modulant de ce fait l’action du
champ galactique sur la nucléation des nuages. Ont-ils
raison ? Cette hypothèse très controversée au départ, fait
l’objet de l’expérience Cloud49 au CERN, débutée en 2010.
On observe en effet qu’à l’occasion des minima
d'activité solaire, le champ magnétique gelé dans le vent
solaire est moins intense. Donc les rayons cosmiques sont
49
La théorie de E. Svensmark reprend en fait le principe de
la chambre à brouillard, premier appareil construit par les
physiciens pour mettre en évidence les rayons cosmiques.
Dans un récipient en verre contenant une atmosphère saturée
de vapeur à la pression ambiante, on provoque détente.
Celle-ci déplace le point de rosée, et un brouillard se forme.
Les particules cosmiques qui traversent ce brouillard
provoquent la formation de gouttelettes sur leur trajectoire.
Le projet Cloud mettre en œuvre une vaste chambre remplie
avec un mélange de gaz identique à celui de l'atmosphère.
qui doit être bombardé avec des particules de haute énergie
identiques à celles qui nous viennent de l'espace.
24/10/13
moins déviés par le champ solaire et ils pénètrent mieux
notre atmosphère. Le flux de rayons cosmiques y est alors
plus fort, il s’y produit plus d’interactions avec l’oxygène
stratosphérique (source de neutrons capturés par le
carbone) ce qui se traduit par une production plus élevée
de 14C. On retrouve cette anomalie du rapport 14C/12C
dans les organismes vivant (e.g. cernes d'arbre) chez qui
elle constitue un proxi des minima solaires. Dans la figure
26c-haut, la correspondance entre forte intensité du
rayonnement cosmique relevée par le proxi δ14C et petit
nombre de taches solaires est remarquable. La durée de
vie des arbres en fait un indicateur de l'activité solaire
globale sur quelques milliers d'années. La conférence
débat de Jean-Marie Malherbe à l'Académie des Sciences
du 19 Juin 2012, rappelle que selon Kasaba et Tokashima
(2005) figure 26c-bas on peut suspecter l'existence de
plusieurs minima, durant cette période : un vers 1050
(minimum de Oort) ; un second vers 1350 (minimum de
Wolf) ; puis un vers 1500 (minimum de Spörer) ; et enfin
vers 1700 et 1830, les minima de Maunder et Dalton.
Inversement les auteurs discernent deux optima, médiéval
(vers 1200) et contemporain.
L'irradiance solaire est considérée comme un
paramètre fondamental du climat car elle conditionne
l'énergie reçue par la Terre. Au cours du cycle solaire, sa
variation autour de sa moyenne de 1366 W m-2 est de 1 W
m-2 seulement soit moins de 1/1000 en valeur relative.
Est-ce pour autant négligeable ? La conférence débat de
Jean-Marie Malherbe rapporte que dès 1995, J. Lean, J.
Beer et R.Bradley ont établi une corrélation étroite entre
le nombre de taches par cycle et l'irradiance. Au cours des
quatre derniers siècles, l’'irradiance solaire (Fig. 26d,
courbe bleue et courbe lissée rouge) suit globalement bien
dans ses grandes lignes l’alternance de séries de cycles à
forte irradiance et de séries de cycles à faible
irradiance(courbe noire), vers 1900,-1880, vers 1820-1800
et surtout lors du grand minimum de Maunder 1700-1650,
connu par les observations des astronomes du XVIIème
siècle et par le comptage des aurores boréales.
On voit combien l’approche du changement
climatique est un problème complexe encore mal maîtrisé.
Dans l’espace public, la crainte suscitée par la complexité
scientifique du problème s’est vue renforcée par le débat
politique-écologique-médiatique qui a substitué à la
notion de changement celle de dérèglement, à l’analyse
des risques le principe de précaution, véhiculant ainsi la
peur d’un avenir devenu incertain et appelant à un retour à
la règle. Quelle règle ? Quel état antérieur ? Le climat a
toujours été en cours de changement. Faut-il alors balayer
d’un revers notre capacité à nous nuire à nous-mêmes ? Le
déstockage des combustibles fossiles est considérable. Il
rend à l’atmosphère une partie du carbone lentement
minéralisé durant les temps géologiques. Nous le
consommons de façon absurde, comme tout le reste
Fig. 26d : irradiance solaire et cycle solaire
http://solaire.obspm.fr/images/documentation/InversionsBsolaire.pdf
- 127 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
d’ailleurs, sans souci de l’épuisement de la ressource, sans
réflexion sur l’impact de notre industrialisation de toute la
planète sur le vivant, océanique en particulier car caché à nos
yeux. L’adaptation et la mitigation devront venir épauler le
développement soutenable. Quant-au phantasme d’un retour
à une atmosphère semblable à celle d’avant la vie, éradiquant
toute vie sur Terre, ne nous trompons pas de cible ;
l’essentiel du CO2 atmosphérique initial n’est pas stocké en
charbon ou en pétrole, mais bien en calcaire (CaCO3, voir §
F3), et il nous faudrait bétonner, et bétonner encore pour
épuiser cette ressource carbonée et retourner à l’atmosphère
primitive de la Terre !
km d’altitude, et se traduit par un maximum de
concentration en ozone, également dans la stratosphère.
On a constaté que la quantité d'ozone stratosphérique se
conforme aux variations du rayonnement solaire liées à la
latitude ou à la saison, mais avec des décalages très
importants. Ainsi, sa concentration est maximum au
printemps et minimum en automne, et son abondance
est supérieure aux hautes latitudes par rapport à celle
des basses latitudes. Ceci démontre que l'ozone est
instable, mais que les réactions chimiques de destruction
sont relativement lentes, en tout cas par rapport au
transport atmosphérique dans la basse stratosphère.
2 - La stratosphère et la protection contre les
UV solaires
b - Quatre types de réactions rendent
l'ozone formé instable:
Elle s’étend jusque vers 50 km environ. L’air y est de
plus en plus raréfié. Elle est caractérisée par sa température
croissante, qui augmente jusqu'à +20 °C maximum. Les
premières estimations de température de la stratosphère sont
dues à A. Lindeman et G.M.B. Dobson 1931. Elles sont
fondées sur l’observation de la brillance et la longueur des
étoiles filantes, c’est à dire sur la vaporisation des météorites
par frottement et l’excitation résultante des molécules
stratosphériques. Lindeman et Dobson en déduisirent la
densité et la température de la stratosphère.
En premier lieu il peut être simplement recombiné à
l’oxygène atomique
a - Cycle de Chapman
Dès 1930, S. Chapman suppose que l’augmentation
de la température dans la stratosphère est liée à la production
de l’ozone par photodissociation de l’oxygène sous l’effet
des UV solaires (Fig. 27a, lire MC - Atm - Photolyse Bantegnie.htm). La concentration en ozone est maximum
entre 20 et 30 Km. En moyenne, elle est quasi nulle dans la
troposphère. L’épaisseur de la couche d’ozone pur que
l’on pourrait former avec ce gaz est de 2.5 mm ! Son rôle
n’en est pas moins fondamental dans la protection de la vie
non aquatique puisque comme nous allons le voir, sa
production absorbe une part essentielle des UV à haute
énergie du spectre solaire.
La production de l’ozone dans l’atmosphère est
assurée par la photodissociation du dioxygène O2 sous
l’effet des UV courts. Ce mécanisme est double :
(3)
En second lieu il peut être dissocié par des UV plus
longs (λ
λ<310nm) que ceux qui provoquent
la dissociation de l'O2 :
O3 + hν
ν ⇒ O2 +O(1D)
(3)
L’oxygène monoatomique O(1D) produit dans cette
réaction est très excité et joue un rôle ultérieur sur la
stabilité de l’ozone, à travers celle des constituants
minoritaires de la stratosphère, H2O, NO2 en particulier.
Il est en effet beaucoup plus réactif que l'oxygène normal
au repos O(3P).
En troisième lieu, certains des constituants minoritaires de
l'atmosphère interviennent naturellement à travers un
cycle catalytique de destruction de l’ozone, que l'on
peut schématiser comme suit:
X +O3 ⇒ XO +O2
XO +O ⇒ X +O2
a) L'hydrogène monoatomique et le radical hydroxyle,
H et OH, qui interviennent dans ce cycle comme
suit,
H +O3 ⇒ OH +O2
(4)
OH +O ⇒ H +O2
1) faible dissociation dans la mésosphère en dessous de 85
km par absorption d'UV de longueurs d'ondes
comprises entre 175 et 200 nm ;
2) forte dissociation dans la stratosphère au-dessous de 50
km par absorption d'UV de longueurs d'ondes
comprises entre 200 et 240 nm.
H et OH ne sont pas produits dans la
stratosphère, par photodissociation de l'eau
comme dans la mésosphère, mais par des
réactions avec l'oxygène excité O(1D):
l'hydrogène diatomique,
(4a)
O(1D) + H2
⇒ OH + H
l'eau,
(4b)
O(1D) + H2O
⇒ OH + OH
Après cette réaction de dissociation,
(1)
O2 + hν
ν ⇒ O +O
deux cas sont possibles:
O3 +O ⇒ O2 + O2
Fig. 27a : cycle de Chapman, production-destruction de l’O3
1 - soit une recombinaison en présence d’une tierce
molécule M (N2, O2 ou particule solide),
( 1' )
O +O (+M) ⇒ O2 +M,
{réaction qui a lieu surtout à haute altitude (≥70Km)
2 - soit la formation d’ozone
(2)
O +O2 (+M) ⇒ O3 +M.
La molécule M sert à absorber l’énergie de vibration de la
molécule formée, liée à l’association O+O ou O+O2. Le
maximum de photodissociation de l’oxygène à lieu vers 25
- 128 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
le méthane
(4c)
O(1D) + CH4
b) Le monoxyde d'azote, NO, qui intervient aussi de la
même manière dans le cycle suivant
NO +O3 ⇒
(5)
la stratosphère où, avant d’être photodissocié en
N2 et O, il réagit en présence d'oxygène excité
O(1D) suivant le processus (5a) pour produire
du monoxyde d’azote.
⇒ OH + CH3
Les réactions (4a) et (4b) ne peuvent pas être
significativement renforcées par l'activité humaine. En
effet, la teneur en eau de la stratosphère est d'une part
extrêmement basse, et d'autre part en équilibre avec
celle de la troposphère. Or celle-ci ne peut évoluer de
manière importante car l'air terrestre est quasiment
saturé en eau. Seule la destruction du méthane (4c) peut
donc évoluer réellement négativement dans le futur.
En quatrième lieu, certains composés naturellement rares,
les composés halogénés50 ont été introduits
massivement dans l'atmosphère par l'homme, sous
forme de halocarbones, les CFC. Ils interviennent
tous de la même manière que le chlore, pris en
exemple:
Cl +O3 ⇒ ClO +O2
(6)
ClO +O ⇒ Cl +O2
Mais ClO est instable et réagit avec le monoxyde
d'azote, ce qui réduit d'autant les processus de
destruction de l'ozone
NO2 +O2
NO2 +O ⇒ NO +O2
ClO + NO ⇒ Cl + NO2
trouve son origine encore dans une réaction de
l'oxygène excité O(1D) avec de l’hémioxyde d’azote
N2O; deux réactions sont possibles:
Certes, Cl est rendu au cycle catalytique, mais 1
NO est consommé en échange, et NO2 rentre
dans les réactions positives (5b) et (5c).
réaction productrice de NO
(5a)
O(1D) + N2O
⇒ NO + NO
Parmi les réactions qui limitent l'efficacité des
cycles de destruction de l'ozone par les composés
halogénés, on citera l'intervention du méthane sur
le chlore:
réaction non productrice de NO
⇒ N2 + O 2
O(1D) + N2O
Cette dernière réaction n'alimente pas le cycle, et au
contraire en diminue l'efficacité. Compte tenu de
l'abondance des produits azotés dans l'atmosphère,
le cycle (5) pourrait s'avérer extrêmement
destructeur s'il n'existait des réactions parasites qui
attaquent le NO2 formé dans ce cycle:
Cl + CH4 ⇒ CH3 + HCl
Bien que l'acide chlorhydrique formé ici soit
instable et réagisse avec les hydroxyles (1 OH
consommé restituant 1 Cl) dans la réaction
HCl + OH ⇒ H2O + Cl
(5b) i) NO2 + hν(λ<240nm) ⇒ NO + O
Et O + O2 ⇒ O3
cette photodissociation très rapide du
dioxyde mène donc finalement à la régénération
de l'ozone. C'est le même phénomène qui
provoque la production d'ozone troposphérique
irritant pour nos bronches dans les régions
polluées, par les gaz d'échappement en particulier.
De la même façon que l'acide nitrique dans le cycle
azoté, HCl constitue un puits troposphérique pour les
produits chlorés de la stratosphère, en se solubilisant
dans l'eau après avoir traversé la tropopause. La
consommation de CH4 est doublement intéressante
car, outre le fait qu'il s'agit d'un GES redoutable, le
méthane intervient aussi dans la production
d'hydroxyles dans le cycle (4c).
(5c) ii) NO2 + H + (M) → M + HNO3
Les
halocarbones
sont
des
composés
remarquablement stables dans la basse atmosphère,
ce qui leur a conféré un intérêt industriel tout
particulier. En contrepartie, ils ne sont pas détruits
dans la troposphère par des réactions chimiques, et
finissent par gagner la stratosphère, où ils sont
photodissociés et où ils libèrent les atomes de chlore
qui attaquent l’ozone (6)
L'acide nitrique produit de cette manière est un
composé abondant de la stratosphère. Mais il est
soluble dans l'eau et gagne la troposphère avec elle
en franchissant la tropopause. Sa solubilisation
régule ainsi sa concentration (constante) dans la
stratosphère.
La production de l'hémioxyde N2O est donc une clef
essentielle de la destruction de l'ozone; N2O présente
une double origine:
Un seul produit halocarboné est naturel, le
chlorure de méthyle, CH3Cl; d’origine naturelle
marine, il est aussi certainement un constituant de la
fumée qui apparaît lors de la combustion des
végétaux, qu'il s'agisse du brûlage des terres, de
l'essartage des forêts ou de la culture sur brûlis, mais
aussi de la combustion de produits chlorés
(polyvinyles). Tous les autres composés halogénés
présents dans l'atmosphère terrestre sont des
produits industriels, citons le tétrachlorure de
carbone, CCl4,
et parmi les fréons, le
trichlorofluorométhane CFCl3 (Fréon 11) et le
i) il peut être produit en altitude par la combustion
de l'azote diatomique avec l'oxygène, N2+2O2 à
très haute Température, naturellement sous l'effet
de la foudre, et artificiellement dans les réacteurs
des avions volant à très haute altitude;
ii) l’azote de l’air est transformé dans le sol en
nitrates, dont une partie donne lieu (action de
bactéries dénitrifiantes) à des produits gazeux, N2
et N2O, qui s’échappent dans l’atmosphère.
Comme la durée de vie de ce dernier composé est
suffisamment longue dans la troposphère, il atteint
24/10/13
50
à base de fluor (F), chlore (Cl), iode (I) et brome (Br).
- 129 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
dichlorodifluorométhane, CF2Cl2 (Fréon 12), gaz
propulseurs et/ou réfrigérants. La production annuelle
de CFCl3 est passée de 1 000 T. en 1947 à 35 000 T.
en 1957, puis 150 000 T en 1967 et 310 000 en 1989 …
imposant, dès lors que des solutions techniques de
remplacement étaient trouvées, une réflexion mondiale
sur leur utilisation ; rappelons :
Vienne 1985 : Engagement des Etats parties à
protéger la couche d’ozone et à coopérer
scientifiquement afin d’améliorer la compréhension
des processus atmosphériques. Montréal 1987 :
interdiction de la production et l’utilisation des CFC
d’ici à l’an 2000. Londres 1990 : les Etats s’engage
dans un renforcement progressif de la protection de
la couche d'ozone. Copenhague 1992, Vienne 1995,
1997 et Pékin 1999 :) 4 amendements apportant de
nouvelles restrictions d’usage sur d’autres
substances (e.g. HCFC).
c – Impact des SAO
La consommation des SAO dans le monde est en très
forte régression (Lire MC - Atm - Ozone - Montreal - Puyau.htm). Il
est difficile d’établir le bilan global sur l’effet de serre des
effets cumulés de la destruction d’O3 (qui compte au nombre
des GES) par les halocarbures et autres substances anti ozone
(SAO) et du forçage radiatif induit par ces mêmes
substances, dont les raies d’absorption sont observables dans
les fenêtres 8-9 et 10-14 µm que nous avons définies plus
avant (Fig. 5) et dans la figure 27b. A la complexité
chimique du cycle de l’Ozone s’ajoute une complexité de
stockage. L’O3 est produite essentiellement sous les basses
latitudes et elle rejoint ensuite les hautes latitudes où elle
reste piégée dans le vortex polaire. Sa concentration y est
maximale au printemps et passe, en automne, par un
minimum, inférieur de quelques % relatifs. En effet, durant
l’hiver, l’atmosphère du pôle s’organise en tourbillon
(vortex) tropo- et stratosphérique. Au pôle Sud, ce vortex est
situé au-dessus du continent Antarctique englacé (et donc
morphologiquement homogène) et entouré par le courant
marin circulaire d’ouest. Lire MC - Atm - Vortex Antarctique Ozone - Puyau.htm. Il en résulte que, en Antarctique, le vortex
est bien centré au niveau du pôle sud et qu’il y est
généralement très stable. Comme la synthèse de l’ozone
demande des UV qui ne sont pas disponibles à ces latitudes
en hiver, l’équilibre fabrication-destruction d’ozone est
nécessairement déplacé et la concentration en ozone décroît.
En outre, les oxydes d’azote (N2O, NO2), dont nous avons vu
le rôle modérateur dans le cycle de ont une action très limitée
en hiver car sous forme cristaux qui offrent des surfaces de
contact aux oxydes d’azote (piégés et donc inhibés) et aux
CFC. Ceux-ci s’y décomposent et relâchent des atomes de
chlore, destructeur de l’ozone.
Les mesures de concentration effectuées montrèrent,
dans les années 85-90, que le minimum automnal atteignait
30 à 40% relatif au pôle Sud, le pôle Nord étant épargné par
le phénomène (Fig. 27c, valeurs corrigées des variations
saisonnières). La bonne connaissance du cycle de Chapman
fit rapidement suspecter les CFC, bien que produits et utilisés
principalement dans l’hémisphère nord. La grande réactivité
de l’industrie des aérosols — rapidement prête à mettre avec
avantage sur le marché un gaz propulseur sans Chlore dans nos
bombes et des fluides caloriporteurs dans la plupart des
installations réfrigérantes ou climatisations — a fait disparaître
très vite la pollution par le Fréon ! Et le trou de l’Ozone a
24/10/13
Fig.27b : Raies d’absorption des SAO et de l’O3 dans la
stratosphère
commencé à se refermer, rapidement tout d’abord, puis
ensuite à un rythme que la communauté scientifique
considère comme anormalement lent, alors qu’aucune
source de CFC ne vient plus détruire l’Ozone depuis
l’accord de Montréal en 1997.
Aurait-on imputé aux SAO une agressivité
excessive, ou bien le poids volumique des CFC les
entraînait-il moins que prévu vers la stratosphère, rendant
leur éradication moins performante ? Faudra-t-il (et
pourra-t-on ?) appliquer la même politique contraignante
avec les NO2 dont nous avons souligné la nocivité ?
Aurait-on omis quelque molécule dans le panel des SAO ?
Il convient, on le voit, de rester prudent à cet égard.
La taille du trou autour du pôle dans la couche d’ozone
reste une préoccupation de santé publique sous les hautes
latitudes sud, Chili, Argentine, Nouvelle Zélande en
particulier, même si l’on peut espérer un retour à la
normale d’ici moins d’un siècle.
Fig. 27c : Anomalie de la couche d’ozone
en haut, moyenne mondiale, corrigée des variations
saisonnières, exprimées en % de la moyenne pour la période
1964 – 1980 : mesures terrestres (ligne noire) et satellite (couleur) ;
en bas, mesures moyennes de l’épaisseur de la couche d’ozone
en octobre, spectrophotométrie faite en Antarctique.
Dobson Unit (DU). la colonne (d'ozone) est présumée pure, à
pression normale (1013.15 hPa) et à 0° C (273.15 K). La densité
de la couche est exprimée en milli-centimètre (10-5m).
300 DU correspondent à une épaisseur de couche de 3 mm,
http://www.ipcc.ch/; http://www.cactus2000.de/fr/unit/massozo.shtml;
- 130 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
3 - La mésosphère
La connaissance de la mésosphère remonte
aux années 50. On y a appliqué une méthode d’étude
comparable à celle que Lindeman et Dobson
utilisèrent pour la stratosphère, en mettant au point
le suivi radar de billes lâchées à haute altitude par
fusées. L’analyse de leur trajectoire permet de
remonter à la densité de l’air et à sa température aux
altitudes considérées. La température décroît
rapidement avec l’altitude. Vers 80 km, elle
atteint -140°C (Fig. 2).
24/10/13
Fig 28 : Persistance du SO2 après éruption volcanique :
Eruption du Pinatubo, 1991 : 15 106 T de SO2 injectées dans la
stratosphère, transformées en gouttelettes de H2SO4 absorbent (en
rouge) l’énergie solaire ; durée du phénomène, 2ans.
Au-dessous de 85 km, la mésosphère, est
encore le siège de la photodissociation de O2,
surtout par absorption entre 200 et 175 nm. Les
oxygènes monoatomiques s'associent alors à de l'O2
pour former de l'ozone, mais en quantité très
inférieure à l'ozone stratosphérique.
La mésosphère est aussi le lieu de la
photodissociation de H2O et de CH4, toujours par
des UV courts (λ<200 nm):
H2O + hν
ν ⇒ OH +H ou O +H2;
CH4 + hν
ν ⇒ CH2 + H2
Cette région de l’atmosphère est en outre le
siège des nuages noctiluques. La nature de ces
nuages, observables seulement après le coucher du
soleil, n’est pas encore bien connue. Il ne s’agit
probablement pas de nuages de glace, car la quantité de
vapeur d’eau disponible à cette altitude est très faible. Ils
seraient plus probablement constitués de débris météoritiques
ou de poussières cométaires, et/ou de poussières volcaniques
(Fig. 28). En effet, on a pu observer à maintes reprises lors
des éruptions à caractère explosif, éruptions pliniennes ou
ignimbritiques51, que les éléments fins de la colonne de
produits volcaniques52 peuvent atteindre plusieurs dizaines
de Km d’altitude. En incorporant de l’air froid qui se dilate,
les mouvements convectifs internes au panache entretiennent
l’ascension des matériaux volcaniques. Ils atteignent ainsi
aisément la stratosphère. A partir de là, une petite fraction
de poussière pourrait rejoindre la mésosphère pour y former
les nuages noctiluques.
Avec la dispersion du nuage dans la stratosphère
51
La distinction entre les 2 types d’éruptions ne réside pas
dans la nature du matériau, essentiellement rhyolitique
(composition d’un granite), mais dans le mode de dissipation
de l’énergie :
1 - dans une éruption plinienne, en colonne, la plus grande
partie de l’énergie est dissipée dans une explosion initiale
canalisée par un conduit étroit (Ø < 200m). Les vitesses
d’émission peuvent atteindre 300m sec-1
2 - dans le cas d’une éruption ignimbritique, la nuée
ardente présente à l'émission une densité supérieure à
celle de l'air ambiant. Mais elle incorpore en dévalant les
pentes du volcan une quantité importante d’air ambiant
(froid) qui se dilate, conduisant le mélange vers une
densité inférieure à la densité de l’air ambiant. Le
panache volcanique peut alors s'élever, mais
contrairement à celui d'une éruption plinienne, celui
d’une ignimbrite prend naissance au front de la coulée et
non au droit de la bouche d’émission.
52
éléments fins = poussières, cendres et ponces, aérosols.
les éruptions peuvent provoquer une diminution de
l’insolation qui peut être à l’échelle planétaire mais
qui ne dépasse pas quelques mois (Tambora 1815,
Krakatoa 1883, El Chichon 1982, Pinatubo juin
1991). La dispersion du nuage volcanique est aussi
responsable de l’introduction d’aérosols (composés
soufrés en particulier) dans la stratosphère. Leur rôle
climatique est encore largement discuté.
4 - La thermosphère
Au-delà de la mésopause débute la thermosphère
(Fig. 2). Elle s’étend jusqu’aux confins de l’exosphère,
vers 500 Km (cf. § composition de l’atmosphère). L’air,
quoique raréfié, freine malgré tout les satellites. C’est
d’ailleurs l’analyse de leurs trajectoires qui a permis, dès
le début des sixties, de mieux connaître cette région de
notre globe.
La température des molécules et atomes y croît
très fortement, par absorption des UV très courts. Elle
peut atteindre 2000°C au zénith, et chuter de plus de
500° durant la nuit ! Toutefois, la densité du gaz y est si
faible que la chaleur transmise aux satellites est
négligeable.
La photodissociation des gaz atmosphériques
donne à ce brouet très clair une composition complexe,
mélange d’oxydes d’azote, de molécules diatomiques,
N2, O2, H2, et d’atomes, principalement d’oxygène et
quelques hydrogènes. Elle est le siège des aurores
polaires..
Au voisinage de l’exosphère, il semblerait exister
un début de stratification par densité des gaz
atmosphériques qui ne sont plus brassés par aucun vent.
- 131 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
C - Stratification
l'atmosphère :
électromagnétique
de
24/10/13
Fig. 29: courants magnétosphériques
On distingue communément 3 strates :
1 - neutrosphère ;
2 - ionosphère ;
3 - magnétosphère
1 - La neutrosphère et l’ionosphère
Lire MC - Atm - Ionosphere - Elkassir.htm. Il aura fallu
attendre 1901 et les expériences de transmissions radio à
longue distance de G. Marconi pour déceler l’existence de
couches conductrices dans l’atmosphère. Comment l’onde
radio pouvait-elle suivre la courbure terrestre ? O Hearside
émit l’hypothèse que les ondes devaient être guidées entre
l’océan d’une part et une couche suffisamment conductrice
dans l’atmosphère pour les piéger d’autre part.
L’air des 70 premiers Km de l’atmosphère n’est pas
conducteur, on appelle cette couche basse la neutrosphère.
Au-delà commence l’ionosphère. A cette altitude la quantité
d’ions et d’électrons libres arrachés par les UV courts et le
rayonnement X solaire est suffisante pour rendre
l’atmosphère conductrice. Dans le champ d’une onde radio,
les électrons oscillent et réémettent cette onde. La densité
croissante d’électrons avec l’altitude a pour effet d’incurver,
et finalement de réfléchir cette onde radio vers la Terre. En
fait l’augmentation de la “ concentration ” électronique n’est
pas linéaire. Elle passe par 3 maxima, qui constituent 3
réflecteurs radios (Fig. 2) :
1 - la région D, située vers 80-90 Km d’altitude
2 - la région E, située aux alentours de 100 Km
3 - les régions F1 et F2, situées vers 180 et 350 Km.
Dans l’ionosphère, l’atmosphère n’est que très
partiellement ionisée, et les phénomènes qui s’y passent sont
encore largement du domaine de la physico-chimie des
espèces neutres.
2 - La magnétosphère
Lire MC - Atm - Magnetosphere - Elkassir.htm. La limite
entre l’ionosphère et la magnétosphère se situe autour du
millier de Km. A cette très haute altitude, l’atmosphère est
très fortement ionisée et l’on entre dans le domaine du
plasma. Il s’agit d’un plasma à faible densité composé
d’électrons et d’ions, dont l’origine est double :
1 - une partie de ce plasma d’origine terrestre, est dite
ionosphérique ; rappelons que cette altitude nous
situe dans l’exosphère, sous l’influence des X et UV
solaire
qui
transforment
les
molécules
atmosphériques en ions plus électrons ;
2 - une partie de ce plasma provient de la capture de
particules du vent solaire par le champ magnétique
terrestre au niveau de la magnétopause, qui
correspond à la région de reconnexion des champs
magnétiques solaires et terrestres, (Chp. 3 Fig. 28).
Les particules de vent solaire qui se déplacent dans
l’ionosphère subissent l’influence du champ magnétique
terrestre, qui est nord-sud. Par conséquent, Les électrons du
plasma solaire sont déviés dans vers l’est (Fig. 29) et
inversement, les ions positifs sont déviés vers l’ouest. Ils
vont rejoindre le feuillet de plasma de la queue
magnétosphérique (fig. 27, Chp. 3).
Deux types de courants électriques prennent
naissance avec cette capture (fig. 29):
1 - un courant ouest-est dans le feuillet de plasma du
plan équatorial magnétique ;
2 - un courant aligné sur les lignes du champ
magnétique terrestre (électrons spiralant autour des
lignes de champ), passant par le vortex, qui rejoint
ainsi l’ionosphère proche de la surface terrestre au
niveau de l’ovale auroral.
Les électrons spiralant autour des lignes de champ
décrivent un mouvement en hélice dont le pas diminue
avec l’augmentation de l’intensité du champ en se
rapprochant de la surface de la Terre. Le pas de l’hélice
finit par s’annuler, puis il s’inverse, conduisant l’électron
à rebondir en quelque sorte en suivant la ligne de champ
pour rejoindre la magnétopause en direction du pôle
magnétique opposé. En temps ordinaire, le pas devient nul
au-dessus de l’ionosphère. Les protons, plus massiques,
sont beaucoup plus freinés, et l’intensité du courant
correspondant est beaucoup moins forte.
C’est le même phénomène qui piège des électrons et
des protons à très haute énergie, sur deux ceintures situées
à une distance de 1 rayon terrestre pour la première, et 3 à
5 rayons terrestres pour la seconde. Alignés sur des lignes
du champ magnétique (dipolaire) quasi non déformé par le
vent solaire, ces particules rebondissent entre pôle Nord et
pôle Sud. Cette zone reconnue en 1958 par le satellite
Explorer I porte le nom de son découvreur, J.A. Van
Allen. Lire MC - Atm - Van Allen - Elkassir.htm.
Le champ magnétique issu de la couronne solaire
est constamment variable en intensité et en direction, ce
qui rend la reconnexion instable, souvent complexe mais
parfois aisée, lorsque les lignes du champ solaire sont
orientées nord-sud, comme les lignes du champ terrestre.
Les aurores polaires (quasi symétriques, Fig. 30a)
apparaissent lors de captures abondantes de particules de
vent solaire. Des flots d’électrons pénètrent alors
l’ionosphère et descendent plus bas dans l’atmosphère
plus dense de la Terre alors qu’ils ne le devraient pas. Il
semble que dans ces conditions, un champ électrique
particulier se met en place au-dessus de l’ionosphère. Ce
- 132 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 30a : ovales polaires pendant une
aurore ;
Fig. 31: Circulation tmosphérique
D - Circulation de l'atmosphère
La circulation atmosphérique (et océanique) exprime
le transfert convectif de chaleur dans la machine Terre,
depuis la source chaude équatoriale vers la source froide
polaire. Le premier à expliquer la constance des alizés et des
vents d'ouest fut G. Hadley, 1735;; pour lui, la région
équatoriale étant plus ensoleillée que les pôles, les vents
réguliers devaient transporter de la chaleur vers les pôles, et
inversement du froid vers l'équateur. Si la Terre n'était pas en
rotation, ce transfert serait effectué par une seule cellule de
convection. Mais la force de Coriolis défléchit les vents, qui
deviennent géostrophiques vers 30° de latitude (cf. § suivant)
et se sont finalement trois cellules qui prennent les calories
en charge (Fig. 31).
« quelconque » de l'hémisphère
nord,, de latitude φ (Fig. 32).
La Terre tournant avec une
vitesse angulaire ω = 2Πrad / 24h,
la masse considérée est en fait
animée d'une vitesse longitudinale
vL qui est la vitesse de rotation de la
surface de la Terre (de rayon R), à
la latitude φ considérée, on a
vL = 2ω
ωR Cos φ (1)
Si, à partir du temps t0, on
déplace cette masse m vers le nord
dans le plan méridien du temps t0
sans exercer de frottement, à la
Fig. 30b-c : draperies vertes et pourpres
champ temporaire
accélère
les
électrons
qui
parviennent ainsi
jusqu’à la haute
atmosphère, et qui
y déclenchent une
avalanche
d’ionisations
d’atomes et de
dissociations
moléculaires. Les
couleurs vert-bleu
et rose ou pourpre
sont
dues
aux
désexcitations
respectives
des
oxygènes
atomique
et
moléculaire
(Fig. 30b), et de
l’azote (Fig. 30c). Les draperies prennent naissance dans la
mésosphère, mais peuvent descendre jusqu’au voisinage du
sol, (de l’ordre du Km).
24/10/13
vitesse vm:
1 - elle conserve la vitesse longitudinale vL de son point
de départ;
2 - au temps t = t0 +dt elle a parcouru
parco
une distance
longitudinale
L = VL.dt = 2ω
ωR Cos φ.dt
et une distance en latitude
l = vm.dt;
3 - à cette nouvelle latitude φ+ dφ, la vitesse
longitudinale VL' de la surface terrestre, est
vL' = 2ω
ωR Cos (φ + dφ),
φ),
VL’ est inférieure à VL la vitesse longitudinale
initiale; et donc la masse m paraît avoir été déviée de sa
trajectoire méridienne, vers l'est
est dans l'hémisphère nord et
vers l'ouest dans l'hémisphère sud (on parle de force cum
sole).
Pour toute masse m, animée d'un vecteur vitesse
non méridien,
ridien, la force de Coriolis s'appliquera sur sa
composante méridienne ; elle est généralement exprimée
sous la forme d’un vecteur force normal au déplacement,
F = mfvm Avec :
vm, vitesse du corps en mouvement sur la surface de la
Terre en rotation;
f, paramètre
ramètre de Coriolis = 2ω Sin φ.
Par les paramètres mis en jeux, on constate que
pour que la déviation soit significative, il faut pour une
masse donnée que la vitesse vm soit importante par rapport
à VL (cas des fusées et satellites), ou bien qu'une vitesse
vitess
vm petite soit appliquée longtemps (de sorte que ∆φ soit
significatif). Il en résulte que la rotation directe du
tourbillon dans les baignoires de l'hémisphère nord (et
inverse dans l'hémisphère sud) est une aimable
plaisanterie, les variations de latitude
latitu à cette échelle étant
négligeables par rapport aux paramètres locaux (vitesse et
direction initiales de l'eau, pentes du fond et formes de la
Fig.32: Force de Coriolis
1 - Force de Coriolis
Lire MC - Atm_Ocean - Coriolis - Belkatir
elkatir Grizard Hamelin &
A PRIORI nord-sud (ou sud-nord, selon
l’hémisphère) les alizés sont en fait déviés vers l’ouest.
l’
En
effet, à la surface de la Terre, tout mouvement des masses
fluides est influencé par la rotation de la Terre, ce
phénomène est appelé force de Coriolis F. Supposons une
masse au repos par rapport à la Terre, située en un point
Saifane.htm.
- 133 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 33 a : Structure d’un cyclone tropical
nébulosité et pluviosité de cette région aux grains
violents mais sans vent régulier, cauchemar des
marins anglais (« Doldrums ») et dénommée Pot
au noir dans l'Atlantique par les marins français.
La libération de la chaleur latente liée à cette
condensation augmente le contraste de température
entre
cette
colonne
montante
et
son
environnement, ce qui augmente sa vitesse
ascensionnelle (jusqu'à plusieurs m.s-1), et cet air
initialement chaud et humide s'élève ainsi
rapidement jusqu'au sommet dilaté de la
troposphère (17-18 km).L'air, refroidi et asséché,
redescend aux latitudes Nord et Sud-tropicales
(20-30°); Cet air descendant et froid constitue une
zone
de
hautes
pressions
(ceinture
anticyclonique), région des calmes tropicaux ou
«horse latitudes» détestés eux aussi des marins
encalminés qui, lorsque l'eau douce venait à
manquer, en arrivaient à jeter les chevaux à la mer.
Très sec, cet air descendant est aussi responsable
des ceintures désertiques tropicales que l'on
rencontre tant au nord qu'au sud. Entre ces deux
zones sans vent, les alizés ferment cette première
boucle dénommée cellule de Hadley.
http://www.risques.gouv.fr/risques/risques-naturels/Cyclone/
Fig. 33 b : Développement d’un cyclone
http://la.climatologie.free.fr/cyclone/cyclone.htm
baignoire). Pour l’océan ou l’atmosphère, les courants sont
déviés vers la droite (horaires) en hémisphère nord et vers la
gauche (antihoraires) en hémisphère sud.
Si l'on s'intéresse à la variation de la vitesse
longitudinale de la surface de la Terre avec la latitude, de (1)
on tire
dVL/dφ
φ = -2ω
ωR.Sinφ
φ
La variation de la vitesse
longitudinale est donc nulle à l'équateur, et elle est maximum
au pôle. Ce n’est donc qu’à partir des latitudes moyennes que
la force de Coriolis jouera son rôle le plus important, tant sur
les masses océaniques que sur les masses d’air en
mouvement.
2 - Cellule de Hadley, ITCZ et cyclones
A l'équateur, le fort ensoleillement entraîne une
émission importante d'IR terrestres (en milieu continental ou
océanique), qui provoque à son tour un abaissement de la
densité de l'air (1.30 Kg /m3 à 20°c ; 1.22 Kg /m3 à 40°c).
Les variations de densité observées suffisent à engendrer des
vitesses ascensionnelles de l'ordre du m.s-1. Continuellement
alimentée en air venu du nord et du sud cette région est
dénommée Zone de Convergence InterTropicale (ITCZ,
Fig. 45 §E.3.c). Le refroidissement de l'air au cours de son
ascension provoque sa condensation, et explique la forte
24/10/13
Caractéristiques de la zone de convergence
(chaude), les cyclones (typhons au Japon) sont la
manifestation immédiate de la force de Coriolis,
qui se manifeste dès lors que l’on dépasse
quelques 6 à 8° de latitude. La formation d’un
cyclone tropical (Fig. 33a-b) débute lorsque 3
conditions sont réunies :
1 - qu’il existe d’une zone de forte évaporation
et une dépression locale dans la couche basse de la
troposphère ; celle-ci est accompagnée de nuages
ou d’une ligne de grains (bande de nuages
orageux) ; initialement cet amas de nuages circule
d’est en ouest avec l’Alizée. Sur les images de nos
satellites, on peut ainsi déceler certaines
formations nuageuses pourvues d'un potentiel de
convection profonde, voire parfois d'organisation
tourbillonnaire à l'état d'embryon. Certaines évoluent
en cyclones, lorsque les 2 autres conditions sont
réunies, d'autres pas et restent des amas nuageux,
ondes tropicales, zones perturbées.
2 - que la température de l'océan dépasse 26°C, sur au
moins 50 mètres de profondeur, constituant ainsi un
réservoir important dont l’évaporation fournira
l'énergie nécessaire pour démarrer et entretenir le
cyclone.
3 - que les vents de la zone soient homogènes sur une
grande hauteur de la troposphère, de la surface de
l’océan jusque vers 12 à 15 km d'altitude, hauteur de
la colonne orageuse, de sorte que l’énergie issue de
l’évaporation soit utilisée pour construire un
mouvement tourbillonnaire profond.
Dans ces conditions (Fig. 33b), le courant d'air
ascendant qui se met en place génère une dépression à la
surface de l’eau, qui fait converger l’air de la surface
océanique. La masse d’air ascendante se trouve alors
comprimée sous le couvercle de la tropopause (limite
troposphère stratosphère), générant en altitude une zone
de haute pression. Pour rétablir « l’équilibre », l’air du
sommet de la colonne s’échappe latéralement (divergence
de haute altitude). Le système ainsi mis en place pourra
- 134 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig. 33c: cyclones et tempêtes tropicales, 1) gauche : nombre par an ; 2) centre : Séries temporelles ; 3) droite :ACE
-2) Séries temporelles des cyclones de 1950 à 2010,
la valeur 100 représente la médiane des énergies accumulées
annuellement par les cyclones durant la période 1981-2010.
La bande jaune (71-111%) représente l’énergie des cyclones
d’activité normale, les bleue et rose sont les domaines
d’energies respectivement inférieure et supérieure à la normale
fonctionner et s'entretenir tant qu’il disposera d’un stock
d’eau chaude à évaporer, raison pour laquelle un cyclone
s’affaiblit lorsqu’il traverse une île, et s’évanouit lorsque sa
trajectoire l’amène à parcourir une distance suffisante audessus d’un continent.
Avec un tel mode de fonctionnement et le
réchauffement climatique qu’a connu le XX° siècle, il
convient de s’interroger sur une augmentation potentielle de
la fréquence et de l’énergie dissipée par les cyclones.
Les medias rapportent souvent une nette
augmentation de la fréquence et de l’intensité des cyclones
(invisible sur la courbe 1970 à nos jours de la NOAA, Fig.
33c-1) et en font une conséquence directe du réchauffement.
En fait, les données disponibles, qui concernent la période
1950-2010, conduisent la NOAA à définir pour l’atlantique
deux périodes de haute activité encadrant une période de
basse activité (1970-1995, Fig. 33c-2) et non une
augmentation progressive en corrélation avec la température
de l’atmosphère.
On observe la même tendance sur les courbes de
l’énergie dissipée par les cyclones, courbe globale et par
hémisphère (ACE53, Fig. 33c-3), qui laissent penser que
l’énergie disponible en zone tropicale subit une variation
pluri annuelle.
C’est en effet ce que montre l’étude de S.S. Chand et
K. J. Walsh de 2011, pour qui l’ACE est clairement
influencée par l’oscillation ENSO (voir § E3d) à une latitude
inférieure à 15°. Au-delà de cette latitude, l’influence des
épisodes El niño s’effacerait et c’est au contraire les
évènements inverse de type « La Niña » (§ 3Ed) qui
influenceraient l’activité cyclonique. On le voit, le couplage
océan-atmosphère joue un rôle essentiel et l’ensemble des
activités des deux fluides atmosphérique subit des
oscillations, décennales à pluri décennales encore mal
-3) ACE (Accumulated Cyclone Energy), courbe de 1972
à nos jours de l’énergie des cyclones (moyenne glissante sur
2 ans) des 2 hémisphères : globale (courbe du haut) et de
l’hémisphère Nord (courbe du bas) ; la surface entre les 2
représente l’énergie des cyclones de l’hémisphère Sud.
http://policlimate.com/tropical/ ; http://www.nhc.noaa.gov/sshws.shtml
connues, sur lesquelles nous reviendrons souvent (e.g.
§E3 et 4c).
3 - Cellule de Ferrel, vents géostrophiques
et Cellule polaire
Lire MC - Atm - Courant Geostrophique - Hamelin.htm ; MC
- Atm - Anticyclone & depression -Hamelin.htm. Prenons une
masse d’air, son mouvement sera initié par un gradient de
pression (FP dans la Fig. 34a) et le mouvement initial du
vent sera perpendiculaire aux isobares. Dès que la masse
d'air est en mouvement, elle subit la force de Coriolis (FC)
qui la dévie vers la droite dans notre hémisphère, jusqu'à
paralléliser le vent avec les isobares, FP et FC pouvant être
du même ordre de grandeur sous nos latitudes.
On appelle ces vents, vents géostrophiques. Les
isobares étant des courbes fermées autour des centres de
haute et de basse pression, il en résulte dans notre
hémisphère (Fig. 34b-c) que la circulation des vents
géostrophiques est directe (ils tournent à droite) autour
des hautes pressions, et inverse autour des basses
pressions. Les zones de basses pressions sont
corrélativement des régions où l'air présente une faible
densité et s'élève (Fig. 34b), en tournant autour du centre,
définissant une circulation cyclonique convergente.
Inversement les zones de hautes pressions sont le centre
d'une circulation descendante et divergente dite
anticyclonique. Le front polaire, limite entre la cellule de
convection polaire et la cellule des moyennes latitudes
(cellule de Ferrel) ondule entre les hautes pressions
Fig. 34a: genèse des vents géostrophiques
53
ACE, Accumulated Cyclone Energy, index défini
comme la somme des carrés des vitesses du vent d’un
cyclone, mesurée toutes des 6 heures tant que sa force le
classe au minimum dans les tempêtes tropicales, ou dans les
cyclones selon l’échelle de Saffir-Simpson qui compte 5
degrés : 1) 119-153 km/h ; 2) 154-177 km/h ; 3) 178-208
km/h ; 4) 209-251 km/h ; 5) > 252 km/h ;
http://www.nhc.noaa.gov/pdf/sshws_table.pdf.
http://nte-serveur.univlyon1.fr/geosciences/geodyn_ext/Cours/CoursTT1Atmosphere.htm
- 135 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig. 34 b-c: b): Circulation : divergente (haute pression ) ; convergente (basse pression) ;
c): vents
http://nte-serveur.univ-lyon1.fr/geosciences/geodyn_ext/Cours/CoursTT1Atmosphere.htm
centrées vers le sud et les basses pressions centrées plus au
nord. Au pôle, l'air froid et sec très dense constitue la
branche descendante de la cellule polaire. Il détermine ainsi
dans notre hémisphère les vents froids de nord-est à est qui
descendent vers le front polaire.
E - Circulation océanique
Nous n’aborderons pas dans ce poly la circulation
océanique impliquée par les marées. Il s’agit là néanmoins
d’un mécanisme moins simple qu’il y paraît, qui a été abordé
en complément au poly dans les pages web élèves : lire
Q - Planeto - Les marees - Fuhrmann.htm ;
MC - Planeto - Rotation de la Terre - Fuhrmann.htm ;
MC - Planeto - Forces attraction planetaires - Fuhrmann.htm ;
MC - Planeto - Force
centrifuge corotation corps planetaires Fuhrmann.htm ;
MC - Planeto - Marees viscosite des materiaux – Fuhrmann ;
MC - Planeto - couple Terre-Lune - Fuhrmann-Gagnot.htm
1 - Coriolis : Transport d’Ekman et courants
Géostrophiques
Lire MC - Ocean - Ekman - Belkatir.htm. Comme
l’atmosphère, l’océan est en mouvement (à faible vitesse
mais sur une longue durée) et subit donc l’effet de la force
de Coriolis, rotation directe (dextre) dans l’hémisphère nord
et senestre au sud. Le vent, en déplaçant la pellicule marine
superficielle, vient jouer un rôle dans la circulation
océanique.
Imaginons que le vent qui a initié un courant
océanique cesse brutalement. Le courant continue sur sa
lancée en faiblissant lentement par frottement, on parle de
courant d’inertie. Ce frottement, exercé sur une particule de
ce courant animée d’une vitesse v très proche de celle de ses
voisines, est faible en regard de la force de Coriolis F (de
Fig. 35: Courant d’inertie et force de Coriolis
Enregistrement du mouvement d’une particule à la surface
pendant la disparition d’un courant d’inertie après une période
de vent en mer Baltique ; traits noirs = position de la particule
toutes les 12h ; elle exécute 4 tours ½ pendant les 3 premiers
jour, correspondant à une période moyenne de 16h.
paramètre f = 2ω Sin φ) qui continue à s’appliquer sur ce
courant. Dans ces conditions, si l’on considère la seule
force de Coriolis (comme horizontale et agissant sur une
différence de latitude dφ très petite), la particule de
courant considéré, de masse m, décrira à la vitesse
constante v, un cercle parfait de rayon r dans le plan
horizontal. Dans un courant d’inertie la force de Coriolis
agit donc comme une force centripète que l’on peut
écrire :
fcentripète = mv2/r ,
équivalent à FCoriolis= mfv (cf. § Cellule de Hadley)
On en déduit :
mv2/r = mfv,
soit
f = v/r ;
(1)
La période T de rotation de cette particule sera
alors
T = 2π
πr/v
Avec (1) on montre que la période de rotation
dans un courant d’inertie T = 2π
π /f est fonction de la
latitude φ:
A l’équateur, φ= 0° T = 2π / 2ω Sin φ T infinie
Avec ω, vitesse angulaire de la Terre = 2π / 24 heures,
on obtient :
Au pôle,
φ= 90° T = 12 / Sin φ
T = 12 heures;
A nos latitudes φ= 45° T = 12 / Sin φ
T # 17 heures.
Le calcul théorique effectué sans prise en compte
des frottements donne, pour une latitude de 60°, une
période de 14h proche de la période mesurée en Baltique
(Fig. 35).
Supposons un instant que la surface de l’océan soit
pentée entre 2 points A et B, et qu’il n’y ait aucun
écoulement entre A et B (Fig. 36a). Cette situation
hautement théorique nous montre que tout point situé
quelque part entre A et B sous l’horizontale de A dans ce
cas, subit un gradient de pression égal à :
ρg∆
∆z /∆
∆x = ρg Tan θ
Fig. 36a : gradient de pression horizontal
- 136 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 36b : Spirale d’Ekman ;
depuis la surface, chaque lamine d’eau entraînée par
frottement par sa voisine supérieure se trouve déviée plus à
droite (hémisphère Nord), et ce d’autant moins que sa
vitesse décroît avec la profondeur.
En supposant le poids volumique ρ constant le long
de x, la force appliquée par unité de masse de l’océan (=
gradient de pression horizontal) est proportionnelle à la
gravité g et à la pente Tan θ. En conséquence, toute particule
de l’océan va se mettre en mouvement, et accélérer
uniformément en se déplaçant de B vers A.
Revenons à notre hypothèse et soyons réalistes un
instant ; cette eau en mouvement est soumise à la force de
Coriolis et se comporte comme un vent géostrophique. Il se
crée un courant dont le mouvement est dévié vers la droite
dans hémisphère nord, et qui comme les vents
géostrophiques, devient parallèle au gradient de pression qui
le fait naître. Comme le vent géostrophique il s’enroule sur
les isobares, dans l’océan cette fois. Comme pour les vents,
on parle de courant géostrophique. Cet écoulement est
symbolisé dans la figure 36a par un empennage de flèche de
couleur verte.
24/10/13
a - Température et thermocline.
Lire MC - Ocean - Thermocline - Belkatir & Rondeau.htm.
La pénétration de la lumière dans l’océan n’excède pas les
100 premiers mètres de l’océan, et c’est elle qui fournit sa
chaleur à l’eau de surface, principalement sous les basses
latitudes. La distribution des eaux chaudes de surface,
T°>25 (en rouge dans la Fig. 37) est donc largement
dépendante de la saison. On constate en revanche que la
latitude de l’isotherme 10°C (moyenne mensuelle) est
globalement stable au cours des saisons autour des
latitudes 40°N et 40°S.
La pénétration de la lumière dans l’océan n’excède
pas les 100 premiers mètres de l’océan, et c’est elle qui
fournit sa chaleur à l’eau de surface, principalement sous
les basses latitudes. La distribution des eaux chaudes de
surface, T°>25 (en rouge dans la Figure 37) est donc
largement dépendante de la saison. On constate en
revanche que la latitude de l’isotherme 10°C (moyenne
mensuelle) est globalement stable au cours des saisons
autour des latitudes 40°N et 40°S.
Fig. 37 : Température versus profondeur et latitude :
V. W. Ekman a montré à la fin du XIX° que le
courant provoqué par le vent induit sous l’effet de la force de
Coriolis un déplacement global moyen (c.à.d. sur l’ensemble
de la tranche d’eau soumise au vent). Le déplacement moyen
est perpendiculaire à la direction du vent (fig. 36b).
-1 : Coupe verticale Sud-Nord de l’Atlantique
2 - la circulation thermohaline
Lire MC - Ocean - Circulation thermohaline - Belkatir Coutens &
La circulation océanique résulte, de la même
manière que la circulation atmosphérique, du transfert de
chaleur de l’équateur vers le pôle. La quantité d’énergie à
transférer dépasse très largement la capacité de diffusion de
chaleur de l’eau, et donc l’essentiel du transfert de chaleur
est opéré par la convection, reliant surface et profondeur.
Cette Circulation ThermoHaline (THC) a été mise en
évidence par W. Broecker en 1987. Il la compare à un tapis
roulant tridimensionnel à d’échelle planétaire (cf. § E.3.e).
Rondeau.htm.
Les paramètres clefs de ce transfert sont donc ceux
qui (à une pression donnée, ou à une profondeur donnée)
sont susceptibles de modifier le poids volumique de l’eau
océanique, ce sont :
1 - sa température ;
2 - sa salinité.
On parlera alors de circulation thermohaline. Son rôle
dans la mise en place de la circulation profonde est tributaire
de la topographie et sera donc évoqué plus loin (§ E.3.f)
2 : a) b) c) Coupes verticales d’océans ouverts, à différentes
latitudes ; Noter la couche d’eau de surface plus froide que les
eaux profondes dans les hautes latitudes ;
d) Coupes verticales au long de l’année en Atlantique-Nord
- 137 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
On observe aussi que dans l’Atlantique-Nord cet
isotherme 10°C occupe une latitude beaucoup plus haute
qu’ailleurs (elle peut y dépasser 60°N), et on remarque enfin
des incursions en région tropicale d’eaux froides venues de
hautes latitudes le long des côtes Est des bassins océaniques,
dans les deux hémisphères. Ces anomalies proviennent de
distribution des masses continentales qui, si elles
n’influencent la circulation atmosphérique que par leurs plus
hautes montagnes, sont bien évidemment des barrières
infranchissables pour les courants océaniques. La
morphologie du plancher océanique joue elle aussi un rôle
primordial dans la circulation des eaux.
La tranche d’eau de surface est brassée par les
phénomènes atmosphériques, sensibles jusqu’à 80-100 m
environ. Cette première tranche d’eau est donc de
température relativement homogène à l’échelle régionale. En
dessous, la température de l’eau décroît plus ou moins
rapidement avec la profondeur, en fonction de la latitude et
de la saison (Fig. 37). Vers 500 à 800m, on atteint les eaux
profondes ; elles sont homogènes,
marquées par une
décroissance lente et régulière avec la profondeur,
décroissance qui diminue avec la latitude. On appelle
thermocline la tranche d’eau qui organise la transition entre
les eaux chaudes de surface et les eaux froides des
profondeurs. Il est important de noter que dans les régions
arctiques, la température passe par un minimum provoqué
par la formation de la banquise (qui consomme de la chaleur
latente de cristallisation). Ce processus de cristallisation
augmente donc la densité de l’eau liquide par
refroidissement. En outre, il extrait de l’eau douce de l’océan
et provoque en corollaire direct une seconde augmentation de
densité de l’eau liquide par accroissement de la salinité. Il
s’en suit une disparition de la thermocline sous les hautes
latitudes qui permet aux eaux très denses de surface de
plonger vers les fonds océaniques, alors qu’inversement,
sous les latitudes basses et moyennes, la stratification
remarquable de l’eau interdit les échanges par convection
entre la surface chaude et la profondeur froide. C’est donc
seulement au niveau des hautes latitudes, avec des
isothermes verticales ou presque et une densité renforcée que
l’océan peut être brassé sur toute sa hauteur. On note
cependant sur la coupe de l’Atlantique dans la figure 37 une
remontée spectaculaire des isothermes sous l’équateur,
montrant une remontée d’eau froide. Cet « upwelling »
équatorial est observable dans tous les océans ouverts, il est
provoqué par un couplage océan-atmosphère sur lequel nous
reviendrons au § E-3.
b - Salinité et halocline
24/10/13
Tableau 3 : Composition moyenne de l’eau de mer
0
Anions
/00 poids
Total
Chlorure Cl
19.0
Sulfate SO422.65
Bicarbonate HCO30.15
21.9%
Bromure Br0.065
Borate H2BO30.025
Fluorure F0.001
Cations
Sodium Na+
10.6
Magnesium Mg2+
1.3
Calcium Ca2+
0.4
12.6
+
Potassium K
0.35
Strontium
Sr2+ avec la vie aquatique
0.01
vont ainsi
contribuer
à soustraire une
fraction des solutés apportés au système océanique. Un
nouvel équilibre est donc rapidement atteint dans le milieu
marin, dont la composition moyenne (Tableau 3) semble
avoir été globalement stable autour de 34.5 grammes par
kg depuis plusieurs Ga. En fonction de leur solubilité, les
sels précipitent par évaporation de l’eau de mer, dans
l’ordre suivant : 1) le carbonate de calcium (CaCO3)
précipite le premier ; 2) lorsque l’on atteint 19% du
volume d’eau initial l’Anhydrite (CaSO4) ou le Gypse
(CaSO4.2H2O) commencent à précipiter ; 3) vers 9.5%,
c’est le tour du chlorure de Sodium (NaCl) ; 4) les autres
sels (chlorures, bromures ou iodures) commencent à
précipiter lorsqu’il reste moins de 4% du volume initial.
La carte de la salinité des eaux de surface de
l’océan est relativement différente de la distribution des
températures. On observe les concentrations en sel les
plus fortes en premier lieu loin des embouchures des
grands fleuves, dont la distribution n’est pas homogène à
la surface des continents, et en second lieu dans les zones
où l’évaporation maximum agit conjointement avec un
régime de précipitations minimum (Fig. 38a).
En résumé :
1 - L’océan s’évapore beaucoup sous l’équateur, mais il
pleut aussi beaucoup (Pot au noir); en outre des eaux
profondes moins salées viennent se mêler aux eaux
de surface. La salinité n’y est donc pas maximum
2 - Il pleut rarement sous les Horses latitudes et
l’évaporation y est encore très intense. C’est donc
vers 30° de latitude que les eaux de surface sont les
plus salées.
Fig. 38a : Salinité des eaux de surface de l’océan : 33-36.5 g/l
Lire MC - Ocean - Halocline - Belkatir.htm. Le sel de l’océan
provient de l’accumulation des solutés transportés en faible
quantité par les eaux douces des rivières, solutés qu’elles ont
elles-mêmes empruntés aux roches continentales par
altération chimique. Ces solutés sont transportés
conjointement avec les matériaux solides directement
arrachés à la roche (sables, graviers, galets) ou hérités de
l’altération chimique de cette roche (argiles, oxydes,
hydroxydes insolubles essentiellement). L’océan fournit à
l’ensemble de ces matériaux, solides et solutés, un milieu
beaucoup plus confiné qui va déplacer les équilibres
chimiques qui s’étaient établis dans les eaux continentales.
Ce milieu étant aussi beaucoup moins énergétique que le
milieu continental, le dépôt des matériaux solides imbibés de
la solution océanique est inéluctable. Les sédiments marins
- 138 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 38b : Coupes verticales Sud-Nord de la salinité des
océans.
24/10/13
l’Atlantique. Les eaux profondes du Pacifique et de
l’océan Indien apparaissent globalement homogènes.
3 - Dans l’hémisphère nord, il existe une langue à faible
salinité quasi symétrique nettement dessinée dans le
Pacifique-Nord (Fig. 38b), prenant naissance elle
aussi vers 40° ; par contre on n’observe pas de
langue symétrique peu salée au nord de l’équateur
dans l’Océan Indien, immédiatement limité au nord
par le continent indien.
On voit clairement dans ce dernier point le rôle que
joue la position des masses continentales dans la
circulation thermohaline, en limitant ici l’océan Indien
vers le nord et en interdisant ainsi la formation d’une
masse peu salée. C’est aussi la distribution des continents
autour de l’océan Atlantique-Nord qui interdit la
formation d’une langue peu salée, océan qui se continue
pourtant jusqu’au pôle par l’océan Arctique. La raison en
est double :
1 - les eaux chaudes et salées du Gulf-Stream remontent
très au nord ;
3 - Il pleut beaucoup au voisinage du Front polaire et cette
eau douce abaisse la salinité de l’océan . En outre, la
température moyenne y est beaucoup plus basse (10°
environ) et limite l’évaporation. Néanmoins, dans
l’Atlantique-Nord, les eaux de surface apparaissent
considérablement plus salées que leurs homologues du
Pacifique-Nord ou des latitudes sud.
4 - Sous les hautes latitudes, les précipitations neigeuses
qui viennent épaissir la banquise n’ont plus aucun effet
diluant pendant l’hiver.
2 - La Méditerranée déverse dans l’Atlantique une eau
sur-salée (en rose in Fig. 38b) qui renforce en
profondeur la masse des eaux salées de surface de la
région chaude des latitudes 10-30°N. Cette langue
gagne l’équateur et constitue une strate plus salée
sous la langue sous-salée en provenance des hautes
latitudes sud.
3 - Rôle de la topographie et de la latitude.
Soumises à la force de Coriolis et limitées dans
leur déplacement par les continents, les eaux de surface
des océans subissent la poussée des vents. Le nombre des
paramètres est petit, pourtant leurs effets sont multiples
(fig. 39a) et conduisent à une circulation superficielle
constituée de cellules en rotation plusieurs milliers de km
de diamètre, dénommées gyres. Elles sont grossièrement
symétriques par rapport à l’équateur sous l’action de la
force de Coriolis, (Fig. 39b).
Par similitude avec la thermocline, on appelle
halocline le gradient de concentration important qui sépare
les eaux chaudes de surface rendues plus salées par
l’évaporation, des eaux profondes. Cette notion doit
néanmoins être utilisée avec prudence car,
Fig. 39a : Carte des courants et de la surface topographique de l’océan
comme nous venons de le voir, les causes de
(dressée les 23-24 septembre 1993).
variation de salinité sont multiples, et donc la
distribution de la salinité complexe :
1 - La salinité des eaux froides et profondes
apparaît très comparable dans les trois
océans dans l’hémisphère sud (Fig. 38b, et
Fig. 51a AABW = Antarctic Bottow
Water). Cette symétrie radiale au Sud est
provoquée par la position centrée sur le
pôle du continent Antarctique.
2 - Partant de l’équateur vers le sud, on
observe en surface vers 40-45° une chute
brutale de la concentration en sel. Celle-ci
ne remonte qu’à proximité immédiate du
continent Antarctique. Ces eaux peu salées
(en bleu <34.5, mg in Fig. 38b, et Fig. 51a ;
AAIW = Antarctic Intermediate Water)
constituent une langue dont la profondeur
n’excède pas 2000m, mais qui s’étend
jusqu’au delà de l’équateur dans
- 139 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 39b : Carte de grandes gyres océaniques
a - Gyres océaniques
Lire MC - Ocean - Gyres - Belkatir Coutens & Rondeau.htm. En
Atlantique-Nord on observe ainsi une gyre subtropicale,
entre 15°N et 45°N environ, encore nommée Atlantic
Meridional Overturning Circulation (AMOC,
(
ne pas
confondre avec AMO, § 5.D.4.e) et une gyre subpolaire
plus au nord. L'échange de masse et de chaleur entre ces
deux gyres est influencé par la circulation thermohaline
reliant surface et profondeur.
ord, sous l’effet de
Dans l’océan Atlantique tropical Nord,
l’Alizé du NE, ces eaux déplacées d’ouest en est
e et de SE en
NO tournent dans le sens horaire sous l’effet de la force de
Coriolis. En outre elles viennent buter sur les Antilles et
l’isthme Centre américain (Fig.39b),
), et amorcent ainsi la
grande gyre Nord-Atlantique subtropicale du Gulf Stream
(Fig. 40a). Ce courant très fort fut reconnu très tôt, en 1513,
par Spaniard Ponce de Leon ; ses bateaux en route directe
depuis Porto
orto Rico vers ce que l’on nomme aujourd’hui la
Floride avaient eu beaucoup de difficulté à le traverser. Il
faudra néanmoins attendre B. Franklin (1777) pour disposer
d’une première carte portant la trajectoire de ce courant et ce
n’est qu’avec l’avènementt des modèles simplifiés des océans
(seconde moitié du XX°) que l'origine physique du Gulf
Fig. 40a: Image de la T° de surface du Gulf-Stream,
Gulf
auu contact des eaux froides en provenance du Labrador . La
ligne noire représente la bordure du plateau continental.
24/10/13
Stream sera comprise. Dans
l’océan Atlantique tropical
Su
Sud,
l’alizé
du
SE
engendrent
de
façon
symétrique la grande boucle
de l’Atlantique central,
entre le Brésil et les côtes
africaines (Fig.39).
(Fig.
Comme dans une
simple
rivière,
les
écoulements géostrophiques
sont
turbulents
et
incorporent à leur périphérie
des
eaux
contrastées,
donnant naissance ainsi à de
grands
tourbillons
observables par les mesures
de température de surface
(Fig. 40a) et par l’altimétrie
altimétrie satellitaire (anomalies
positives de rotation normale, et négatives de rotation
inverse (Fig. 40b), les taches rouges sont les tourbillons
anticycloniques de rotation normale dextre, et les bleues
appelées Cyclones,
s, tournent en sens inverse). On se
réfèrera à l’exposé au collège de France de Laure SaintRaymond et al. (2010) pour la modélisation mathématique
des gyres d’étendue 10-100
100 km, http://www.college-defrance.fr/media/pierre-louislions/UPL37046_Laure_Saint_Raymond.pdf
lions/UPL37046_Laure_Saint_Raymond.pdf.
De tels tourbillons
ont une persistance de l’ordre de 1 à 10 ans, radicalement
différente des gyres à l’echelle de l’océan.
L’affaiblissement
ement du Gulf Stream est considéré de
nos jours comme un évènement hautement probable lié au
changement climatique, par un enchaînement en cascade
de phénomènes :
1 - réchauffement climatique des eaux polaires,
2 - fonte de la banquise et refroidissement faible de
d
l’océan Arctique en hiver,
3 - densité faible des eaux de surface de l’océan
polaire.
Le résultat ultime en serait le non plongement de
ces eaux et les conséquences climatiques pour l’Europe de
l’Ouest en seraient considérables.
considérables Située à la même
latitude que le Canada, les
es côtes européennes sont
Fig. 40b : Altimétrie satellitaire de surface du Gulf-Stream
Gulf
au contact des eaux froides en provenance
pro
du Labrador .
- 140 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 40c : Gyre arctique de Beaufort.
24/10/13
Fig. 41 : Courants péri-Antarctiques.
http://nsidc.org/cryosphere/seaice/processes/circulation.html
Fig. 40d : Détroit de Fram entre Groënland et Svalbard
actuellement réchauffées par le Gulf Stream. Nous y
reviendrons au paragraphe E.3.f.
La surface de l’océan Arctique est soumise aux vents
subpolaires engendrés par les hautes pressions polaires qui,
Coriolis oblige, entraînent la banquise et la masse d’eau
superficielle avec elle dans une gyre géostrophique de sens
horaire, la gyre de Beaufort (Fig. 40c). Ce déplacement
(rotation) de la banquise est connu des Européens depuis
qu’ils se sont lancés à la conquête du pôle. Il est complété
par le courant de dérive transpolaire (Transpolar Drift
Stream) qui quitte le bassin Arctique via le détroit de Fram
(Fig.40d), qui est aussi le seul endroit profond permettant
une communication nord-sud de surface et de fond entre le
bassin Arctique et l’Atlantique-Nord. Chaque été, le détroit
constitue l’échappatoire pour la banquise démembrée.
b – Westerlies ou Quarantièmes et les
cinquantièmes
Lire MC - Ocean - Westerlies - Coutens.htm. Les vents de
secteur ouest des latitudes plus élevées, comme les
Westerlies de l’Atlantique-Nord, poussent l’eau de surface
devant eux en amorçant un virage vers l’équateur (Coriolis
oblige). Ils participent ainsi avec les alizés à la constitution
des grandes gyres océaniques subtropicales, bien
identifiables dans l’Atlantique-Nord et -Sud (e.g. carte des
courants observés les 23-24 septembre 1993, Fig. 39a et
Fig. 39b).
l’Amérique et la Péninsule Palmer du continent
Antarctique (fig. 41, lire MC - Ocean - Courant Circum
Antarctique - Coutens.htm). La circulation des vents d’ouest
du Pacifique-Sud, « Quarantièmes rugissants » et
« Cinquantièmes hurlants » décrits par B. Moitessier dans
« la longue route » (Arthaud 1971), organisent la
circulation océanique de surface en un courant circumAntarctique puissant que durent affronter, bien avant les
Moitessier et autres J. Slocum, les marins en route vers
Valparaiso, jusqu’à l’ouverture du canal de Panama en
1914. Le passage du Horn avec des voiles carrées, par 50°
de latitude contre vent et courant pouvait alors durer deux
à trois mois ! Ces eaux de surface qui franchisse le détroit
de Drake sont partiellement incorporées à la gyre
Atlantique-Sud. Pour C. Wunsch (in D. Swingedouw,
2006), la turbulence liée au forçage éolien au niveau des
40ièmes rugissants et des 50ièmes hurlants et la force de
marée (qui déplace des volumes d’eau considérables) ont
pour conséquence la diffusion des eaux profondes et
denses, qui sont ainsi tirées vers la surface. Pour l’auteur,
l'appellation circulation thermohaline prête donc à
confusion car ce n'est pas le gradient de densité qui nourrit
la circulation mondiale mais plutôt cette diffusion dans
l'océan profond. Pour autant, les eux profondes circumAntarctiques restent largement isolées (cf. § E.3.f,
Fig. 51a).
c - « Upwellings »
Lire MC - Ocean - upwellings downwellings - Belkatir &
Les vents alizés convergent du NE et du SE
vers l’équateur (Fig. 42). En soufflant, ils poussent vers
l’ouest une masse d’eaux équatoriales de surface. Dès lors
que l’on quitte l’équateur, la force de Coriolis dévie cette
masse d’eau de surface de part et d’autre de la ITCZ
(courants d’Ekman vers le NO et le SO) et laisse remonter
Coutens.htm.
Fig. 42 :Alisés et upwelling équatorial ; Pointillé = équateur
L’océan mondial Sud est largement fermé par l’étroit
goulet (Passage de Drake) entre la Terre de Feu de
- 141 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 43a :
situation La Niña sur le Pacifique ;
24/10/13
SW-NE des côtes américaines qui infléchit singulièrement
le Gulf-Stream à son départ, et de celle des côtes afroeuropéennes aux latitudes moyennes sur l’autre rive, une
part importante du Gulf-Stream est déviée vers les hautes
latitudes dans le NE et donne le courant NordAtlantique54. Il est à l’origine de l’anomalie >0 de
température et de salinité (Fig. 37 & 38a-b) observée dans
l’Atlantique-Nord, qui interdit la formation d’une langue
peu salée et peu profonde comme dans le Pacifique-Nord
(Fig. 38b en bleu).
observée par altimétrie satellitaire ;
4 - Les couplages océan-atmosphère.
a- El Niño / Southern Oscillation system
(ENSO) Couplage Océan-atmosphère,
Fig. 43b :
situation El Niño sur le Pacifique
observée par altimétrie satellitaire ;
ainsi des eaux plus profondes et froides. On parle de courant
de “upwelling” équatorial.
Au voisinage des continents sous le vent des alizés,
(côtes Ouest des Amériques et de l’Afrique) et en situation
normale d’équilibre de l’atmosphère, les alizés écartent la
masse d’eau de la côte laissant émerger un upwelling côtier.
Vers des latitudes plus élevées, les eaux froides de ces
upwellings côtiers se mêlent aux eaux froides de surface des
branches orientales des grandes gyres, N-S ou S-N (selon
l’hémisphère). Leur rotation, dextre dans l’hémisphère nord
et senestre dans l’hémisphère sud, est bien visible dans la
figure 39. Les masses d’eaux de surface ainsi transférées vers
l’équateur le long des côtes orientales des océans sont bien
entendu déviées par la force de Coriolis. Ceci tend à éloigner
l’eau de la côte, située dans l’Est du courant dans les deux
cas. Il s’en suit un appel d’eaux profondes, tout le long de la
côte du Maroc (ex-Sahara occidental) et de la Mauritanie, ou
le long des côtes du Chili, qui viennent renforcer l’upwelling
côtier.
Dans l’Atlantique-Nord, en raison de la topographie
Lire MC - Atm_Ocean - El Nino.htm. Dans le Pacifique,
les alizés très réguliers du SE accumulent donc dans la
région indonésienne une grande quantité d’eau chaude en
provenance des côtes de Colombie – Equateur – Pérou Chili (Fig. 43a). La thermocline apparaît ainsi plus
profonde dans la région indonésienne (Fig. 43c à gauche,
page suivante), et permet à des eaux plus froides et riches
en nutriment (phosphates) de remonter vers la surface
(Fig. 43c, à droite en rouge) donnant la langue bleue de la
figure 43a. Les eaux chaudes (en rouge) sont massivement
stockées à l’Ouest, entre 180° et 150° de longitude.
Poussée à son paroxysme, cette situation est
appelée “La Niña” ; elle correspond à la période faste de
bonne pêche en mer et de climat très sec sur la bordure
continentale Sud-Américaine. Cette situation stable que
connaît l’océan Pacifique durant des mois résulte d’un
phénomène de couplage océan-atmosphère centré sur le
Pacifique tropical, mais qui intéresse en fait plus de la
moitié de la surface terrestre.
On appelle ENSO, pour El Niño Southern
Oscillations, cet ensemble à grande échelle de
fluctuations cohérentes de la température de l’air et de
l’eau, de la pression atmosphérique, de la direction et de
l’intensité des vents et des courants marins. Ces
fluctuations se traduisent dans la météo de toute cette
région et perturbent fortement le monde vivant. Les
épisodes chauds « El Niño » (Fig. 43b), constituent avec
les épisodes froids « La Niña » (Fig. 43a) les deux termes
extrêmes du cycle ENSO.
Observé du point de vue océanique, un épisode El
Niño (aux alentours de Noël, d’où son nom de petit
Jésus) se traduit dans l’océan tropical Est-Pacifique par
une augmentation brutale de 2 à 5°C au-dessus de la
température moyenne de l’eau (jusqu’à 28°C, en
particulier le long des côtes Sud-Américaines). La
température devient alors quasi uniforme sur l’ensemble
du Pacifique équatorial. Du point de vue atmosphérique,
on observe l’effondrement des vents alizés, et le
déplacement vers le sud de la Zone de convergence
Intertropicale (ITCZ55, Fig. 44, page suivante).
54
Observez à cet égard le contrôle exercé par le talus
continental Nord-américain sur le mélange avec les eaux
froides sur la figure 25.
55
Responsable du cycle de la mousson dans l’océan
Indien, la ITCZ est normalement installée au nord de
- 142 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 43c : Coupe W-E de l’océan
céan Pacifique:
T°, 0-25°C
24/10/13
Teneur en phosphate 0-3 µM/l
jusqu’à 4° sous la température
moyenne, caractérisant alors un
épisode La Niña (l’Infante). On
voit donc que le phénomène El
Niño, s’il est bien saisonnier, n’est
pas
annuel ;
il
apparaît
irrégulièrement, entre 3 et 7ans en
général.
Dans
le
contexte
d’élévation de la température
moyenne qui caractérise la fin du
XX° siècle et ce début de XXI°, la
température accrue de la surface de
l’océan
conduit
à
un
rapprochement
des
épisodes
ENSO..
Les eaux chaudes stockées dans l’Ouest-Pacifique
l’Ouest
Dans
ans les conditions ordinaires de fonctionnement,
reviennent avec El Niño sur les côtes Sud-Américaines
Sud
les alizés forts qui caractérisent le Pacifique et refoulent
(Fig. 43b, en rouge)) avec un courant équatorial très
tr fort.
les eaux chaudes superficielles vers l’ouest traduisent un
Celui-ci bloque les 2 courants nutritifs : en profondeur le gradient de pression atmosphérique élevé entre la région
56
courant d’upwelling ; en surface le courant côtier froid des Galápagos - Tahiti et celle
elle de l’Australie – Indonésie.
(venant du sud du Chili, cf. § précédent). La pêche côtière
On appelle Southern Oscillation Index (SOI), ce
devient alors très peu productive, à tel point que lors des
épisodes El Niño les plus sévères, la population
pop
des oiseaux gradient mesuré entre Tahiti et Darwin en Australie. En
de mer subit des pertes extrêmement lourdes. Cette onde général, la courbe de variation dans le temps du SOI
d’eau chaude diverge ensuite vers le nord et le sud,
s
elle est (Fig. 45a) est étroitement corrélée (négativement) avec
réfléchie par la Côte Nord-Américaine
méricaine et repart vers
le Japon à travers le Pacifique-Nord.
Fig.45a : Corrélation négative entre variation du SOI et variation de
température
Il s’en suit des pluies orageuses très
abondantes sur le Pacifique-Est
Est et sur les côtes de
Bolivie - Pérou - Chili. Des régions ordinairement
désertiques
de
ces
pays
se
couvrent
momentanément de prairies ; inversement, le Nord
de l’Australie, l’Indonésie, les Philippines subissent
une intense sécheresse. Ailleurs un temps plus
humide que la normale est souvent observé
pendant la période Décembre à Février,
Février citons le
long des côtes de l’état d’Equateur, ou bien le SudBrésil, l’Argentine, ou enfin l’Afrique
’Afrique équatoriale.
Un climat plus chaud que la normale est observé sur
le Japon, l’Asie du Sud-Est,
Est, et sur le Sud du Canada
Central. Cette période pluvieuse s’étend sur les
celle des températures de l’océan Pacifique équatorial ; les
mois de Juin à Août en se déplaçant sur les chaînes Andines
pics prolongés positifs coïncident avec les épisodes La
du Chili et Rocheusess des USA. Un temps anormalement sec
Niña alors que les périodes prolongées de SOI négatif,
règne au contraire sur l’Amérique Centrale et le Sud de
coïncident avec les évènements El Niño.
l’Afrique de décembre à Février, et plus froid sur le Golfe
G
du
ENSO influence la
circulation globale de
Mexique, puis sur l’Est-Australien
Australien entre Juin et Août. A
Niño via un
l’opposé, durant la même période de Décembre
Décembr à Mars, la l’atmosphère lors d’un évènement El Niño,
température de l’océan Pacifique-Est
Est tropical peut descendre transfert de chaleur important dans l’atmosphère audessus de la zone anormalement chaude et une convection
Fig. 44 : Variations saisonnières de la ITCZ
profonde de celui-ci,, qui va se propager à des milliers de
kilomètres de l’équateur,, sous forme d’ondes de chaleurs
c
Fig. 45b : Pont atmosphérique ENSO
l’équateur dans l’océan Pacifique Est pendant l’été.
56
la pente de la thermocline
rmocline de la Figure 27 s’inverse et
plonge vers l’Est.
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Atmospheric_bridge.png
- 143 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
réfléchies par le pôle. On appelle « pont atmosphérique »
(Fig. 45b) cette influence ENSO à distance sur la zone
Aléoutienne via la troposphère.
24/10/13
Fig. 46a-1 : Cartographie de la SST
Sea surface temperature ;
Phase chaude
Phase froide
b - PDO / Pacific Decadal Oscillation,
Couplage Océan-Atmosphère
Depuis longtemps, il a été observé sur le PacifiqueNord sous les latitudes moyennes des anomalies de
températures qui sont soumises à des variations à longue
période (pluridécennales, 50-60 ans). En 1976 et 1977 déjà,
C. Frankignoul et K. Hasselmann du Max-Planck-lnstitut
fur Meteorologie, expliquaient ces variations par leur
concept de « modèles stochastiques aléatoires du climat »,
pour lesquels ces variations sont une réponse de la tranche
océanique de surface à des sollicitations atmosphériques de
période courte.
C’est dans le cadre d’une étude de la production des
saumons de N. Mantua et al. 1997 qu’apparut le nom de
Pacific Decadal Oscillation (PDO), pour décrire le fait que
la température de surface de l’océan (SST) augmente à l’est
pendant qu’elle diminue à l’ouest (phase dite positive ou
chaude, Fig. 46a-1, àgauche) ; puis le phénomène s’inverse
(phase dite négative ou froide Fig. 46a-1, à droite) sur les
échelles de temps de 20 à 30 ans (Fig. 46a-2). Cette
oscillation sous les latitudes moyennes est actuellement
décrite pour les Pacifiques-Nord et -Sud sous le nom
d’interdecadal Pacific oscillation (IPO ou ID). La PDO
affecte aussi le continent américain ; F. Biondi et al. 2001
ont montré qu’une reconstruction de cette oscillation est
possible à travers l’étude des anneaux de croissance des
arbres (Baja California) sur la période 1661 à nos jours.
http://jisao.washington.edu/pdo/
Fig. 46a-2 : Variation de l’index PDO
(valeurs mensuelles) de 1900 à 2013
données txt file http://jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest
Durant l’été, la majeure partie de cette tranche reste
piégée sous les eaux surchauffées de surface, et réapparaît
l’hiver au suivant, d’où le nom de "reemergence
mechanism" donné par M.A. Alexander et C. Deser
1995.
Enfin, le processus inventé par Frankignoul et
Contrairement à ENSO, processus équatorial Hasselmann résiderait naturellement dans le passage de
répondant à une seule sollicitation physique, la PDO apparaît tempêtes qui modifient le niveau d’énergie contenu dans
comme une réponse à une sollicitation physique complexe, le mixed layer, via les vents et courant d’Ekman induits.
basée en premier lieu sur une influence immédiate
L’implication du pompage d’Ekman dans le
(concomitante) des évènements El Niño, et en second lieu sur
une influence différée et extratropicale de ceux-ci. Cette phénomène apparaît clairement dans la superposition des
influence extratropicale est la réponse à la convection courbes de l’index PDO et de l’altitude de la surface de
profonde que les évènements El Niño engendrent dans l’océan dans cette zone (Fig. 46b-2, page suivante). On
l’atmosphère. Elle se traduit par l’apparition d’une anomalie notera la coïncidence des périodes positives chaudes avec
les périodes d’élévation de la température durant le XX°
de température de la surface du Pacifique sous
les latitudes moyennes, durant l’hiver qui suit
Fig. 47 : « mixed layer »
les évènements El Niño.
Interviennent en outre sur la PDO des
modifications de la gyre Nord-Pacifique et du
cycle saisonnier que constituent i) la
« réémergence des eaux chaudes » en surface
aux latitudes moyennes (voir explication ciaprès) et ii) les transferts de chaleur décrits au §
ENSO (de l’océan vers l’atmosphère et pont
atmosphérique). La présence d’eaux chaudes en
surface d’un hiver à l’autre mais pas durant
l’été entre les 2, est causée par le cycle
saisonnier que subit la tranche supérieure de
l’océan. On nomme « mixed layer » cette
tranche supérieure turbulente, soumise au vent
et donc aux courants d’Ekman, dont la
température est verticalement homogène, (Fig.
47). La profondeur du mixed layer atteint 100 à
200 m de plus en hiver qu’en été dans cette
zone du Pacifique-Nord. Il en résulte une
moindre importance de la température (basse en
hiver, chaude en été) des eaux de surface.
http://www.locean-ipsl.upmc.fr/~cdblod/mld.html
- 144 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 46b 1-2 : Index PDO
b-1 : Variation de l’index PDO depuis 85 ans
24/10/13
l'Islande et ii) un anticyclone centré sur les Açores
et la Péninsule Ibérique. Ces 2 structures bien
définies (Fig. 48a-1) présentent un mode de
variabilité caractérisé par une forte cohérence
spatiale à grande échelle, qui représente une
redistribution des masses atmosphériques entre les
régions arctiques ou subarctiques et les régions
subtropicales de l'Atlantique.
Cette variation est appelée Oscillation
Nord Atlantique (NAO). On parle de phase
positive (NAO+, Fig. 48a2 à gauche) lorsque les
deux centres d'action se renforcent — creusement
http://www.nwfsc.noaa.gov/research/divisions/fed/oeip/ca-pdo.cfm
de la dépression d'Islande, gonflement et intensification
de l'Anticyclone des Açores — et de phase négative
b-2 : Comparaison de l’index avec la hauteur de l’océan
(NAO-, à droite) lorsque les deux s'affaiblissent
simultanément. Ces fluctuations ont des
conséquences directes sur le climat, depuis la côte
Est des Etats-Unis à l'Eurasie, et de l'Afrique du
Nord et du Moyen-Orient jusqu’en Arctique, que
l'on peut résumer comme suit :
1Un indice positif, NAO+, correspond à
une pression plus élevée que la moyenne en hiver
sur les Açores — l'anticyclone (A) y est plus fort que
la normale — et une pression plus faible que la
moyenne sur l'Islande — avec une dépression (D)
plus creuse — (Fig. 48a-2 gauche). Le centre des
HP est placé sur le Groënland et le centre de
dépression est situé au milieu de l’Atlantique.
L'impact d'un NAO+ est un courant-jet direct (Fig.
48a-3, Lire MC - Atm - Courant Jet -Hamelin.htm ; Q - Atm -
http://www.esr.org/pdo_index.html
siècle (Fig. 46b-1). Cet index, résultat d’une combinaison de
paramètres dont bien sûr la SST, est considéré par certains
auteurs comme discutable dans la mesure où les auteurs
introduisent la soustraction d’une quantité liée au
réchauffement global afin de s’en affranchir. Reste la courbe
de hauteur de l’océan et la variation de la taille des cernes
des arbres de Baja California, qui ne peuvent être entachées
du même défaut, pour attester de la réalité physique du
phénomène PDO.
Fig. 48a-2 : Impacts des deux phases de la NAO
a-2 : (from Martin Visbeck, Lamont-Doherty
Observatory).
Earth
c – NAO (North Atlantic Oscillation) ou AO
(Arctic Oscillation), un même couplage
Océan-Atmosphère en hiver
L'Atlantique-Nord est caractérisé en hiver par
l'existence de 2 structures, i) une dépression centrée sur
Fig. 48a-1: Structure spatiale de la NAO d'hiver.
L'incrément entre contours est de 0,5 millibar et les
points représentent la localisation des stations
météorologiques Lisbonne (Anticyclone des Açores) et
Stykkisholmur (Dépression Islandaise) dont les relevés
sont utilisés pour construire l'indice NAO.
Fig. 48a-3 : déplacement du jet stream avec la NAO,
Voir http://www.whoi.edu/page.do?article=54686&cid=46643&cl=32713&pid=7545&tid=1061
http://www.newx-forecasts.com/nao.html
- 145 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Quelle importance des courants Jets dans
la circulation atmosphere - Hamelin.htm)
et un renforcement des vents
d'ouest à sud-ouest entre les deux
structures. Cela conduit à plus de
douceur, plus de pluie et à des
tempêtes plus fréquentes (et plus
violentes) sur l'Europe du Nord à
partir du nord de la France. La
moitié sud de la France connaît
alors
un
climat
hivernal
méditerranéen, sec et doux. Sur le
nord du Canada et le Groenland,
l'hiver est alors froid et sec et l'est
des États-Unis subit un temps
doux et humide.
24/10/13
Fig. 48b : valeurs annuelles de l'indice NAO depuis 1830 ;
(barres rouges NAO+ ou bleues NAO-). La courbe en trait plein noir correspond à
une moyenne glissante filtrant les fluctuations inférieures à 4 ans.
On observe clairement des périodes de plusieurs années où l'indice moyen est
plutôt positif (1980-1998), et d'autres où il est plutôt négatif (1955-1974).
2- Un indice négatif, NAO- (Fig.
48a-2 droite), correspond à la
situation inverse — l'anticyclone des Açores (A) est plus
faible que sa valeur normale d'hiver et il est placé plus au sud
du Groënland, et la dépression d'Islande (L) est faiblement
marquée et déplacée vers l’Est de l’Atlantique — imposant
au courant-jet de contourner le Groënland (Fig. 48a-3).
Par conséquent, les vents d'ouest ne sont pas très forts,
les tempêtes sont rares sur l'Europe du nord qui passe
sous l'influence de l'Anticyclone de Sibérie, générant un
hiver froid et sec. Les trains de perturbations circulent
au niveau de la Méditerranée ; l’hiver est humide aux
latitudes sud-européennes et nord-africaines, plutôt
doux au Groenland et la côte Est des États-Unis est
soumise à des épisodes froids et neigeux.
La NAO étant caractérisée classiquement par le
champ de pression au niveau de la mer — pour lequel on
dispose de longues séries chronologiques des moyennes mensuelles
— on peut rechercher la signature de la NAO (Fig. 48b) dans
l'histoire. Son évolution temporelle présente une forte
variabilité sans échelle de temps caractéristique
contrairement aux phénomènes ENSO ou PDO. C. Cassou et
L. Terray notent que la fin du XX° siècle est dominée par
l'alternance de périodes décennales qui privilégient les
phases négatives dans les années 50 à 60 et positives depuis.
Pour les auteurs, ces 30 dernières années se rapprochent du
début du siècle, où une certaine persistance en phase positive
était également décelable, mais contrastent par les fortes
valeurs de l'indice (7 parmi les 10 valeurs les plus élevées au
cours des 150 dernières années ont été enregistrées depuis
1980).
Les modèles de circulation générale atmosphérique
(dans lesquels on impose les températures de surface de la
mer) dessinent des structures de pression évoluant de façon
similaire à la NAO, suggérant que celle-ci est en fait un
mode de variabilité intrinsèque à l'atmosphère. Les
mécanismes en reposeraient seulement sur l'interaction entre
l'écoulement ordinaire de l’atmosphère (courant-jet de haute
altitude, ondes atmosphériques stationnaires etc.) et des
tourbillons transitoires (ou tempêtes). Ainsi, le modèle
d'atmosphère n'a pas « besoin » de la variabilité océanique ou
des autres sous-systèmes climatiques pour reproduire le
mode spatial NAO (contrairement à l'ENSO) ; Cassou et.
Terray notent en revanche que les fluctuations temporelles de
la NAO simulées ne privilégient aucune période
caractéristique, et n’expliquent pas les fluctuations
décennales observées. Pour les auteurs, une possibilité est
l'influence d'un autre sous-système climatique capable de
http://www.ifremer.fr/lpo/cours/nao/nao3.html
modifier l'occurrence et/ou la persistance de phases
spécifiques de la NAO.
L'océan est le principal candidat. On observe en
effet des anomalies des températures océaniques de
grande échelle sur le bassin Atlantique étroitement liées
aux phases de la NAO (Fig. 48a-2). Pour Cassou et
Terray, c'est à travers la modification des échanges airmer (chaleur latente et sensible) que l'atmosphère
« imprime » ses anomalies à l'océan de surface, y
dessinant une structure à trois branches en phase NAO +:
1- Le renforcement des vents d'ouest sur le nord du
bassin Atlantique, associé à la course plus
septentrionale des tempêtes tend à refroidir
davantage l'océan par augmentation de l'évaporation
de surface ; les descentes d'air froid et sec d'origine
polaire sur le Nord-Ouest du bassin tendent
également à refroidir la Mer du Labrador ;
2- Aux moyennes latitudes, règnent alors des conditions
plus clémentes qui tendent à réchauffer
anormalement l’eau de surface (diminution de
l'évaporation) ; les remontées d'air plus chaud
(régime de sud-ouest dominant) tendent à réchauffer
l’océan médian le long des côtes américaines et
européennes.
3- Sous les tropiques, l'intensification des alizés due au
renforcement de l'Anticyclone des Açores induit un
refroidissement du bassin tropical de l'AtlantiqueNord en réponse à une évaporation de surface plus
intense.
En période NAO-, c'est la structure inverse qui se
dessine.
D'après le National Snow and Ice Data Center, la
NAO et l'AO (Arctic Oscillation, Fig. 48c, page suivante)
sont 2 façons de décrire le même phénomène. L'AO est
une variation d'une année à l'autre de la différence de
pression atmosphérique au niveau de l'océan, entre le pôle
et la latitude 20°N. Cette variation se traduit bien sûr dans
la position et l'intensité des dépressions arctiques et des
anticyclones au Sud. A la différence de la NAO qui
n'intéresse que l'Atlantique ou de la PDO qui ne s'applique
qu’au Pacifique, l'AO couvre tout l’hémisphère nord.
L'AO est en phase AO+, comme en NAO+,
lorsqu'une plus grande différence de pression existe entre
- 146 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 48c : l'AO et la NAO, 2 façons de décrire le même phénomène
"D'après le National Snow and Ice Data Center,
24/10/13
banquise vers le Groënland et qui se charge en
humidité, favorisant le rayonnement de
downwelling des ondes longues, source d’une
fonte très importante da la calotte glaciaire.
Il en résulte aussi côté Groënland un fort
vent de nord qui entraîne la banquise et la laisse
s’écouler vers l’atlantique par le détroit de Fram,
conduisant à une forte diminution de sa surface
au paroxysme du phénomène, en août-septembre.
http://nsidc.org/arcticmet/patterns/arctic_oscillation.html
les basses pressions polaires et les hautes pressions des
latitudes tempérées. Elle est en AO- comme pour la NAOlorsque les différences de pression entre les 2 structures sont
faibles.
Cette situation à la surface du globe est intimement
liée au comportement de la haute troposphère et de la
stratosphère. En phase AO+, la stratosphère se refroidit. Le
contraste nord-sud renforce alors les vents ouest-est tournant
autour du pôle Nord et creuse profondément un vortex
polaire, responsable d'un pôle Nord stratosphérique très froid
en phase AO+. Lire MC - Atm - Vortex Antarctique - Ozone Puyau.htm
Il avait été proposé dès les années 80 que le
glissement des centres de pression de la NAO entre les 2
positions pourrait avoir un effet sur le l’ « exportation » des
glaces Arctiques vers l’Atlantique via le détroit de Fram
(voir la description du phénomène au § d : été, ci-après).
Comme le soulignent G. W. K. Moore, I. A. Renfrew & R. S.
Pickart (2013), ce déplacement des centres et l’écoulement
massif de la banquise Arctique vers l’Atlantique sont souvent
considérés comme résultant de l’accroissement du transfert
de chaleur de l’atmosphère vers la glace et l’eau de l’océan
(voir § d : été, ci-après). Pour les auteurs, le mouvement des
centres de pression n’est pas seulement causé par le les
conditions de NAO. Il résulterait aussi d’interactions avec
deux autres modes de variations intéressant d’une part l’EstAtlantique et d’autre part le champ des pressions en
Scandinavie. D’après les auteurs, il s’en suivrait des
déplacements des centres de pression et donc une
modification de l’indice NAO à une échelle de temps
pluridécennale, dont ils observent un déplacement du dipôle
vers l’Est-Atlantique durant la période 1930-1950 et un
schéma semblable dans le passé récent. On notera dans la
figure 48 a-3 que la situation NAO- conduit en effet à des
températures de surface de l’Océan Nord-Atlantique et
Arctique relativement chaudes par rapport aux conditions
NAO+
En 2012, M.L. Kapsch et al. ont montré
que le phénomène est déclenché dès le printemps
par une intensification de la nébulosité et de la
teneur en vapeur d’eau, qui jouent un rôle clef
dans le renforcement du rayonnement de grande
longueur d’onde (IR) dans la basse atmosphère.
Pour les auteurs, l’impact des autres GES ne peut
que jouer dans le même sens, et la diminution de l’albédo
avec la fonte anormale de la glace conduit à un feedback
positif responsable de l’exagération de ce phénomène
estival. Ne retrouve-t-on pas là des éléments conformes au
schéma de G. W. K. Moore, I. A. Renfrew & R. S. Pickart
décrit au § précédent, et pour qui le degré d’exportation
des glaces en été est dépendant de l’état de la NAO durant
l’hiver qui précède ?
Enfin, H.R. Langehaug et al. ont observé en 2012
que l’historique à long terme confirme que plus
l’exportation de la banquise à travers le détroit de Fram
est intense, plus la glace de la banquise est fine. Il y a
donc bien une fusion particulièrement intense de la
banquise dans ces conditions.
L’augmentation du CO2 et des GES en général joue
un rôle considéré comme majeur dans l’amplification de
l’effet de serre aux basses altitudes d’année en année,
faisant du recul de la banquise le meilleur proxi de
l’augmentation du CO2. Gardons néanmoins en tête le rôle
peut-être clef de l’AO…
e - AMO (Atlantic Multidecadal Oscillation)
L'AMO (ne pas confondre avec AMOC, § 5.D.3.a)
est une oscillation des températures de surface de l'océan
Fig. 48 d: L’anomalie du dipôle Arctique en été
d – DA (Anomalie du Dipôle Arctique) en été
Les records de fonte de la banquise Arctique (2007,
2010, 2012) sont liés semble-t-il à la persistance d’un schéma
particulier de champ de pression durant l’été, nommé
« Arctic dipole anomaly ». Il se caractérise par des hautes
pressions sur la mer de Beaufort, faisant une dorsale jusqu’au
Svalbard (rouge orange dans la figure 48d) et des basses
pressions sur la mer de Kara, en violet dans la figure. Il en
résulte le long de la Sibérie un vent de sud qui repousse la
http://www.ifremer.fr/lpo/cours/nao/nao3.html
Dorsale HP Beauforf (rouge) Svarlbard et
BP en mer de Kara (violet)
- 147 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
qui fut observée pour la première fois en 2000. En 2001,
D.B. Enfield, A.M. Mestas-Nuñez et P.J. Trimble
montrent que l'AMO est en relation avec les pluies et les
débits des fleuves US. L'index AMO est défini comme
l'anomalie de température résiduelle après soustraction (de la
valeur brute annuelle) de la moyenne glissante de la variation
(trend) sur 10 ans. Les températures utilisées sont celles de
l'Atlantique-Nord, entre les latitudes 0 et 70.
comparable à celle des pluies en Floride (Fig.49b) et à
celle de l'Energie dissipée par les Cyclones en
Atlantique-Nord (ACE Fig. 49c). Pour les auteurs,
plusieurs études récentes suggèrent que la représentation
des températures de surface de l'océan dans les modèles
couplés océan-atmosphère utilisés pour les rapports du
GIEC présentent des erreurs substantielles sur les échelles
interannuelles et pluridécennales.
En 2008 G.P. Compo et P.D. Sardeshmukh — du
Climate Diagnostics Centers, University of Colorado, et de la
Physical Sciences Division, Earth System Research
Laboratory, NOAA — ont publié dans Climate Dynamics
une nouvelle étude selon laquelle le réchauffement global est
une réponse au réchauffement des océans, bien plus qu'une
réponse directe à l'accroissement des GES. La courbe
oscillante de l'AMO, dont la période de 60-70ans environ,
gouvernerait l'ensemble des variations climatiques dans cette
région. Elle coïncide avec les périodes de réchauffement et
de refroidissement observées (Fig. 17 et 49a). Elle est très
En 2013, N. Scafetta conduit une approche
graphique des variations de l’accélération de la remontée
du niveau de la mer, tantôt positive et tantôt négative —
Fig. 49a : Evolution temporelle de l'index AMO Atlantic
multidecadal oscillation (AMO) depuis 1860
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Amo_timeseries_1856-present.svg
Fig. 49b : comparaison de l'AMO avec la pluviométrie de
la Floride depuis 1900
Fig. 49c : comparaison de l'AMO avec l'énergie dissipée
par les cyclones en Atlantique, depuis 1860
confirmant ainsi les travaux de Becke qui montraient une montée
entrecoupée de courtes périodes de baisse du niveau (voir §
Chp5.B.1.c.4) — et il observe une coïncidence de ces
variations avec la période de quasi 60 ans de l’AMO et de
la PDO. Pour l’auteur, il s’agit non d’une coïncidence
mais d’une influence des cycles climatiques déjà observés
par ailleurs.
f – AMO-NAO versus volcanisme, vers
une autre controverse ?
Le climat de la région Arctique et du Nord de
l’Europe apparaît ainsi à certains largement conditionné
par la NAO, qu’ils considèrent comme l’oscillation
majeure de l’atmosphère de l’Atlantique-Nord sous les
latitudes moyennes. L’index NAO y constitue semble-t-il
un bon indicateur du mode de circulation dans
l’atmosphère et en corollaire de la météorologie hivernale
que l’on peut résumer ainsi : Europe et Est des USA doux
et humide alors que le Canada et le Groënland subissent
un froid sec en NAO+, et l’inverse et NAO-. V. Trouet et
al. (2009) qui avaient tenté de reconstruire la variation de
l’index NAO sur le premier millénaire BP, en comparant
deux proxi du climat, l’un basé sur les anneaux de
croissance des arbres du Maroc de J. Esper et al. 2007,
l’autre sur l’étude de stalagmites d’Ecosse (spéléothèmes)
dont les rapports 18O/16O fournissent un proxi des
températures. Pour les auteurs, la variation du NAO index
apparaît concomitante de l’optimum médiéval. En 2012
encore, J. Olsen, N.J. Anderson et F. Knudsen ont
comparé et prolongé ce travail au proxi obtenu par l’étude
des derniers 5200 ans de sédiments d’un lac du SW du
Groënland. Pour ces auteurs, la fin de l’épisode chaud de
l’Holocène (vers 4500 BP) aussi bien que le début du petit
âge glaciaire (650 BP), correspond à une période où la
NAO bascule d’un état généralement positif durant la
période chaude à un état variable, voire largement négatif
par intermittence. Ainsi, ils suggèrent que l’état dominant
de l’index NAO constitue un proxi satisfaisant du climat
dans l’hémisphère nord. Il convient toutefois de ne pas en
faire une règle, car les auteurs eux-mêmes remarquent que
le démarrage de l’épisode chaud de l’optimum médiéval,
qui va précéder le petit âge glaciaire, n’est pas marqué par
une bascule nette d’une dominante négative vers une
dominante positive.
Pour C. F. Schleussner et G. Feulner (2012), le
passage de l’optimum médiéval au petit âge glaciaire
trouve une autre origine, que les auteurs rapportent à une
succession de brefs évènements volcaniques qui auraient
pu déclencher une cascade de boucles rétroactives
augmentant singulièrement la surface de la banquise
Arctique.
Les simulations d’une telle augmentation de la
- 148 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
surface englacée de l’océan à l’échelle de la décennie ont
pour effet de modéliser une rotation plus rapide de la gyre
subpolaire (SPG) et au contraire un affaiblissement de
l’AMOC (Atlantic Meridional Overturning Circulation, voir
§ Chp5.D.3.a).
24/10/13
Fig. 50a: Circulation océanique Nord Atlantique
Dès lors, un tel affaiblissement pourrait provoquer
éventuellement un refroidissement global de la boucle en
plus de la diminution de l’apport chaud du Gulf-Stream dans
l’arctique. Pour les auteurs, la dynamique de la gyre
subpolaire gouverne le climat Nord-Atlantique.
Enfin, encore en 2012, J. Fohlmeister et al. discutent
l’impact de la NAO durant les 10800 ans de l’holocène à
travers l’étude de 4 spéléothèmes d’un karst en Allemagne, à
travers 3 ratios : Ca/Mg, 18O/16O, 13C/12C. Pour les auteurs,
Les 2 évènements froids majeurs, à 8200 ans et le petit âge
glaciaire sont bien enregistrés, et attribués à des causes
différentes : le petit âge glaciaire aurait été causé par une
phase prononcée de NAO- (négative) alors que l’évènement
pourrait trouver son origine dans le ralentissement de la
circulation thermohaline.
5 - Le modèle du Tapis Roulant
Lire Q - Circulation océanique modèle du tapis roulant Nous avons remarqué que l’ensemble des trois
océans montre une grande similitude dans la distribution des
masses d’eau sous les hautes latitudes sud, mais que cette
ressemblance s’estompe vers le nord, particulièrement pour
l’Atlantique, en particulier à cause des eaux provenant de la
Méditerranée.
Coutens.htm.
Mer quasi fermée aujourd’hui, et qui le fut
quelques temps au Messinien (durant 6 Ma environ), la
Méditerranée est soumise à une forte évaporation ; son
bilan de masse déficitaire est équilibré par des échanges
avec l’atlantique, à travers le détroit de Gibraltar, qui est
parcouru en surface par un courant rentrant, de salinité
plus faible que les eaux méditerranéennes. Cette eau de
surface s’alourdit avec l’évaporation, et vient finalement
alimenter les eaux profondes du bassin. L’excédent
d’eaux profondes, sur-salées et denses, déborde du
bassin méditerranéen dans l’atlantique par un courant de
fond important, qui marque nettement les eaux de
l’Atlantique profond, et les eaux de surface par mélange
à un moindre degré (en rose dans la coupe NS de
l’Atlantique, Fig. 38b, latitude 30°N profondeur maxi
2500 à 3000m ces eaux arrivent perpendiculairement à
la figure). Les volumes d’eau des grands fleuves qui se
déversent en Méditerranée sont tellement insuffisants à
combler le déficit de masse lié à l’évaporation que,
lorsque Gibraltar se ferma au Messinien, le niveau de la
mer est descendu de quelques 2000m sous le niveau
actuel. En attestent par exemple l’incision d’un canyon
du Rhône, comblé depuis mais connu par sismique et
sondages jusqu’à Valence, ou celui du Nil, connu
jusqu’à Assouan. La Méditerranée presque asséchée,
sursaturée, s’est transformée en d’énormes dépôts de sel,
reconnus eux aussi par sondage et affleurant maintenant
au plancher de la méditerranée. Cet épisode n’a semblet-il duré que quelques dizaines de milliers d’années et
nous n’étions pas là quand l’Atlantique se mit à cascader
furieusement pour remplir « notre mer ».
eaux. Une part essentielle de ce courant, qui s’est déjà
partiellement refroidi, vient buter sur les fonds élevés du
seuil Islandais (en grisé sur la figure 50b) entre Islande et
Iles Britanniques. L’Islande est située sur la ride médioocéanique et elle est en même temps un point chaud, ce
qui conduit à une production importante de laves créant le
seuil plateau en question (<2000m57 ). La partie du Gulf
Stream qui ne franchit par le seuil (détroit du Danemark
dans la figure 50c) s’écoule au fond de l’Atlantique. Le
reste du courant Nord-Atlantique pénètre dans l’Arctique
par la Mer de Norvège, en longeant l’Ecosse et la Norvège
(Fig. 50b), avec une température et une salinité
anormalement élevées pour ces latitudes. Ses eaux se
mêlent ensuite à celles de l’Arctique, et elles cèdent leur
Fig. 50b: Circulation océanique Arctique ;
fonds <2000 m en gris bleu
limites schématiques plancher océanique continent
En Atlantique-Nord, c’est la branche nord du GulfStream (courant Nord-Atlantique in Fig. 50a) qui marque les
57
; dans la figure, les fonds océaniques sont pour une
large partie les marges continentales d’Eurasie et
d’Amérique-Groënland. Dans le seuil Islandais, l’essentiel
des hauts-fonds sont d’origine volcanique océanique
- 149 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 50c: Plongement des eaux froide le long de l’Islande
24/10/13
Fig. 51b : schéma simplifié de la MOC Meridional
Overturning Circulation
http://www.bodc.ac.uk/about/news_and_events/rapid_watch.html
L’océan
Antarctique
est
parcouru
indéfiniment par un courant circum-Antarctique qui
isole le continent polaire et ses eaux périphériques
froides du reste de l’océan mondial (Fig. 51a,
AABW).
Fig. 51a : répartition des masses d’eau dans l’Atlantique, coupe NS
chaleur à l’atmosphère et à la banquise en hiver. Toutes les
conditions sont alors réunies pour que ces eaux plongent
dans les bassins profonds de l’Arctique.
L’exutoire de ces eaux froides et denses est constitué
par deux courants franchissant le seuil de l’Islande entre
Islande et Groenland principalement (Fig. 50b), mais aussi
le long de la côte Est-Islandaise. Elles s’écoulent ensuite au
fond de l’Atlantique (NADW, North Atlantic Deep Water
in Fig. 51a) avec celles de la première branche refoulée par le
seuil ; elles vont parcourir le fond de l’Atlantique et atteindre
ainsi les hautes latitudes sud. L’ensemble de cette boucle
plongeante, qui recycle les eaux de surface vers les
profondeurs océaniques est unique.
Les études paléoclimatiques ont montré que la latitude
de la boucle plongeante Nord-Atlantique a joué un rôle clef
dans le climat européen (actuellement chaud pour la latitude
considérée). On sait aujourd’hui qu’elle n’est pas fixe, elle
peut descendre jusqu’au 30° parallèle et le climat européen
devient alors beaucoup plus froid. La question posée
actuellement est de savoir si le Gulf Stream et la Meridional
Overturning Circulation (MOC, recirculation dans la
Fig. 51b) sont en train de s’arrêter, elle est encore largement
débattue58.
58
Le schéma est largement médiatisé par notre crainte
évoquée plus avant (§ E.3.a) de voir le Gulf Stream s’arrêter
en raison du réchauffement climatique. Cette question est
La topographie du fond des océans fait le
reste. L’étroit passage de Drake impose au courant
d’eaux froides et profondes sortant de l’Atlantique
de se diriger vers l’océan Indien et le Pacifique.
L’ouverture de ce passage est récente. Dans le cadre
du programme Relief (de l'Institut National des
Sciences de l'Univers), Y. Lagabrielle et al. 2009
ont montré (Fig. 52a) que l’histoire chaotique de
l’ouverture du passage de Drake coïncide
remarquablement avec l’histoire climatique du
Tertiaire (Fig. 52b) que nous avons évoqué au début
de ce chapitre (§ B.1.c, Fig. 9). Elle se situe entre 43
Ma. et 10 Ma., date de la fin de la séparation de
l’Antarctique et de l’Amérique du Sud.
Préalablement, alors que l’Antarctique dérivait déjà
vers le pôle Sud, l’Australie (Tasmanie) et
l’Antarctique s’étaient séparés, commençant à créer les
conditions
d’une
circulation
circum-Antarctique
(Antarctic Circum Current ACC Fig. 41).
largement reprise par la presse car, deux articles de H.
Bryden, H. Longworth et Stuart A. Cunningham d’abord
puis Cunningham et al. ensuite, concluaient que la dérive
méridionale atlantique (Meridional Overturning
Circulation, MOC) s'est ralentie de 30% entre 1957 et
2004. L’accent a été mis en 2007 par les mêmes auteurs
sur la grande variabilité annuelle et de cette gyre
(variation probablement couplée au cycle pluri décennal
de la NAO) — moyenne annuelle 18.7 ± 5.6 sverdrups (1
Sv = 106 m3s-1) avec un débit variant avec les saisons
entre 4.0 et 34.9 Sv — estimant que « fondamentalement,
il faut encore 10 ans de mesures ininterrompues pour
s’assurer que les variations saisonnières sont bien connues
et mettre en évidence les variations interannuelles » de
cette gyre. On voit donc clairement que toute annonce
dans ce domaine est encore largement prématurée.
Le terme de Meridional Overturning Circulation, MOC est
utilisé soit pour parler de la circulation océanique dans
cette région de l’océan mondial, soit en lieu et place de
l’ensemble de la circulation mondiale. Plus souvent on
utilise le terme de « Circulation ThermoHaline » (THC)
ou encore « tapis roulant » ou « Ocean Conveyor Belt »
§ E3f
- 150 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Il apparaît donc clairement maintenant
comment la Terre est passée d’un régime chaud,
pendant lequel les eaux profondes étaient chaudes,
(sans doute plus de 10°C, 14-15°C ?) au régime
actuel où leur température est de 2°C. Reprenant Y.
Lagabrielle, nous pouvons affirmer que « ce courant
est donc un acteur majeur du système climatique
actuel car il isole thermiquement l'Antarctique et
empêche les eaux chaudes de surface en provenance
de l'Equateur de venir lécher les côtes de ce
continent »
24/10/13
Fig. 52b : Ouverture de passage de Drake entre 43 et 10 Ma et
modifications du climat.
Noter la coïncidence de l’ouverture à 32 Ma avec les modifications du
proxi de température δ18O
Dès lors que cette circulation superficielle
d’ouest en est se met en place, elle subit la force de
Coriolis (en rotation vers la gauche dans cet
hémisphère) et il en résulte un courant d’Ekman
important dirigé vers le nord. Ce courant de surface,
froid, plonge un peu vers 45° de la latitude sud, sous
les eaux de surface atlantiques, constituant la couche
appelée
intermédiaire
Antarctique-Atlantique
(Antarctic-Atlantic Intermediate Water, AAIW).
La figure 53 montre l’impact de ce courant
d’Ekman sur les eaux profondes (vue vers l’ouest), et
complète la coupe nord-sud de la figure 51a. Initié
par les 50iemes rugissants, et chassant l’eau de surface
Fig. 52a : Ouverture du passage de Drake entre 43 et 10 Ma
Water, AABW, bleu très foncé sur la figure).
Celles-ci viennent s’étaler en profondeur dans
l’Atlantique sous les couches UDCW et LDCW
lorsqu’aucun seuil topographique suffisant ne les bloque.
En aspirant les eaux profondes provenant de l'Atlantique
nord, le courant Circum-Antarctique joue un rôle
important d’activateur de la circulation thermohaline.
Ainsi, le courant profond et froid qui s’écoule dans
la plaine abyssale atlantique ouest depuis l’Islande (bassin
et plaine de Caera dans la figure 50c) longe le talus
continental Nord-américain, puis -Sud (Fig. 54, page
suivante, ruban bleu) ; c’est cette langue d’eau que l’on
appelle North Atlantic Down Water (NADW Fig.51a).
Lorsqu’elle rejoint en Atlantique-Sud les eaux des Upper
et Lower Circumpolar Deep Water (UCDW et LCDW,
Fig. 53), elle vire vers l’est puis passe le Cap de Bonne
Espérance. Ensuite, l’ensemble se disperse dans l’Océan
vers le nord, vents et courant ACC (en jaune dans la
figure) provoquent un upwelling côtier le long de
l’Antarctique, qui tire ainsi vers la surface une
partie des eaux profondes et semi profondes issues
de l’Atlantique-Sud
(Upper and Lower
Circumpolar Deep Water, UCDW bleu-vert pâle
dans la figure et LCDW, bleu intense dans la
figure ; attention la partie brun-noir dessine de fond
de l’océan, moins profond et remontant au Nord
dans le passage de Drake). En remontant à la
surface, les eaux les plus sud de l’Upwelling entrent
en contact avec la banquise Antarctique ou avec
l’atmosphère polaire glaciale. Elles subissent alors
une augmentation de densité et replongent, créant
ainsi en surface la divergence Antarctique (flèche
sud des eaux qui vont replonger, opposée à la flèche
nord des eaux chassées). En replongeant, les eaux
sud de la divergence nourrissent en profondeur les
eaux périantarctiques (Antarctic-Atlantic Bottom
Fig. 53 : Divergence Antarctique ;
représentation schématique de la partie Antarctique – Atlantique-Sud de
la circulation généralisée de l’océan
http://dimes.ucsd.edu/images/moc_scheme.jpg
- 151 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 54 : Le convoyeur à bande
http://forces.si.edu/arctic/04_00_16.html
Indien et le Pacifique.
Dans la figure 54, le ruban rouge figure le courant de
retour, via la surface, depuis le Pacifique et en s’adjoignant
les eaux de surface en provenance de l’océan Indien. En
virant le Sud de l’Afrique, le courant de retour est alors
quasi-parallèle et de sens contraire au courant CircumAntarctique (AAC). Dans cette région de l’Atlantique sud,
les eaux chaudes de retour de l’Indien vont se mêler avec
celles de la gyre Sud-Atlantique, aux eaux déjà largement
refroidies (Fig.39b). Ce mix d’eaux refroidies de la gyre
Atlantique-Sud, d’eaux froides du courant circumAntarctique et d’eaux chaudes venant de l’Indien est donc
renvoyé vers l’équateur par la gyre Sud-Atlantique, qui subit
une rotation vers la gauche. Donc, leur direction sud-nord
suivie le long de l’Afrique devient ouest-est avec les basses
latitudes. Ces eaux transitent alors pour partie, après une
traversée océanique est-ouest, vers le nord avec le GulfStream et le courant Nord-Atlantique.
Les eaux de l’océan parcourent ainsi une sorte de
tapis roulant (Fig. 54), le Great Ocean Convoyer Belt de
Wallace Broeker (#1990), largement responsable de la
régulation du climat planétaire et de la chimie des eaux
océaniques.
6 – Eustatisme = Variations du niveau marin
Nous avons vu au paragraphe §B1c sur le changement
climatique que le trait de la côte est en perpétuel
déplacement, en raison de changements à courte période
(marées), mais aussi et surtout sous l’effet de variations
climatiques. Le terme d'eustatisme fut donné par E. Suess en
1890 aux variations générales du niveau moyen des mers de
même amplitude dans toutes les régions du globe. Nous
venons de voir comment la dérive des continents introduit
des changements essentiels dans la circulation océanique et
donc comment l’activité interne de la planète peut intervenir
dans les changements majeurs du climat de la Terre. Les
variations du niveau marin, dont nous avons évoqué avec le
changement climatique les variations infinitésimales à
l’échelle de temps de la vie humaine ou de nos sociétés, ont
en fait une quintuple origine si l’on change d’échelle :
1- A très long terme, la cause première des changements
de niveau marin est la distribution des masses
continentales. Dans le cycle des Pangée(s) successives
et de leur morcellement, qui écartèle « aux quatre
coins » du globe les continents avant de les assembler à
24/10/13
nouveau sur un rythme de 400 ? 500 ? millions
d’années, la position relative des continents
commande l’activité biologique continentale et
marine, ainsi que la morphologie des bassins ; leur
latitude et l’échange de chaleur entre l’équateur et les
pôles imposent le trajet des courants, le climat
résultant gère des variations du niveau marin de plus
de 100m.
2- A une échelle de temps plus basse, entre 10 et 100
Ma environ, la vitesse d’expansion des rides
océaniques intervient à son tour. Le premier à avoir
observé le phénomène fut C. Darwin, qui déduisit de
la croissance des coraux autour des îles du Pacifique
que le bassin central de l'océan devait s’enfoncer
lentement, permettant ainsi aux ceintures de corail de
grandir sur les anciens volcans submergés qui
donnaient les atolls. Ce phénomène d’enfoncement
du plancher océanique au droit des points chauds est
régional et les variations du niveau marin qui
l’accompagnent le sont aussi. Par contre,
contrairement aux points chauds, les rides
océaniques sont immenses et nous avons vu au
Chp.4 qu’elles sont en équilibre hydrostatique sur le
manteau terrestre ; nous avons vu aussi qu’elles sont
d’autant moins denses (et donc plus larges et peu
profondes) que la vitesse des plaques est importante,
traduisant une intense production de magma et de
chaleur. Ainsi le fond des bassins respire au rythme
des rides à l’échelle mondiale, poussant l’eau sur les
plateformes continentales ou abaissant son niveau de
plusieurs dizaines de mètres, variations observables à
l’échelle de la planète, qu’utilise la stratigraphie
séquentielle.
3- A l’échelle de temps des changements climatiques,
quelques milliers d’années à quelques dizaines de
milliers, le bilan de masse des glaciers continentaux
gère le niveau marin. Il est le résultat de la
compétition entre précipitations neigeuses et fonte ou
sublimation ; Un bilan global négatif conduit certes à
un excédent d’eau, mais qui allège la bordure
continentale soulagée de sa glace, et à l’inverse un
bilan positif stocke de l’eau solide (cryosphère) sur
des continents alourdis, voir -4. La variation brutale
du bilan de masse des glaciers continentaux est à
l’origine des variations brutales de forte amplitude
(plus de 100m) du niveau marin comme celles que
l’on a enregistré sur les côtes d’Europe ou
d’Amérique du Nord lors des dernières glaciations
ou déglaciations, et qui transformèrent par exemple
la Manche en une large vallée couverte par la
toundra durant les périodes glaciaires du dernier
million d’années. La dernière déglaciation a démarré
il y a 19 000 ans, et malgré une courte période froide
intermédiaire (Dryas) le climat actuel est presque
aussi chaud que durant les maxima interglaciaires.
Nous sommes donc en présence de phénomènes
rapides et discontinus (cf. § B.1.c).
4- Les mouvements verticaux d’ajustement isostatique
des continents, conséquence du bilan de masse des
glaciers continentaux, provoquent des rebonds
postglaciaires qui se font sentir avec retard sur une
échelle de temps de 10 000 à 20 000 ans. Leur
influence est « locale».
- 152 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 55a : Variation moyenne altimétrique du niveau marin
pour la période 1993-1998 ;
5- La variation de température de l’eau de surface (500
premiers mètres) et donc de son poids volumique
conduit à un gonflement - dégonflement de l’océan
(dilatation thermique des eaux).
24/10/13
Fig. 55 b: Variation du niveau marin, attribuée à la seule
dilation thermique pour 1993-1998 ;
Fig. 55 c: idem pour la période 1955-1996 ,
On observe de nos jour grâce aux mesures satellitaires
que la montée globale du niveau marin n’est pas spatialement
homogène, comme le soulignent A. Cazenave et C. Cabanes
en 2002 ((Fig. 55a, b, c, Extrait de la Lettre n°14 du Programme
International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de
Recherches sur le Climat PIGB). En 2001, en s’appuyant sur des
modèles climatiques couplant océan et atmosphère, le GIEC
estimait que la montée moyenne du niveau marin était de 0,7
mm par an pour le XXe siècle, dont 0.5 mm provoqués par le
seul gonflement océanique, les 0.2 mm restant résultant de la
fonte des glaciers. Cazenave, Cabanes et Le Prevost ont mis
en évidence une élévation du niveau moyen des océans de
2.5± 0.2 mm/an (Fig. 55a). Les auteurs ont estimé ensuite la
contribution de l'expansion thermique en comparant les
données altimétriques précédentes aux mesures directes de la
température (compilées jusqu’en 1998 par la NOAA) des 500
premiers mètres d’eau. Pour la période de recouvrement
(1993-1998, Fig. 55b) des deux séries d’observations sont
parfaitement corrélées
Rappelons que seuls les glaciers de montagnes
contribuent à ces 0.2 mm ; l’Antarctique (stable ou en
expansion, § B1c4) et le Groenland (en régression mais
beaucoup plus petit) ne contribuent que de façon négligeable
à l’élévation du niveau de la mer à l’heure actuelle.
Rappelons aussi que le travail du GIEC reposait
principalement sur des données de marégraphes
majoritairement installés dans l’hémisphère nord, à proximité
des côtes européennes et nord-américaines ; leur répartition
n’était donc pas idéale (fig. 55c triangles blancs).
Mais les choses ont changé d’une part avec la mise en
orbite des satellites comme Topex-Poséidon dont les données
ont été acquises en continu entre 1993 et 2001 et d’autre part
avec la mise en place en 2000 du réseau de sondes dérivantes
du réseau ARGO, complémentaire du satellite altimétrique
Jason. Ces sondes (au nombre de 3255 au 11 avril 2010,
http://www.argo.ucsd.edu/index.html) plongent régulièrement et
enregistrent les courbes de température et salinité de la
colonne d’eau sur environ 2000 mètres. Il est à noter tout
d’abord que les balises montrent que la température moyenne
des océans n'a plus augmenté plus depuis environ 2003, ce
que confirme l’évaluation de l’anomalie du contenu
thermique de la tranche supérieure (0-700m, Fig. 56) .
la position des marégraphes est donnée par les triangles
blancs
En outre, l’élévation du niveau marin apparaît
depuis 2007 comme un phénomène plus complexe qu’une
simple réponse à l’augmentation de la température. Pour
S. J. Holgate du Proudman Oceanographic Laboratory à
Liverpool, la moyenne d’élévation obtenue pour le XX°
siècle à partir mesures des marégraphes considérés
comme les plus fiables (anciens, situés loin de zones
tectoniques mobiles dans des régions non susceptibles de
rebond postglaciaire ; Fig. 55c ronds noirs) est de
17.4 mm (donc dans la fourchette haute des autres
estimations moyenne) mais le taux de variation n’apparaît
pas linéaire. Pour S. J. Holgate, il est cyclique (Fig. 57a),
avec les taux d’élévation maximum en 1939 et en 1980,
déniant ainsi d’une part l’idée d’un accroissement
progressif du taux d’élévation de l’océan dans la fin du
XX° et d’autre part celle d’une relation simple entre
élévation du niveau marin et teneur atmosphérique en
CO2.
Fig. 56 : Variation de l’anomalie du contenu thermique des
océans, 1021 joules, de 1993 à 2013.
http://oceans.pmel.noaa.gov
- 153 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 57a : Evolution du taux annuel d’élévation du niveau
marin depuis 1905,
sur 9 stations fiables et 177 stations depuis 1955 environ
Nous avons vu que l’avènement de l’altimétrie
satellitaire haute résolution permet de s’affranchir de la
mauvaise distribution des marégraphes. Dès 2008, Wunch et
al représentent les variations régionales autour de la
moyenne mondiale d’élévation du niveau marin (Fig. 57b
carte actualisée). En 2008 celle-ci est évaluée à 2.8±0.4 mm
an-1 à partir des relevés de Topex/Poséidon pour la période
1993-2001 de A. Cazenave et S.R. Nerem, 2004 et pour
nombre d’auteurs, une telle valeur signifie clairement que le
processus d’élévation de température, de dilation thermique
et de fonte généralisée des glaciers et des inlandsis est en
pleine accélération, la catastrophe climatique annoncée est
d’ores et déjà amorcée… Une chose est sûre, l’élévation
n’est pas homogène et sa distribution reflète en premier lieu
la variabilité interannuelle du climat, en relation avec les
cycles El Niño La Niña, comme le préssentaient déjà Wunch
et al (2008) qui considéraient que l’essentiel des variations
autour de la moyenne globale dans la figure 57b est lié aux
variations régionales de masse, de salinité et de température
(paramètres liés), et que cela montre qu’un lien étroit existe
entre changement du niveau marin et circulation
thermohaline générale...
24/10/13
Tableau 4 composition du soleil
un rythme relativement constant de 3 mm/an dont plus de la
moitié était due à la dilatation des eaux océaniques qui se
réchauffent (contribution stérique), alors que 1,2 mm/an
provenait des pertes de masse des calottes polaires et des
glaciers de montagne — on constate toujours depuis 2003
une hausse assez rapide (2,5 mm/an) du niveau marin,
mais le réchauffement de l'océan semble faire une pause,
sa contribution à la hausse du niveau des mers n'étant que
de 0,4 mm/an. Les auteurs s’appuient sur un calcul de la
dilatation conduit par 2 méthodes indépendantes, i) à
partir du réseau de bouées Argo qui transmettent des
profils de 900 m de profondeur de la température et de la
salinité pour l'ensemble de l'océan mondial, ii) par
mesures de la différence entre la montée du niveau des
mers observée par les altimètres de Topex/Poséidon et
Jason-1 et l'augmentation du stock d'eau dans les océans
vue par GRACE. Les auteurs en concluent donc que
l'accroissement de la masse d'eau de l'océan est
majoritairement responsable de la hausse du niveau marin
depuis 2003.
F - Histoire de l'atmosphère
La discussion sur l’accélération de la remontée n’est
pas close. A Cazenave et al. ont montré en 2009 que si
l’affaire paraissait entendue pour l’heure pour la période
ante-2003 déjà évoquée plus haut — le niveau moyen mesuré de
Lire Q - Vie - Atm - Histoire Atmosphere et vie - Dufour.htm
1 - L'atmosphère primaire de la Terre :
façon très précise entre 1993 et 2003 par les satellites francoaméricains Topex/Poséidon et son successeur Jason-1 était monté à héritage des gaz piégés lors de l’accrétion
Fig. 57b : Variation du niveau marin autour de la moyenne
de la période 1993-2004 Wunch et al (2008) revue en 2013
.
période (1993- 2012)
Très tôt, au moment même de l’accrétion, la Terre
s’est entourée d'une enveloppe gazeuse. Durant cette
épisode, une partie de la fraction gazeuse (non condensée)
de la nébuleuse mère a été capturée comme, et avec, les
solides. Compte tenu de son origine, la composition de
cette atmosphère primaire de notre Terre et des autres
planètes telluriques devait alors être très proche de celle
du soleil (Tableau 4) ; et c'est encore cette composition
que nous observons de nos jours autour des planètes
géantes gazeuses externes, mais ce n’est plus celle
d’aucune planète rocheuse, situées en deçà du domaine
des glaces dans la séquence de condensation (Chp. 2).
Avec l’augmentation de pression et de température, les
corps planétaires deviennent liquides, et une partie des gaz
piégés avec les solides s’y dissolvent alors que le reste
participe à la création de l’atmosphère de ces corps. Plus
un corps devient massif, plus il devient capable de retenir
cette première atmosphère.
La
http://www.cmar.csiro.au/sealevel/sl_hist_last_15.html
- 154 -
figure 58
montre
que
les rapports des
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 58 : abondances relatives des gaz atmosphériques par
rapport au Soleil
24/10/13
CO2 (le premier en masse,, 95%),
95% N2 (2-3%), les oxydes de
soufre, H2S, HCl et les gaz rares, Hélium, Argon, Xénon,
Krypton et Néon. Dans une telle atmosphère, la proportion
d’oxygène était < 1%.
Cette atmosphère secondaire est “ fille des
volcans ”. Elle résulte
ésulte du dégazage de leur manteau, dont
la constitution date du fractionnement des corps rocheux
en un noyau dense et métallique et un manteau silicaté.
L'origine des gaz contenus initialement dans le
manteau est encore très controversée. L'hypothèse
première est que ces gaz ont été acquis lors de la phase
d'accrétion à froid. Mais la géochimie et l'observation
récente de systèmes stellaires à disques de poussières et de
gaz suggèrent que l'essentiel des éléments volatils des
planètes pourrait provenir duu bombardement cométaire sur
les planètes jeunes déjà formées.
concentrations des gaz atmosphériques terrestres aux
concentrations solaires sont extrêmement variés, ce qui
suggère que si l'atmosphère terrestre est issue d'une telle
atmosphère primaire, des processus
essus sont intervenus depuis
pour en modifier les rapports: deux types de processus sont
envisageables:
1 - En premier lieu, le piégeage sélectif dans la géosphère
des gaz; un tel phénomène pourrait en effet avoir
modifié fortement les rapports de ces gaz par rapport à
la nébuleuse solaire. Cependant les gaz neutres (Néon,
Argon, Krypton et Xénon), qui sont extrêmement peu
réactifs, auraient dû être piégés de conserve et donc
conserver les rapports initiaux…
itiaux… il n'en est rien
(Fig. 58).
2 - En second lieu, la pertee vers le cosmos d'une part
importante des gaz initiaux pourrait aussi produire à
une grande diversité des concentrations. Une fois
encore les gaz neutres nous apportent un élément de
réponse. Puisque non réactifs, s'ils avaient subi des
pertes vers le cosmos, celles-ci
ci auraient dû se faire
simplement en raison inverse de leurs poids
moléculaires. La figure 58 montre encore qu'il n'en est
rien.
On peut donc en conclure que l’atmosphère terrestre
ne porte plus la signature de la nébuleuse solaire,
solaire
confortant
nt l’hypothèse d’un Soleil jeune sans doute passé
comme n’importe quelle étoile de la séquence principale par
la période de forte activité dite T. Tauri, plus lumineux
qu’aujourd’hui de 10%, et dont le vent solaire plus violent
aura expulsé à cette époque les atmosphères des planètes
telluriques vers des régions plus lointaines.
2 - L'atmosphère secondaire de la Terre : fille
des volcans
Les planètes internes se sont donc constituées une
seconde atmosphère. Vénus et la Terre, suffisamment
massives, ont conservé
nservé jusqu’à nos jours cette seconde
enveloppe gazeuse. Mercure et Mars n’y sont pas parvenues,
en raison de leur faible masse, et, pour Mercure, en raison
aussi de la proximité du Soleil. Mars conserve toutefois une
atmosphère très ténue (10-3 atm.), dont
nt la composition est
très comparable à celle de Vénus. Cette ressemblance
témoigne de la similitude des processus qui ont présidé à la
naissance des atmosphères des planètes internes. Parmi les
composés volatils qui sont arrivés à la surface figuraient le
Nous allons voir que l'histoire du dégazage de la
Terre apparaît compatible avec une origine mantellique de
notre atmosphère. Cela suggère que si l'origine de nos
volatils est cométaire, leur acquisition fut suffisamment
précoce pour qu'il se soit établi un équilibre avec le
manteau terrestre. Le dégazage que nous observons de nos
jours n'en serait alors que la suite normale.
Son étude nous est accessible à travers l’étude de la
composition isotopique
otopique des gaz rares. Ceux-ci
Ceux
ont un
double intérêt. Par nature ils sont peu susceptibles de
réagir avec leur environnement, et certains de leurs
isotopes sont produits par la radioactivité naturelle.
Lee rapport entre un isotope radiogénique et un des
isotopes
sotopes stables du même élément va donc évoluer dans le
temps avec la désintégration de son parent, jusqu'à
épuisement de ce dernier. En se concentrant tôt ou tard
dans l'atmosphère, ces isotopes peuvent alors être utilisés
pour en décrypter l’histoire.
Nous
ous allons ainsi nous intéresser à 3 réactions59 :
59
Rappel -1:
1: tous les éléments ou presque possèdent des
isotopes. Certains sont stables, d'autres ne le sont pas. AuAu
delà du bismuth
th (Z=83), il n’existe aucun noyau
parfaitement stable. Les interactions nucléaires de ces
énormes atomes deviennent trop faibles au regard de leur
taille ; cela favorise leur dégradation spontanée en espèces
plus légères.
Rappel –2 : la composition isotopique
i
de notre système
est une donnée initiale, fixée au moment où notre
nébuleuse gazeuse, considérée comme homogène, va
s'effondrer en un soleil et son système planétaire ; les
rapports des isotopes stables de ce système homogène sont
alors fixés. Parr contre, le chronomètre de la décroissance
des isotopes radioactifs est démarré à cet instant dans
notre système. Certains, comme 26Al, ont totalement
disparu de nos jours. D'autres, comme 238U, dont la
période est de l'ordre de grandeur de l'âge de la Terre
Te ont
épuisé seulement la moitié de leur stock initial.
Inversement les produits de ces désintégrations voient (ou
ont vu) leur quantité croître durant la même période de
temps. Les rapports isotopiques de ces éléments ont donc
évolué depuis la création du système solaire.
Rappel –3 : dans notre système sont apparus des soussous
systèmes que l'on peut considérer chacun comme
- 155 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
1-
129
2-
40
3-
3
I ⇒ 129Xe +e-,
réaction βdemi-vie λ = 17 Ma.
24/10/13
Fig. 59 : évolution des compositions dans le manteau en 129I,
129
Xe et 130Xe
K +e- ⇒ 40Ar + γ,
capture électronique
demi-vie λ = 1.2 Ga.
H (Tritium) ⇒ 3He + e-,
réaction βdemi-vie λ = 12 ans et 4 mois.
Les rapports 129Xe/130Xe ou 40Ar/36Ar, vont évoluer
dans le temps avec la désintégration de le129I et de 40K,
jusqu'à épuisement du parent.
a - le dégazage du manteau terrestre a-til été précoce ou tardif?
Comment a pu se produire le dégazage du manteau
terrestre ? A-t-il été précoce ou tardif? Supposons pour
simplifier qu’il ait été instantané et unique. Au moment où il
se produit, il opère une différenciation entre les éléments :
1- Il regroupe alors tous les volatils, tous disponibles à cet
instant dans le manteau (dont le Xénon ou l'Argon), et
constitue l’atmosphère; le manteau ne contient plus de
gaz à cet instant;
2- l’Iode (moins volatil), et le potassium, restent
préférentiellement dans le manteau.
Deux cas peuvent alors se présenter:
1- tout 129I ou tout 40K sont déjà consommés à cet instant,
et il ne peut plus y avoir de production ultérieure de
129
Xe ou de 40Ar dans le manteau;
2- il reste de l'129I ou du 40K à cet instant, et il y aura à
nouveau production de 129Xe ou de 40Ar dans le
manteau.
La figure 59 retrace l’évolution des compositions en
129
Xe et 130Xe dans le manteau.
129
I,
1- Bien évidemment, la teneur en 129I est décroissante dans
le manteau, que celui-ci subisse ou pas de dégazage.
2- Avant et après cet événement, les teneurs en 130Xe sont
constantes puisque cet isotope est stable; par contre la
teneur en cet élément volatil chute dans le manteau
homogène en première approximation. Ces sous-systèmes,
ou réservoirs, sont reliés entre eux par des flux de matières,
gérés par des processus physico-chimiques ou biochimiques;
la Terre peut ainsi être considérée globalement comme un
sous-système, avec ses flux d'échanges avec le reste du
système solaire; elle est aussi "découpée" en sous-systèmes
(Manteau, croûte, hydrosphère, atmosphère), autant de
réservoirs "homogènes" qui échangent des flux de matière.
Rappel –4 : si les processus physico-chimiques sont
susceptibles de modifier les rapports de teneurs entre des
éléments différents, ils agissent de manière plus subtile sur
les rapports isotopiques d’un élément donné, puisque les
isotopes d’un même élément ont un comportement chimique
identique qui dépend du cortège électronique de l’élément, et
ils diffèrent par leur masse. D'une manière très générale la
constante d’équilibre isotopique K est peu différente de 1, de
sorte que les variations isotopiques détectées dans la nature
dépassent rarement quelques 10-3. Cette constante d'équilibre
K est thermo-dépendante (fonction inverse de T°); elle tend
vers 1 aux températures élevées.
pendant le dégazage, considéré comme quasiinstantané.
Considérons maintenant l’évolution de la teneur en
Xe et du rapport 129Xe/130Xe dans les deux réservoirs,
manteau et atmosphère. Dans le manteau avant le
dégazage, la concentration en 129Xe augmente tant qu'il
reste de l'129I à désintégrer, et le rapport 129Xe/130Xe aussi.
Dans l'atmosphère, qui prend naissance au moment où le
manteau dégaze, la concentration en 129Xe et la valeur du
rapport 129Xe/130Xe
sont fixées par les quantités
disponibles dans le manteau à cet instant. Si le dégazage
est précoce, la quantité d'129I désintégré est faible, et celle
de 129Xe disponible dans le manteau l'est aussi. La teneur
dans l'atmosphère créée à cet instant l'est tout autant. Au
contraire, elle sera maximale si l'on a attendu
suffisamment (>10λ) pour que presque tout 129I soit
désintégré. La différence entre les rapports 129Xe/130Xe du
manteau et de l'atmosphère qui se créée (en équilibre) est
négligeable (129Xe/130Xe mantellique = 129Xe/130Xe
atmosphérique) au regard des variations de ce rapport
provoquées par la radioactivité de 129I du manteau.
Revenons au manteau dans la figure 59 et supposons que
le dégazage ait eu lieu au temps Tc, avant épuisement de
129
I du manteau. La désintégration ultérieure de cet iode
restant va provoquer une nouvelle augmentation
progressive de la concentration en 130Xe et du rapport
129
Xe/130Xe mantellique. C'est précisément ce que les
observations faites de nos jours nous enseignent. Les
mesures du rapport isotopique129Xe/130Xe, effectuées sur
l’atmosphère et sur des basaltes de rides océaniques (donc
issus du manteau), sont respectivement de l’ordre de 7.7
et 6.5. Si les basaltes des fonds océaniques ont
comparativement plus de 129Xe que l’atmosphère, c’est
donc nécessairement que lorsque le dégazage a eu lieu, il
restait une quantité significative de 129I dans le manteau.
Or sa période de demi-vie λ n'est que de 17 Ma!
129
Une première réflexion s’impose. Le dégazage
terrestre, qui correspond à la naissance de la seconde
atmosphère, a eu lieu très tôt, moins de 170 Ma. après
la phase d’accrétion différenciation, située à 4.55 Ga.
Une seconde réflexion s’impose: on sait que le
Soleil, depuis sa naissance jusqu’au stade géante rouge
(qu’il atteindra vers 10 à 12 Ga.), ne sera pas capable de
synthétiser autre chose que de l’Hélium. Par conséquent,
les éléments de notre système plus lourds que H et He, y
compris 129I, proviennent d’au moins un autre épisode de
nucléosynthèse (de type nova) antérieur ou au mieux
contemporain de l’effondrement gravitaire de la nébuleuse
- 156 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
solaire. La présence d'iode 129I en quantité notable dans le
système solaire impose donc aussi qu'il s'est déroulé très
peu de temps, certainement moins de 200 Ma. entre
l’explosion de la Nova qui fabrique 129I et non
seulement l'effondrement gravitaire de notre
nébuleuse, mais aussi l'histoire précoce de la Terre
jusqu'au dégazage de son manteau... Décidément, toute
notre histoire s’est jouée “ dans un mouchoir de poche! ”.
Fig. 61: Diagramme 40Ar/36Ar versus 87Sr/ 86Sr
Si nous nous plaçons dans l'hypothèse d'une
acquisition cométaire de l'atmosphère terrestre et de son
équilibrage avec le manteau, la présence de 129I du
manteau qui va modifier le rapport 129Xe/130Xe du
manteau par rapport à celui de l'atmosphère permet de
penser que la capture du Xe à partir de comètes aurait aussi
été terminée avant les premiers 170 à 200 Ma. de la vie
terrestre.
b - Le dégazage du manteau terrestre at-il été Instantané ou lent? Unique ou
multiple? Total ou partiel?
Nous pouvons utiliser en premier lieu un autre couple
d’isotopes, ceux de l’Argon, pour répondre à cette question.
La réaction nucléaire 40K ⇒ 40Ar, modifie lentement dans la
géosphère le rapport de l’isotope radiogénique 40Ar à
l’isotope stable non radiogénique de l’argon, 36Ar. Au
déclenchement du chronomètre, le rapport initial 40Ar/36Ar
peut être considéré comme nul (Fig. 60) car 40Ar est
exclusivement radiogénique. La période du 40K étant très
longue, comparable à celle de la vie de la Terre, l’évolution
du rapport 40Ar/36Ar est très lente, et contraste fortement avec
l’évolution du rapport 129Xe/130Xe qui nous a permis de
mettre en évidence que le dégazage du manteau fut très
précoce
Lors de cet épisode, le 40K est resté dans le manteau
dégazé, alors que 36Ar l’a quitté pour rejoindre l’atmosphère
comme les autres gaz rares. Plus ce dégazage aura été
important et plus la teneur en 36Ar du manteau aura chuté
lors de cet évènement. En corollaire, on peut donc attendre
du rapport 40Ar/36Ar qu’il signe le degré de dégazage atteint
par le manteau (Fig. 60), car après cet épisode le rapport
40
Ar/36Ar a augmenté d’autant plus vite que la teneur en 36Ar
était devenue basse, c’est à dire que le manteau était dégazé.
40
24/10/13
36
Les mesures du rapport Ar/ Ar, effectuées sur
divers basaltes issus du manteau et dans l’atmosphère ont
montré des différences significatives :
30000 environ pour les basaltes des dorsales océaniques
3000 environ pour les basaltes des points chauds
300
environ pour l’atmosphère
Nous pouvons en tirer une première conclusion
Fig. 60 : évolution des compositions en argon dans le
manteau
essentielle : ces mesures révèlent l'existence de deux
réservoirs isotopiquement très différents, et
confortent l’hypothèse évoquée au chapitre précédent
d’un manteau à deux étages de convections, au moins
relativement étanches.
L'étude du processus de fractionnement de la
croûte continentale à partir du manteau supérieur nous a
enseigné (Chp. 4) que ce lent processus de construction de
la croûte continentale et d'appauvrissement du manteau
supérieur avait commencé vers 2.7 Ga et se serait
poursuivi depuis60. Le dégazage de l'argon du manteau
terrestre est-il un processus comparable?
Les chronomètres 87Rb ⇒ 87Sr et 40K ⇒ 40Ar
étant du même ordre de grandeur et commensurables avec
l'âge de la Terre, il apparaît intéressant de confronter ces
deux systèmes. Dans la figure 61, on a porté en abscisse le
rapport 87Sr/ 86Sr comme indicateur du degré de
fractionnement du manteau; en ordonnée, le rapport
40
Ar/36Ar constitue l'indicateur du dégazage mantellique.
Un point de mesure situé en haut à gauche (y=30000;
x=0.7025) représentera une roche issue d'un manteau à la
fois très dégazé et ayant très largement contribué à la
formation de la croûte continentale (typiquement le
manteau supérieur). A l'opposé un point de mesure situé
en bas à droite (y=3000; x=0.7050) représentera une roche
issue d'un manteau à la fois très peu dégazé et n'ayant que
très peu contribué à la formation de la croûte continentale,
comme le manteau inférieur.
On constate en premier lieu qu'il n'existe pas de
roches provenant d'un manteau profond (n'ayant pas
contribué à la formation de la croûte; x>0.704) et qui soit
fortement dégazé (y>10000). L'étanchéité du réservoir
manteau inférieur s'étendrait donc bien à son contenu
gazeux.
En second lieu, nombre des échantillons
représentés viennent se répartir le long de l'hyperbole de
mélange (vert foncé sur la figure: en représentation
linéaire, la courbe de mélange de deux rapports est une
hyperbole et non une droite) ce qui signifie que nombre de
roches volcaniques doivent représenter soit un mélange de
liquides magmatiques issus de deux sources distinctes,
soit que les deux sources peuvent être mélangées, la
fusion partielle du mélange produisant aussi une signature
mixte.
60
L'évolution du rapport 87Sr / 86Sr de la croûte terrestre
augmente inexorablement plus vite que celui de la
moyenne terrestre alors que celui du manteau voit sa
croissance d'autant plus ralentie.
- 157 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Nous pouvons en tirer une seconde conclusion
essentielle : Le manteau profond, qui donne naissance au
volcanisme des points chauds de rapport 40Ar/36Ar faible,
et qui n'a que fort peu contribué à la fabrication de la
croûte, apparaît donc nettement moins dégazé que le
manteau supérieur qui donne naissance au volcanisme
des dorsales à rapport élevé, et qui a déjà largement
contribué à l'édification des continents.
Nous pouvons enfin tirer de tout cela une troisième
conclusion essentielle. Grâce au volcanisme qui amène en
surface des laves d'origine mantellique, le dégazage lent du
manteau se poursuit sur Terre…
A cet égard, le comportement de l'isotope 4 de
l’hélium, 4He, est particulièrement intéressant. L’origine de
ce gaz est double :
1- Il entre continuellement dans l’atmosphère, sous forme
de particules alpha (4He) du vent solaire, mais en très
faible quantité.
24/10/13
mer est très variable géographiquement, et constitue un
marqueur remarquable des sources sous-marines liées au
volcanisme des rides océaniques (Fig. 62). Il faut donc en
conclure que, lorsque le manteau terrestre fond
partiellement pour donner des liquides magmatiques qui
vont alimenter le volcanisme de ces rides, une partie de
l'hélium initial terrestre est encore contenue dans le
manteau et se sépare de ce dernier pour venir rejoindre
l'atmosphère. L’empreinte du dégazage du manteau
terrestre est donc encore bien visible, et celui-ci apparaît
même encore actif. Toutefois nous avons souligné plus
avant (Chp2.A.1.a) que l’eau océanique porte la même
signature isotopique D/H que les chondrites carbonées
hydratées qui ont bombardé la Terre de façon très
intensive à l’Hadéen (4.56 Ga à 3.8 Ga.), et qui continuent
encore à le faire. Il convient donc d’admettre que si notre
atmosphère actuelle porte les traces d’une filiation
mantellique, elle porte aussi celles d’une origine
extraterrestre riche en eau, en carbone et en azote.
2- Il est aussi et surtout produit par la désintégration du
3 - L'atmosphère tertiaire de la Terre : le
Thorium et de l'Uranium terrestres; l’Hélium ainsi
sceau
de la vie ?
formé dans la géosphère chemine jusqu'à l’atmosphère,
à moins qu'il ne reste piégé quelque part dans la
Vénus présente encore de nos jours cette
géosphère, dans les poches de gaz naturels par atmosphère très peu évoluée depuis le dégazage de son
exemple.
manteau. Son enveloppe épaisse et dense exerce une
De masse très faible, l'hélium peut échapper pression de quelques 92 atm. Dominée par le CO2 (95%)
partiellement à l’attraction de la Terre. Il s’est donc établi un qui engendre un effet de serre très important, elle présente
équilibre entre pertes et gains d’hélium dans l’atmosphère, une température au sol de 470°C. Tout conduit à penser
où sa concentration est constante: 5,2 ppmv. Dans que l’atmosphère terrestre fut comparable, avec une
l'atmosphère, son isotope stable 3He présente lui aussi deux pression au sol de l’ordre de 260 atm. Mais l’atmosphère
de notre hôte allait subir deux événements majeurs durant
origines possibles:
son histoire :
1- Il provient forcément pour partie du stock initial de la
1- la précipitation de l’océan, épisode que Mars a dû
Terre;
connaître elle aussi, mais sous quelle forme ?
2- Il provient aussi de la désintégration de 3H (tritium).
L’étude des écoulements (Fig. 63), des figures
sédimentaires
et
l’analyse
des
sédiments
Mais le tritium terrestre, lui, n'a qu'une seule origine.
commencent à peine et ne nous permettent pas
Il est formé dans la haute atmosphère, entre 10 et 30 km
encore de préciser la nature et la forme de
d’altitude, par la réaction des neutrons cosmiques (n) sur
l’hydrosphère Martienne.
l’azote: 14N + n ⇒ 3. 4He + 3H, et sa période de demi-vie (12
ans) est courte. Une partie se trouve piégée dans la vapeur
2- l’apparition de la vie, qui a complètement
d'eau, et le reste, très léger tend à quitter l'atmosphère
bouleversé la composition de l’atmosphère terrestre.
terrestre rapidement, de même que son élément fils, 3He. On
peut donc considérer l'influence de 3He radiogénique comme
Fig. 63 : réseau hydrographique de type désertique sur Mars
négligeable dans la basse atmosphère ou l'hydrosphère, et
3
dire que les concentrations en He y sont le reflet du stock
initial terrestre.
Or on constate que le rapport 3He/4He dans l’eau de
Fig. 62: Panache d'3He provenant des sources thermominérales, au droit de la ride Est-Pacifique.
- 158 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
a – La précipitation de l’océan sur Terre
Y. Paccalet décrit la naissance de l’océan terrestre
comme « sublime ». Après 300 à 400 Ma. d’existence, peutêtre même moins, la Terre s’est suffisamment refroidie pour
atteindre le point de condensation de l’eau, soit 375°C à 260
atm. L’atmosphère se condense en nuages, et pour la
première fois, il pleut! La signature isotopique 18O/16O élevée
de zircons datés de 4.3 à 4.4 Ga. (Mojzsis et al 2001)
témoigne d’une hydratation conduisant à la formation
d’argiles recyclées dans le manteau, ce qui suggère qu’un
cycle hydrologique existait dès cette époque. La forte
solubilité du CO2 et de HCO3- dans l’eau liquide enrichit
corrélativement l'atmosphère en azote. Les pluies contiennent
aussi beaucoup d'acides, HCl, H2SO4, HNO3. Elles vont
changer la face du globe. Les acides attaquent les roches
magmatiques et volcaniques terrestres, entraînant plus encore
que de nos jours les éléments dissous, Si4+, Al3+, Mg++, Fe++,
Ca++, Na+, K+, vers quelque flaque qui se transforme
rapidement en un océan qui couvre suppose-t-on 95% de la
planète. Dans cette eau vont naître de nouvelles espèces
minérales, résultant de l’hydrolyse des roches :
1- des argiles, fabriquées à partir des ions les moins
solubles (Si4+, Al3+, Mg++, Fe++) ;
2- des sels tels que les chlorures, NaCl ;
3- des carbonates, qui vont jouer un rôle fondamental
dans la composition de l’atmosphère. La spéciation des
espèces en solution montre en effet que les espèces
CO2 et H2CO3 sont présentes en faible quantité
seulement dans l'eau de mer, et que les ions carbonates
HCO3-, CO32- sont par contre très dominants. Deux
équilibres en solution sont donc essentiels dans cet
océan primordial:
HCO3- + H+ → H2O + CO2
CO32- + 2H+ → H2O + CO2
24/10/13
Fig. 64: diagramme de phases de H2O ;
le trait bleu, P = 1 bar, montre que sur Terre les 3 états de l’eau
sont possibles ; le trait vert montre qu’à la pression partielle en
eau de l’atmosphérique martienne (0.7 mbars ) l’eau ne peut
être liquide. Lire MC - Atm - Condensation - Coup.htm, MC - Atm Vapeur saturante - Coup.htm
d'argon, des traces d'oxygène (0,13 %), de CO (0,07 %) et
d'hydrogène. L'oxygène proviendrait de la décomposition
du CO2 des calottes polaires.
Mars a-t-elle subi le même déluge vital que la
Terre? Des traces de réseau hydrographique comparable à
ce que l’on peut observer dans des régions désertiques
terrestres (Fig. 63) tendent à prouver que Mars a bien eu,
elle aussi, sa période faste. Depuis, le manque de masse
de la planète a joué son rôle et Mars a perdu presque
totalement son atmosphère. L’eau existe toujours sur
Mars, mais en raison de la pression très basse qui y règne,
de l’ordre de celle du point triple de l’eau, c’est un rythme
à 2 temps qui s’y joue actuellement : sublimation;
cristallisation (Fig. 64). Mars a-t-elle connu la même
décarbonatation de son atmosphère? Si oui, fut-elle
strictement chimique, ou biochimique? Nombre de
questions sont encore débattues.
Ils vont gérer le stockage du CO2 atmosphérique dans
l'océan qui vient de se former.
b – La précipitation de l’océan sur Mars ?
L'ion Ca2+ étant très abondant dans l'océan et le
carbonate de calcium (CaCO3) peu soluble, l’apparition de
l’océan planétaire soustrait du CO2 de l’atmosphère et le
stocke sous forme solide dans la géosphère. Ces premiers
sédiments archéens montrent la texture caractéristique
(texture “Lazarus”) des carbonates précipités par saturation.
Avec eux, l’effet de serre peut enfin diminuer
On espérait donc trouver de nombreux
affleurements de roches carbonatées sur Mars, d’autant
que la plupart des météorites martiennes trouvées sur
Terre contiennent des carbonates dans les fissures. C’est
d’ailleurs dans de telles fissures de la météorite
ALH84001 que des structures filamenteuses comparables
au vivant ont été observées en 1996 (Chp. 2, C2).
Pour H. Holland, la décroissance du CO2
atmosphérique fut sans doute rapide, et cet auteur considère
que le niveau actuel est atteint à 3.5 Ga. environ (Fig. 67
§ ,F.3.c). Pourtant les carbonates recensés de nos jours sont
presque tous d'origine biochimique. Plus encore, c'est avec
l'explosion de la vie pluricellulaire vers 700 Ma., que les
coquilles et les calcaires abondent. Pour J. Lovelock, auteur
de la théorie Gaïa, selon laquelle l'équilibre à la surface le la
Terre s'établit entre la géosphère, l'atmosphère plus
l'hydrosphère, et la biosphère, l'élimination du CO2
atmosphérique est biologique.
Le premier relevé de la composition chimique de
l'atmosphère martienne a été réalisé par l'américain G.H.
Kuiper (1952). Il compara les spectres de la lumière
renvoyée par la Lune et par Mars et certifia la présence d'un
pourcentage élevé de CO2 dans l'atmosphère martienne. On
sait depuis les missions Mariner 4, 6, 7 et 9 que l'atmosphère
de Mars contient 95.3 % de CO2, 2,7 % d'azote et 1,6 %
Toutes les données dont nous disposons
actuellement sur Mars, collectées par spectrométrie IR
tant en orbite qu’au sol, suggèrent que les carbonates sont
absents de la surface de Mars. Nos spectromètres ne sont
certes pas très adaptés au sol rugueux de Mars et peutêtre, dans ces conditions vaudrait-il, mieux choisir la
mesure d’autres bandes spectrales, dans le proche IR ?
Nombre de scientifiques en doute, qui considèrent que
l’absence de carbonate sur Mars et à l’inverse l’abondance
des sulfates, doivent être admis comme des faits. Cette
absence actuelle ne signifie d’ailleurs pas que les
carbonates n’ont jamais été présents. Peut-être le sont-ils
encore en profondeur, ou dans des anfractuosités des
roches ?
L’atmosphère actuelle très tenue de Mars et
l’absence d’ozone ne protègent pas son sol des UV
solaires. Ceux-ci semblent en mesure de dissocier tout
carbonate qui serait présent de nos jours à la surface de
- 159 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Mars. Qu’en était-il de Mars jeune ? Elle possédait une
atmosphère proche de celle de la Terre ou de Vénus à cette
époque, mais en quantité plus faible en raison de sa taille et
d’un dégazage probablement limité par son refroidissement
plus rapide. Sur Mars encore plus éloignée du Soleil que la
Terre, l’eau liquide n’a pu exister qu’avec un effet de serre
suffisant pour dépasser le point de congélation de l’eau. Les
conditions furent très probablement réunies sur Mars, avec
une atmosphère post dégazage qui devait dépasser les 2
atmosphères de pression de CO2. Si la précipitation de l’eau
s’est produite, et avec elle celle des carbonates, pourquoi la
surface de Mars n’en montre-t-elle plus aujourd’hui ? Les
UV ont-ils fait disparaître tout carbonate de sa surface ?
Pourquoi Mars a-t-elle perdu son atmosphère ? Il semble que
la réponse se trouve dans le fonctionnement interne de la
planète. Lors de la précipitation de l’eau vapeur en océan le
stockage du CO2 atmosphérique sous forme de carbonate a
fait s’effondrer l’effet de serre, sur Mars comme sur la Terre.
Mais notre planète est dotée d’une quantité d’énergie
suffisante pour que son manteau convecte, alors que sur Mars
ce processus a dû s’arrêter très tôt. Or cette convection est
indispensable au recyclage du carbone61. Dans les zones de
subduction, une partie des carbonates CaCO3 précipités au
fond de l’océan est injectée dans le manteau. La
transformation en profondeur du carbonate de calcium en
silicates calciques libère le carbone qui est ensuite réinjecté
dans l’atmosphère par les volcans sous forme de CO2. C’est
probablement ainsi que la Terre a pu garder un effet de serre
en équilibre et donc son eau liquide, quand Mars allait
inexorablement voir disparaître son eau liquide. A partir de là
tout concourt pour lui faire perdre son atmosphère :
1- Chaque impact de météorite qui confère aux molécules
atmosphériques une vitesse supérieure à leur vitesse de
libération contribue à appauvrir une atmosphère qui
n’est plus renouvelée. Comme sur Terre, l’épisode de
bombardement intensif a cessé très tôt et ce phénomène
a dû devenir rapidement peu significatif ;
2- L’échappement continu des gaz dans la région externe
de l’atmosphère, définie au début du chapitre 5,
l’exosphère. Ce mécanisme a lieu tout au long de la vie
de la planète. Il fonctionne selon deux modes :
l'échappement thermique est comparable au
mouvement brownien, et ne concerne sur Mars comme
sur Terre que les atomes de H, très légers et
suffisamment accélérés par le rayonnement de basse
fréquence du soleil jusqu'à atteindre la vitesse de
libération de la planète; l'échappement non thermique
met en jeux le rayonnement solaire de haute fréquence,
dont la grande énergie permet de casser
(photodissociation) les molécules H2O, CO2 ou CH4
O2, N2. L’hydrogène peut alors acquérir une énergie
cinétique suffisante pour s'échapper dans l'espace.
L’atmosphère externe des planètes est soumise au
vent solaire, qui transporte avec le plasma une fraction du
24/10/13
Tableau 5 : Rapports isotopiques des atmosphères
Rapport
D/H
12 13
C/ C
16
O/18O
14
N/15N
36
Ar/38Ar
40
Ar/36Ar
129
Xe/132Xe
Mars
Terre
0,00077
90 (+/- 5)
490 (+/- 25)
170 (+/- 15)
5,5 (+/- 1,5)
3000 (+/- 500)
2,5
0,00015
89
489
272
5,3
296
0,97
champ magnétique solaire gelé. Les atomes ionisés de
cette région de l’atmosphère des planètes sont accélérés
par ce champ, et précipités vers la planète. Sur une planète
possédant un champ propre actif, comme la Terre, ces
particules n’atteignent pas l’atmosphère dense. Mars est
une planète de petite taille et donc refroidie rapidement,
qui a donc perdu rapidement sa convection mantellique et
la protection de sa magnéto hydrodynamique62 (vers 4
Ga.). Très tôt, elle s’est vue criblée par ces ions à haute
vitesse dont les collisions avec les molécules de
l’atmosphère communiquent aux atomes une vitesse
souvent supérieure à la vitesse de libération de la planète.
Sans eau liquide, sans protection magnétique, et
sous une atmosphère de plus en plus ténue, les carbonates
martiens ont peut-être eux aussi totalement disparu de la
surface de la planète sous l’effet du bombardement des
UV?
Les rapports isotopiques (tableau 5) que nous
avons utilisés précédemment pour étudier l’atmosphère
terrestre nous apportent pour Mars des enseignements du
même ordre. Certains sont d’ailleurs similaires (12C/13C,
16
O/18O et 36Ar/38Ar). Le rapport deutérium/hydrogène
(D/H) est par contre beaucoup plus élevé dans
l'atmosphère martienne que sur Terre, suggérant bien que
'hydrogène plus léger que le deutérium s'est donc échappé
plus largement au cours du temps sur Mars que sur Terre.
Sa valeur actuelle suppose qu'une énorme fraction de
l’hydrogène a quitté Mars.
Le rapport 14N/15N est lui aussi très différent de
celui de notre atmosphère, traduisant encore un
échappement référentiel de isotope léger, 14N. Un tel
enrichissement relatif en 15N (60% par rapport à la Terre)
est généralement considéré comme le résultat d’une fuite
significative en azote. Il en va de même pour le rapport
40
Ar/36Ar
Par contre, les rapports isotopiques de l'oxygène
(16O/18O) et du carbone (12C/13C) montrent moins de 5%
de différence avec les valeurs de l'atmosphère terrestre. La
perte apparaît ici minimale, laissant à penser qu’en
interagissant fortement avec les roches le CO2 et la vapeur
d'eau (H2O), auraient subi des pertes très faibles.
Le rapport 129Xe/132Xe suppose à l’inverse un
enrichissement relatif en isotope léger dans l’atmosphère
martienne par rapport à celle de la Terre, or il s’agit là
d’isotopes d’un élément lourd, et normalement se sont les
61
L'étude isotopique menée sur la météorite en provenance
de Mars QUE 94201 a montré que le rapport initial D/H de
l'eau sur Mars est similaire à celui des comètes alors que
celui de la Terre est de l’ordre de 2. L’eau martienne serait
donc quasi exclusivement d’origine cométaire, quand celle
de la Terre résulte sans doute d’un mélange d’eau cométaire
et d’eau mantellique.
62
Mars Global Surveyor a découvert les traces d’un
magnétisme rémanent fossile dans les hauts plateaux de
l'hémisphère sud, régions les plus anciennes de la planète
et qui correspondraient à un gigantesque continent sur
Terre. Ces reliques magnétiques prouvent que Mars
possédait alors dans un champ magnétique actif global.
- 160 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
atomes les plus légers qui s’évadent en plus grand.
Rappelons que 129Xe provient de la décomposition de l’iode
129
I, et que lors de l’épisode de dégazage, cet iode moins
volatil que le xénon est resté préférentiellement dans le
manteau. Nous avons vu qu’après cet épisode de dégazage,
précoce dans l’histoire des planètes, le 129Xe était
progressivement relargué par les volcans, faisant augmenter
le rapport 129Xe/132Xe. Si le même phénomène s’est produit
sur Mars, l’excès de 129Xe ne peut s’expliquer que par un
déficit du xénon strictement atmosphérique, 132Xe. Si celui-ci
fait défaut c’est sans doute qu’une part importante de
l’atmosphère martienne avait disparu AVANT le relargage
du 129Xe par le manteau dans l’atmosphère. Pour les
« nirgalogues » (Nirgal est à Mars ce que Gaïa est à Geo)
un tel phénomène conduit à penser qu’une violente collision
aura pu dépouiller très tôt Mars de son atmosphère fille des
volcans. Cet épisode violent s’est sans doute passé très tôt
dans l’histoire de Mars, car la fameuse météorite ALH
84001, formée il y a 4.5 Ga. présente dans les gaz qu’elle
contient un rapport 129Xe/132Xe comparable à celui de
l’atmosphère actuelle de Mars. L’abrasion de l’atmosphère
martienne est donc antérieure ou contemporaine de la
formation de cette météorite. Par contre le rapport 14N/15N
des gaz de ALH 84001 est beaucoup plus fort que celui de
l’atmosphère actuelle, ce qui démontre qu’à l’époque où
cette météorite a quitté Mars, les effets du vent solaire sur
son atmosphère n’étaient pas encore identifiables, la planète
étant sans doute encore tectoniquement et magnétiquement
active.
c - L’apparition de la vie et l’apparition des
conditions oxydantes
Lire Q - Vie - Apparition de la vie - Magids.htm. De « notre »
point d’observation, êtres vivants, le rôle essentiel de cette
précipitation primordiale en océans, lagunes ou étangs aux
eaux tièdes aura été d’apporter à la vie l’eau liquide
indispensable qui lui manquait pour se développer. Solvant
essentiel, elle allait en outre constituer l’abri la soustrayant
aux UV solaires qu’aucune ozone stratosphérique ne venait
contrecarrer à l’époque. Au-delà, les imaginaires vont bon
train : certains se calent sur nos chroniques de la naissance
du monde, déplaçant la main des dieux au gré des
découvertes de la cosmochimie et de la biologie; d’autres se
font l’inventeur du lieu où la première association de
composés est devenue biotique, et leurs schémas d’apparition
sont complexes…
Dans une première voie endogène (vie apparue sur
Terre) les chercheurs se sont tournés vers la chimie
prébiotique. Ainsi les briques qui constituent le vivant sont
sorties du chaudron de S. Miller, qui fut dans les années 50 le
remarquable expérimentateur des idées d’ A. I. Oparin et J.
Haldane (soupe de composés carbonés, azotés, phosphatés
soumise à des décharges électriques).
Cette voie expérimentée pendant plus de trente ans a
toujours donné naissance à des acides aminés, mais elle n’a
jamais été susceptible de produire les macromolécules du
vivant, ni bien sûr l’ARN indispensable à toute vie…
Aucune expérience n’a jamais vu non plus se constitue une
cellule, même en partant de protéines et/ou d’acides
nucléiques déjà présents. Dans ses expériences, Oparin a
montré que le dipôle hydrophile et hydrophobe des
macromolécules conduit à fabriquer des membranes qui
peuvent se fermer sur elles-mêmes et constituer ainsi un
24/10/13
milieu intérieur séparé du milieu extérieur. S. Fox a
montré dans les seventies que ces microsphères peuvent
échanger avec le milieu extérieur, absorber de l’eau et des
petites molécules ; au-delà d’une certaine taille elles
peuvent même se diviser en 2. Mais ces structures ne
présentent aucune des caractéristiques métaboliques et
reproductrices du vivant. Cette voie, souvent reprise, est
pour l’heure sans issue.
Cairns-Smith , ou Wächtershäuser, proposent une
autre voie endogène qui prend le relai de la précédente au
stade où les premières briques du vivant sont formées.
Pour ces auteurs, la structures répétitive et les liaisons
faibles présentent sur certaines des faces des minéraux (les
argiles pour Cairn-Smith et la pyrite pour
Wächtershäuser) sont à l’origine d’une part de la sélection
des molécules sélectionnées par le vivant avant que celuici ne soit autoreproductible, et d’autre part le lieu de
naissance des macromolécules indispensables au vivant.
Nombre d’auteurs acceptent aujourd’hui l’idée que la
chiralité gauche de molécules du vivant soit le fruit de la
géométrie électrique de surface des minéraux. Ainsi, alors
que les expériences de la chimie prébiotique fabriquent
autant de molécules carbonées gauches et droites (ceci est
également vrai pour les molécules carbonées contenues
dans les météorites), le piégeage d’une forme plutôt que
l’autre par les minéraux aurait permis une sélection par le
vivant de la forme gauche. On sait en effet que
l’homochiralité est un caractère nécessaire à la vie car les
propriétés des molécules (enzymatiques en particulier)
dépendent de leur forme. La présence de deux formes,
gauche et droite d’une même molécule n’est donc pas
compatible avec le vivant. En outre, plusieurs chercheurs
ont montré que les argiles offrent un support privilégié
aux briques constitutives de l’ARN, ouvrant peut-être
ainsi la voie à la fabrication des protéines ? Pour
Wächtershäuser, les premières entités vivantes furent des
revêtements moléculaires adhérant aux surfaces de la
pyrite (sulfure de Fe, FeS). De fait on constate que
certaines enzymes métaboliques contiennent des atomes
de Fe et de S ? Les réactions biologiques font intervenir
l’ammoniac NH3 qui pouvait être produite dans l’océan
primordial au niveau des rides océaniques. La réaction
d’hydratation de l’olivine du manteau [SiO4](Fe, Mg)2
+H2O l’oxyde en et serpentine libère du dihydrogène H2,
Olivine + H2O → Serpentine + H2
Par réaction avec le CO2 et l’azote dissous,
apparaissent le méthane et l’ammoniac libérés par les
fumeurs noirs des sources hydrothermales, fumeurs noirs
construits essentiellement en pyrite. Somme toute, les
constituants des réactions pouvant conduire à la vie étaient
ici réunis, et l’on peut écrire :
{210CO2 + H2PO4- + (Fe, Mn, Ni, Co, Zn)2+}océan
+
{427H2 + 10NH3 + HS-}fumeur noir
{C70H129O65N10P (Fe, Mn, Ni, Co, Zn) S}proto-vie
+
{70H3C-COOH + 219H2O}déchet .
Cette voie est intéressante dans la mesure où la
Greigite (Fe5NiS8) est un sulfure aux propriétés catalyseur
reconnues, qui aurait pu accélérer la production du
premier ARN, formé à partir de 3 ATP, molécule
facilement disponible dans les conditions
- 161 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
physicochimiques des fumeurs noirs, en les associant en un
premier triplet simple AAA à la surface de la pyrite...
Fig. 65 : stromatolithes actuelles
La voie exogène suppose que les briques de la vie ont
été fabriquées dans le cosmos, puis transportées et déposées
par les météorites, en particulier celles du type chondrites
carbonées hydratées de Murchison, ou les comètes qui ont
croisé notre chemin comme le propose la panspermie de
H.E. Richter puis de S. Arrhénius à la fin du XIX°-début
XX°, et comme le montrent les observations actuelles de la
cosmochimie… Si une telle origine présente un intérêt
certain au plan philosophique, la vie sur Terre devant alors
être considéré comme un processus très ordinaire au-delà
d’un certain degré de complexité, son intérêt strictement
scientifique est mince ; cela peut s’appeler « reculer pour
mieux sauter » ! En outre, pour l’heure, cette voie n’apporte
rien en matière de chiralité ni d’obtention des
macromolécules indispensable
Une chose est certaine, la vie est apparue très tôt
sur la Terre, probablement dès que les conditions
physiques l’ont permis, c'est-à-dire sans doute dès la
précipitation de l’océan et c’est une des raisons
fondamentales qui poussent à imaginer que la vie fut aussi
possible sur Mars. Sur Terre, les roches sédimentaires (seules
susceptibles de contenir des fossiles) les plus anciennes
reconnues sur Terre sont celles d’Isua au Groenland. Elles
datent de 3.8 Ga. Mais il s’agit de roches transformées par
métamorphisme ; la pression et la température atteintes
auront alors effacé toute trace morphologique de vie que ces
roches pouvaient contenir. Mais le métamorphisme ne
transmute pas les éléments chimiques et ne modifie pas les
rapports isotopiques des éléments. Or, le rapport isotopique
13
C/12C, d’échantillons de ces roches anciennes est dit non
minéral, c'est-à-dire qu’il est différent de celui que l’on
mesure d’ordinaire en chimie minérale. On observe en effet
que le vivant prélève plus de 12C que de 13C sur son
environnement pour se développer. Si l’on se réfère à l’âge
attribué au bombardement cométaire et météorique très
intense subi par les planètes internes — Chp. 4, §D-1-b, 700
24/10/13
Stromatolithe fossiles,Australie-Plbara 3.5 Ga.
Boetsap, Northern Cape (Afrique du Sud) 2.5 Ga
Ma. après la formation du système solaire soit environ 3.9 Ga. —
qui a sans doute stérilisé complètement la surface terrestre,
le rapport 12C/13C non minéral d’Isua montre qu’il aura fallu
très peu de temps pour atteindre la complexité biologique
nécessaire pour que le métabolisme signe sa présence sur la
Terre (3.8 Ga.). On imagine que ces formes de vie primitives,
dans les conditions très réductrices qui régnaient alors, sont
très probablement des bactéries anaérobies.
Filament fossile 3.5 Ga. (taille quelques dizaine de
microns), Lame mince
Les premières concrétions carbonatées produites par
le vivant ont été identifiées dans des roches d’Australie à
peine plus récentes (3.5 Ga.). Leur texture, bien différente de
la texture Lazarus évoquée plus haut, est similaire à celle des
stromatolithes actuels (Fig. 65). Il s’agit de voiles
bactériens, produit de l’activité d’algues unicellulaires
(algues bleues ou cyanobactéries). L'accroissement du taux
d'oxygène dans l'air serait lié en premier lieu à l’activité de
ces cyanobactéries (Lire MC - Vie - Cyanobacterie - Magids.htm).
L’existence de la chlorophylle vers 2.7 Ga. est
semble-t-il attestée par l’observation de petits prismes
dénommés pristanes, qui miment la chlorophylle dans
quelques échantillons rocheux.
La présence de formations sédimentaires appelées
BIF (Fig. 66a; Banded Iron Formations), constituées
majoritairement par l’alternance de lits de grains de quartz et
de lits d’oxyde de fer Fe2O3 (Fig. 66b) déposés sur des
- 162 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
surface considérables —e.g. les BIFs de Pibara dans l’Ouest
Australien couvrent 150 000 km2 et représentent 1012 tonnes de fer —
suggère fortement qu’il y ait eu de l’oxygène libre dans
l’océan pour rendre possible leur formation et cela renforce
l'idée que la photosynthèse était déjà à l'œuvre à cette
époque.
Fig. 66: Banded Iron formation
a)2.5 Ga., NO Australie
En effet, l'atmosphère née des volcans étant
principalement constituée de CO2, N2, SO2 et H2O, ni l'océan
ni elle, ne sont oxydants. Le Fer arraché aux roches par les
pluies acides est donc transporté et stocké sous sa forme
réduite (Fe2+), qui est très soluble. Dans l'hypothèse où les
BIFs résulteraient de la précipitation du Fe2+ en Fe3+ en
présence d'oxygène libre, il aura donc fallu dans un premier
temps que les algues saturent en oxygène tous les minéraux
de l’océan. Cependant, il existe des BIFs à 3.5 Ga., qui sont
bien antérieurs aux pristanes. S'agit-il simplement d'un
manque de fossiles de cette époque?
Peut-être n'a-t-il pas fallu attendre la saturation en
oxygène de l'océan pour transformer Fe2+ en Fe3+? Le rôle
joué par la chlorophylle dans la photosynthèse est d'arracher
des H+ de l'eau (ce qui libère de l'oxygène), car en effet la
construction du vivant réclame une quantité importante
d'hydrogène.
24/10/13
http://www.ees.rochester.edu/ees119/Lect4.html
quartz (Si02), hematite (Fe2O3), siderite
(FeCO3) et stilpnomelane K,Fe, Mg, Al-silicate).
b) alternance de lits de
Prenons la composition moyenne du vivant, soit à peu
près C60O40N2H100, et tentons de le construire à partir des
molécules dissoutes dans l'océan à cette époque :
1- les 60.C viennent du CO2 ou du HCO3- et le bilan est,
pour 60.C: 0 ≤ H ≤ 60; 120 ≤ O ≤ 180
2- Les 2.N viennent du NO2 ou du NO3, ce qui ne
compense pas le déficit d'au moins 40.H
Il nous manque donc une source d'hydrogène, et c'est
peut-être le Fe2+ qui a alors joué ce rôle, de façon indirecte.
On sait que Fe2+ peut être oxydé sous l'effet des UV, selon la
réaction:
Fe2+ + hν (UV) → Fe3+ +e-
http://museum.wa.gov.au/research/collections/earth-and-planetarysciences/rock-collection/banded-iron-formation
c) Mine de fer de Thabazimbi, Afrique du Sud
L'électron ainsi éjecté va, en se combinant à un
proton, donner un H+ qui sera immédiatement capté par la
vie. L'effet d'un tel mécanisme est donc d'une part de
déplacer l'équilibre en faveur du Fe3+ qui, beaucoup moins
soluble que Fe2+, précipite en BIF, et d'autre part de favoriser
la vie en lui cédant les hydrogènes qui lui manquent.
Selon David C. Catling et al 2001, la concentration
basse en O2 dans l’atmosphère archéenne implique que le
méthane était 100 à 1000 fois plus abondant qu’aujourd’hui.
On sait le rôle positif du CH4 dans l’effet de serre et sa
capacité à absorber la lumière solaire, mais il pourrait avoir
eu un autre rôle dans l’histoire de notre atmosphère. Soumis
au rayonnement solaire UV, le CH4 est aisément dissocié et,
comme nous l’avons vu à propos de Mars, l’hydrogène ainsi
libéré atteint aisément la vitesse de libération de la planète,
celle de Mars bien sûr, mais aussi celle de la Terre. Cette
perte est celle d’un puissant réducteur, ce qui revient de facto
à oxyder la planète Terre. L’apparition de la photosynthèse
aurait, selon ces auteurs, favorisé ce processus. En effet, en
dissociant l’eau en O2 et H2, la photosynthèse favorise les
processus méthanogènes qui associent H et C en CH4. Dès
lors la perte irréversible d’hydrogène vers le cosmos devient
possible, et l’on peut exprimer ce processus comme suit :
http://web.uct.ac.za/depts/geolsci/dlr/hons1998/thaba2.jpg
Fig. 67 : évolution de la composition de l'atmosphère
CO2 + 2H2O → CH4 + 2O2 + CO2 + O2 + 4H(cosmos)
Selon K. Konhauser (2009) l’océan ancien devait être
- 163 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig. 68 : Fossile de Franceville
riche en Ni car les sédiments
au pouvoir réflecteur de la glace et de la
Antécambriens le sont. Cette richesse est
neige pourrait, par emballement,
vraisemblablement héritée des laves
entraîner l’englacement total de la
émises à cette époque. En effet, leur
planète. La surface croissante de la glace
composition va changer progressivement
réfléchit une grande partie des rayons
avec le refroidissement du manteau.
solaires, qui sont alors plus renvoyés
Elles étaient plus riches en Ni durant les
dans l'espace sans réchauffer la Terre, et
1° âges de la Terre car le volcanisme
le refroidissement s'accélère. La glace
était alors largement komatiitique (très
gagne ainsi les tropiques, peut-être
magnésien, de haute température et riche
même l’équateur ? D’autres parlent de
en Ni) et ce type de volcanisme allait céder la place à des « Planète Igloo ». Totales ou pas, les glaciations ont bien
épanchements à température plus basse, de type basaltique eu lieu durant cette période, leur durée aurait été à chaque
moins riches en Ni. C’est cette décroissance que l’on fois de 10 Ma. environ et les conditions très froides
observerait dans les teneurs en Ni des sédiments. Mais le qu’elles imposent paraissent bien avoir provoqué une
nickel est par ailleurs un nutriment essentiel des micro- diminution considérable de la biomasse assurant la
organismes méthanogènes, qui ont ainsi dû voir leurs photosynthèse et que pourrait traduire le rapport 12C/13C
conditions de vie se détériorer à cette période, favorisant très abaissé de ces sédiments d’après certains auteurs.
ainsi les cyanobactéries insensibles à cette modification. Un Inversement la biomasse anoxique, en particulier
tel processus ne pouvait donc que concourir lui aussi à méthanogène, pourrait avoir proliféré, augmentant PCH4
l’oxydation de l’océan.
En résumé, les voies de l’oxydation de l’atmosphère
terrestre ont sans doute été multiples, et elles concourent à
élever brutalement et définitivement le taux d’oxygène libre
dans l’atmosphère vers 2.5 à 2 Ga. (Fig. 67). La période des
BIFs ne s’étend pas au-delà de 1.7 Ga.
Cette explosion de la vie implique une
surconsommation du carbone, et l’on a vu que le CO2 est une
denrée qui s’est raréfiée dans l’atmosphère dès 4 Ga.. Dans
une atmosphère devenue oxydante, la photosynthèse soustrait
une fraction du CO2 qu’elle stocke dans les végétaux
(fussent-ils unicellulaires), mais à leur mort, la dégradation
du vivant renvoie le CO2 à l’atmosphère, et il s’établit un
équilibre entre le réservoir atmosphérique et la biosphère.
C’est ainsi que de nos jours, une forêt mature, en équilibre,
présente des bilans de consommation de CO2 et de
production d’O2 globalement nulle. Mais à cette époque
ancienne, l’équilibre ne sera atteint que vers 2 Ga. et le bilan
en oxygène apparaît très largement positif.
Réduction du CH4 et stockage du CO2, l’effet de serre
n’a donc probablement cessé de décroître durant cette
période. Est-il le seul responsable de l’apparition des
premières glaciations ? C’est en tous cas vers 2.3 Ga. que
l’eau solide apparaît sur la Terre pour la première fois. On
connaît en effet de par le monde un type de série de faciès
rocheux qui laisse à penser que des conditions très dures sont
réapparues qui ont pu mettre en péril la vie sur Terre, à
plusieurs reprises, d’abord vers 2.3 Ga. puis à quatre reprises
entre 1Ga et 550 Ma. Cette association est la suivante :
Fig. 69 : La faune d’Ediacara
a- les fonds océaniques au temps d’Ediacara
b- organismes ressemblant à des : méduses (a), coraux
mous (Rangea, b), arthropodes ou à des annélides (c,
Spriggina). Par contre, (Parvancorina d ; Tribrachidium
e) ne ressemblent à aucune forme animale connue.
1- la base de la série est constituée d’un sédiment
identique aux dépôts glaciaires marins actuels,
provoqués par la fonte les icebergs ;
2- la série continue avec des dépôts de fer identiques à
ceux des Banded Iron Formations ; enfin la série se
termine par un dépôt de carbonates de type archéen, à
texture Lazarus .
c- distribution mondiale des sites de faunes d’Ediacaria
Enfin la série se termine par un dépôt de carbonates de type
archéen, à texture Lazarus .
Leur extension quasi généralisée jusque vers les
basses latitudes (au moins jusqu’aux tropiques) a fait dire à
Joseph L. Kirschvink en 1992 que le globe a dû être « a
Snowball Earth », conformément au modèle de Mikhail
Budyko (1964), qui prédit que l’accroissement de l’albedo lié
- 164 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 70: Faune tommotienne:
Elle contient certains organismes d'aspect moderne (D), et de petits
élément considéré par les auteurs comme des lames, tubes,
aiguilles, calottes ou coupoles d'affinité incertaine (A-C)
d’équilibre entre l’atmosphère et l’océan et favorisant la
précipitation d’hydrate de méthane dans les sédiments. La
présence de BIF témoigne d’un abaissement important du
potentiel redox juste avant ou au début de la précipitation des
carbonates. Ceux-ci, parce qu’ils coiffent les dépôts
glaciaires, témoignent d’un retour des conditions chaudes,
mais aussi du déplacement de la PCO2 d’équilibre entre
l’atmosphère et l’océan. On imagine alors que, la glaciation
généralisée ayant fait chuter la biomasse photosynthéthique,
la part du CO2 volcanique dans l’atmosphère remonte. Ce
nouvel emballement, de l’effet de serre cette fois,
conduirait alors à la fusion brutale de la glace et à la
précipitation du carbonate. La vie reprenant ses droits sous
des auspices plus cléments, un nouvel équilibre serait atteint.
L’explication de ces formations reconnues et
caractérisées depuis 40 ans environ est encore très
controversée aujourd’hui. Quel rôle la tectonique des
plaques joue-t-elle dans la régulation du climat ? Mars nous
montre qu’avec l’arrêt de la tectonique globale cesse le
recyclage du CO2 et avec lui l’effet de serre. Le cycle des
« Pangée(s) » a-t-il pour effet de ralentir ce recyclage du
CO2 ? Nous avons vu au chapitre 1 §B qu’un supercontinent
agit comme un couvercle sur le manteau et que les modèles
suggèrent qu’il s’en suit une augmentation de la taille des
cellules convectives? Toujours est-il que les quatre épisodes
successifs de boule de neige 1Ga-550 Ma. sont à peu près
contemporains de la première Pangée reconnue, Rodinia (cf.
Chp. 3 § E1b) et qu’ils cessent avec le morcellement de
Rodinia. Faut-il voir dans la glaciation carbonifère
correspondant à la Pangée un bégaiement de l’histoire? Les
causes ne sont jamais uniques, et la glaciation carbonifère est
très différente des précédentes, sans Lazarus et sans BIF.
Mais cela signifie-t-il que la Pangée n’a joué aucun rôle ?
L’époque de la première glaciation, il y a 2,3 Ga. correspond
semble-t-il à une baisse d'intensité lumineuse reçue du Soleil.
Le système solaire serait passé à travers des régions
poussiéreuses de l'espace qui aurait diminué l'énergie solaire
reçue par la Terre ? Cause unique là encore ?
d - L’explosion de la diversité, un scénario
très mal documenté
Si l’impact des conditions géotectoniques sur
l’apparition et le maintien de la vie est fondamental, celui de
la vie sur l’atmosphère terrestre fut et reste considérable. Il
ne fut pas immédiatement visible, et ce n’est que lorsque la
24/10/13
saturation en oxygène de l'océan aura été atteinte que
la composition de l’atmosphère aura pu aussi changer et
que le cycle de l’ozone aura pu démarrer. Dès lors, les
UV solaires très énergétiques n’auront plus atteint le sol
terrestre, et la vie continentale sera devenue possible.
On a longtemps pensé que le premier eucaryote
est apparu dans les océans peu après la saturation de l’eau
en oxygène; il est âgé d’environ 1.5 Ga. On disait alors
qu’il aura donc fallu plus de 2 Ga. pour voir le code
génétique s'individualiser dans la cellule! Si le maximum
de complexité a bien été atteint (de nos jours) par les
eucaryotes, rien n'est venu prouver la supériorité des
cellules à noyau, en termes d'adaptation de la vie aux
conditions extérieures. Et il va d'ailleurs se passer 1 Ga.
pendant lequel nous ne connaissons pas de changements
significatifs. Selon ce schéma, l’'apparition des premiers
pluricellulaires remontait aux environs de 670 Ma., et la
première faune connue (Ediacara, en Australie) était datée
de 600-550 Ma., c’est à dire peu après le dernier snowball
connu.
Mais en 2010 la découverte au Gabon de plus de
250 fossiles de formes et de dimensions diverses, dans des
terrains datés de plus de 2.1 Ga, apporte la preuve de
l’existence d’organismes pluricellulaires à cette époque.
D’après l’équipe de A. El Albani la morphologie de ces
fossiles ne peut s’expliquer par des processus purement
physico-chimiques. Leur taille (jusqu’à 12 cm) est trop
grande et leur structure interne (Fig. 68, image obtenue
par tomographie de rayons X) trop complexe pour que
l’on soit en présence de procaryotes ou d’eucaryotes
unicellulaires. La reconnaissance du caractère « vivant »
de ces fossiles pyriteux dans leur gangue argileuse été
conduite en s’appuyant sur la distribution des isotopes du
soufre, dont les rapports dans la matière organique
transformée en pyrite sont différent du soufre minéral de
l’argile. La distribution relative de la matière organique a
été précisément cartographiée. Cette matière est ce qu’il
reste de l’organisme vivant, qui s’est transformé en pyrite
(un minéral formé de disulfure de fer) au cours de la
fossilisation.
La faune d’Ediacara, datée de 600-550 Ma. est
constituée d’invertébrés variés (fig. 69a-b-c) qui
apparaissent à peu près partout dans le monde à la même
époque. Cette faune témoigne donc d’une adaptation
efficace puisque largement conquérante (Fig. 69b), mais
elle est sans descendants ? Aucun des organismes présents
à cette époque ne paraît être en mesure de représenter
l’ancêtre d’une espèce animale vivant de nos jours…
surprenant ?
Une étape importante de l'évolution après
l'apparition des métazoaires à corps mou est la
minéralisation des squelettes. La découverte récente
d'organismes à squelette minéralisé dans des couches de la
fin du Précambrien et
Fig. 71 : cône de diversité
du
début
du
croissante
Cambrien (entre 550
et 540 Ma.) démontre
que l'apparition de la
minéralisation
des
squelettes est quasi
contemporaine de la
- 165 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 72: datation des premières faunes fossiles.
faune d'Ediacara. La Faune observée d’abord à Tommot, une
petite ville de Sibérie (faune Tommotienne, Fig. 70), puis
un peu partout dans le monde est à peine postérieure, 530
Ma. Elle aussi fut de courte durée (quelques millions
d'années seulement). Néanmoins, cette faune Tommotienne
est importante parce qu’elle marque l'apparition d'un groupe
d'organismes, les archéocyathes, qui n'a vécu que jusqu'à la
fin du Cambrien, mais qui appartient très probablement à
l'embranchement des éponges. C’est donc à cette période
qu’apparaît le premier des plans d’organisation qui ont
encore des descendants de nos jours.
A ce stade, l'évolution de la vie (lire MC - Vie - Theorie
- Dufour.htm) va subir une diversification
foudroyante dont le seul témoin fut longtemps la faune de
Burgess Pass (Colombie Britannique), d’abord décrite par
Sir Charles Doolittle Walcott lors de sa découverte en 1909.
L’erreur de Wallcott et de ses suivants fut de considérer que
la Faune de Burgess se situant début de la vie animale
connue ou presque, la diversité que l’on y observe obéit aux
mêmes lois que tous les organismes que l’on rencontre
depuis ; les formes de Burgess sont donc nécessairement des
ancêtres du monde vivant actuel. Or ils sont déjà diversifiés
et doivent donc s’inscrire dans le cône de diversification
(Fig. 71), représentation prêtée à C. Darwin63, reprise
ensuite par Thomas H. Huxley et développée surtout par
Herns Heackel Les fossiles de Burgess devaient donc se
ranger, fusse avec un chausse pied, sur les branches basses
d’un cône de diversité représentant les embranchements
connus, et dont la base inconnue se perd dans les terrains
azoïques du Précambrien.
Evolution
En fait Burgess représente une disparité considérable
dont l’iconographie en arbre ne peut rendre compte. Ce
phénomène sera de très courte durée dans l’histoire de la vie.
Il sera rapidement suivi d’une décimation des formes
créées. Parmi elles, un petit nombre de formes sont les
fondateurs de tous les embranchements que nous
connaissons aujourd’hui, auxquels il faut ajouter celui des
éponges déjà présent dans la Faune Tommotienne. Le
63
La représentation de C. Darwin de l’évolution était celle
d’un corail buissonnant (voir couverture du poly), beaucoup
plus proche de la représentation sphérique qu’on en donne
aujourd’hui
24/10/13
caractère unique de l’évènement, qui s’est
déroulé en quelques dizaines de Ma. au plus
(Fig. 72 ; NB la faune Tommotienne, entre
Ediacara et Burgess n’est pas représentée,
celle de Franceville non plus) n’avait pas
échappé à Darwin, mais toutes ses patientes
observations convergeaient vers l’idée que la
diversité, en fidèle représentante de
l’évolution des espèces, reflète des
modifications trop lentes sur un nombre de
branches trop constant pour qu’elle ne fût pas
régulièrement décroissante en reculant dans le
temps, et qu’elle n’aille se perdre en un
rameau unique dans les temps protérozoïques.
Pour Stephen Gay-Gould (« La vie est
belle » page 48) mieux vaut utiliser le terme
de « disparité » pour souligner la distance
entre les plans d’organisation des organismes
appartenant à des embranchements différents,
et parler de « diversité » au sein d’un même
embranchement pour souligner le nombre des espèces de
ce groupe. Il prend les cas suivants « une faune comprenant
trois espèces distinctes de taupes » et « une faune comprenant
un éléphant, un escargot et une fourmi » donc trois
embranchements. On sera d’accord avec l’auteur pour dire
que la diversité est faible dans la première faune et forte dans
la seconde, et pourtant, il n'y a dans chaque cas que trois
espèces. La faune du Schiste de Burgess a montré que celleci recelait de la diversité, dans le sens de disparité des plans
d'organisation anatomique. Appréciée en tant que nombre
d'espèces, la diversité de la faune de Burgess n'est pas très
élevée. Ce fait souligne un «paradoxe capital propre aux
premières formes de la vie. Comment une telle disparité des
organisations anatomiques a-t-elle pu apparaître, alors
même qu'il n'y avait pas de grande diversité dans le nombre
des espèces? ».
Si le site de Burgess Pass est longtemps resté
unique, on a découvert or redécouverts d’autres sites
d’exception (nommé « lagerstätte ») présentant des faunes
comparables, au groënland (Sirius Passet), en Sibérie, en
Australie ou en Chine, révélant ainsi que les espèces
observées en Colombie Britannique avaient bien sans
doute une extension mondiale.
Dans la province du Yunnan, le site de
Chengjiang prospecté depuis les années 80 et maintenant
bien documenté, est daté de 525 Ma. Il est donc plus vieux
de 20 Ma que Burgess Pass et présente pourtant une
faune déjà plus diversifiée que celle Burgess. Ainsi le
chordé de Burgess (Pikaia), que l’on a longtemps
considéré comme l’ancêtre des céphalochordés actuels —
amphioxus, animal marin d’allure proche des poissons mais sans
colonne vertébrale — et des vertébrés qui allaient apparaître
fait-il presque « figure d’attardé » à Chenjiang, où l’on a
observé la présence de vertébrés au sens strict, proches de
nos poissons actuels les plus archaïques (lamproies).
Puisque Chengjiang possède tous les groupes animaux
reconnus à Burgess, il faut admettre que la diversification
des métazoaires s’y est faite plus tôt (ou plus vite).
L’époque du début du Cambrien est donc
exceptionnelle en effet, et en totale contradiction avec
l’image communément admise de la diversité aux
embranchements de plus en plus touffus.
- 166 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Contrairement à ce
que l’on a longtemps pensé
les premiers pluricellulaires
que nous avons évoqués
ont pu avoir un règne très
long (1.5 Ga.)L’apparition
de la coquille puis, très
rapidement, celle de tous
les
embranchements
Stephen Jay Gould.
connus de nos jours plus
http://scienceblogs.com/worldsfair/2007/11/
what_do_you_think_of_stephen_j.php
bien
d’autres
plans
d’organisation
mis
en
évidence sur les site de Burgess Pass et autres Chengjiang,
suggère une accélération brutale du foisonnement du vivant.
Les 25 embranchements qui y sont représentés sont
tous aussi différents les uns des autres qu'un chordé (être à
squelette interne comme l'homme et le poisson) et un
arthropode (être à squelette externe comme le crabe). Les
plans d’organisation de ces êtres vivants sont si déroutants, si
différents de ceux que nous connaissons qu’il est parfois
difficile, voire impossible, d’attribuer des fonctions à leurs
appendices. Il apparaît de nos jours que l’évolution des
espèces ne traduit rien d’autre que la réponse de plans
d’organisation variablement diversifiés aux sollicitations de
leur environnement. Il semble bien que Charles Darwin ai
déjà compris, lorsqu’il écrit « il est probable que les périodes
pendant lesquelles elle a subi des modifications, bien que
longues, si on les estime en années, ont dû être courtes,
comparées à celles pendant lesquelles chacune d'elle est
restée sans modifications » que l’évolution des espèce n’a
pas le caractère linéaire qu’on lui confère souvent
(gradualisme phylétique) et il revient à Stephen Jay Gould,
figure importante du darwinisme contemporain, d’avoir
formulé en 1972 avec Eldredge la théorie des équilibres
ponctués (lire MC - Vie - Equilibres ponctues - Dufour.htm), selon
laquelle les transitions évolutives entre les espèces au cours
de l’évolution se font brutalement et non graduellement.
Ainsi l’évolution ne traduit aucune direction préférentielle
vers quelque que ce soit et, reprenant le « corail de la vie »
de Darwin, sa meilleure représentation actuelle est sphérique
(voir 4° de couverture). Mais revenons un instant au zoo
d’exception de Burgess ou de ChengJiang (voir http://burgessshale.rom.on.ca/fr/galerie-des-fossiles/index.php) dont si peu de
membres eurent une descendance :
Marella est un petit animal de 2cm maximum. Sa
tête porte 2 antennes et 2 pattes
spécifiques, 2 cornes latérales
tournées vers l’arrière et une
protection dorsale en forme de
lyre; son corps segmenté
comprend 25 articles biramés,
une patte articulée et un
appendice branchial ; un telson termine le corps
Yohoia, de taille comprise entre 7mm et 2.5 cm est très
particulier. Sa tête porte 3
paires de pattes uniramées
classiques pour la marche chez
les trilobites plus une paire de
pattes pour la nutrition se
terminant par quatre piquants,
une morphologie inconnue chez
tous les autres arthropodes depuis. Les 10 premiers segments
du corps portent un seul appendice, en éventail.
24/10/13
Opabinia est un être extraordinaire, de 5 à 7 cm,
équipé de 5 yeux, d’une
trompe prolongeant d’1/3 le
corps de l’animal. Celle-ci
est terminée par une sorte de
double mâchoire équipée
d’épines en guise de dents ?
Un must dans le bestiaire de
Burgess Pass. Son corps comporte 15 segments biramés,
avec 1 lobe majeur et 2 petits lobes latéraux portant la
rame branchiale. Les lobes se recouvrent partiellement,
comme chez Anomalocaris. Mais la façon dont les fossiles
apparaissent fouir le sédiment environnant conduit à
penser qu’Opabinia vivait sur le fond, même si les lobes
pouvaient servir à s’y mouvoir.
Odontogriphus, l’énigme édentée, est un petit
animal pouvant atteindre 12
cm, très plat, équipé de deux
organes (sensoriels ?) latérofrontaux et d’une sorte de
bouche à 25 « dents », petit
cônes qui ne sont sans doute
pour certains, que des petits
tentacules (classant l’animal dans les vers), et pour
d’autres une version précoce (comme chez Wiwaxia) de la
radula, classant Odontogriphus à l’origine des
mollusques ?
Dinomischus est un organisme fixé et sans doute
immobile, assez semblable aux
coraux dont il n’a pas la symétrie 6
ou 8. Il ressemble aussi aux
crinoïdes, mais sans la symétrie 5 des
échinodermes. Les lames ressemblant
à des pétales, portées par le calice de
cette sorte de marguerite sont au
nombre de 20. Le calice montre 2
orifices reliés entre eux, bouche et
anus sans doute.
Amiskwia est peut-être l’un des organismes ne
vivant pas sur le fond marin.
En effet ses appendices
(latéraux et caudal) suggèrent
la nage. Par ailleurs sa tête
semble équipée un double
organe sensoriel et de 2
tentacules, et elle pourrait
avoir possédé 4 ganglions
nerveux.
Hallucigénia ! comme le dit S.G. Gould, comment
peut-on décrire une forme
vivante dont on ne comprend
pas où est l’avant et l’arrière, le
haut et le bas. La bouche serait
le tube en bout ? Les épines des
béquilles ? des pattes ? une
paire par segment. Sur le dos( ?)
une sorte de tentacule placé en
quinconce avec les « pattes » ?
La question était ainsi posée
à Burgess. La faune de
Chengjiang « renverse » le
tableau, les béquilles sont
bien des épines, les tubes
- 167 -
Mary Parrish. Courtesy National
Museum of Natural History
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
dorsaux sont devenus lobopodes marcheurs… Hallucigenia
est donc proche (comme Aysheaia) des onychophores actuels.
Odaraia ressemble à un arthropode, à carapace
bivalve, sans antennes, avec
une queue d’avion pour faire
bonne mesure. Vivait-il sur le
fond ? se propulsant avec la
queue ? Pas d’antennes, pas
d’appendices buccaux, encore
une fois un organisme très
différencié et rien qui indique
un caractère primitif.
24/10/13
Fig. 73 : La vie est Belle, taxons connus de nos jours :
a) Canadapsis, un pré-crabe b) Ottoïa, ancètre des
priapulien modernes c) Canadia, un annélide,
d) Pikaïa, un ancètre de chordés,
e) Aysheïa, le précurseur possible de deux phyla,
les annélides et les arthropodes.
Wiwaxia est un petit animal de 5 cm en moyenne,
couvert de rangées de plaques
(écailles) dont deux en forme
de lignes d’épines. Pas de
segmentation, Wiwaxia n’est
pas un annélide, ni un
arthropode. Sa bouche est
équipée L'appareil buccal de 2
ou 3 plaques dentées, outil qui
rappelle la radula des
gastéropodes (sorte de râpe).
Faut-il dès lors le ranger dans
les mollusques ?
Anomalocaris mesure 60 cm, un monstre pour
l’époque. Doté des
premiers
organes
visuels de l’évolution,
des yeux composés
comparables à ceux
des insectes actuels, il
est le plus grand
prédateur de cette
faune.
Chaque
segment porte un lobe
sans doute flexible
recouvert en partie par
le suivant. Les paléontologues suggèrent que cet organe
servait
à
une
nage
ondulée
(http://www.youtube.com/watch?v=Ep_zpUa4p1w;
www.youtube.com/watch?v=DoL_142abXU).
Actuellement
les
spécialistes s’accordent à le ranger dans les arthropodes,
dont il constitue l’une des formes ancestrales, présentes à
Burgess Pass, en Australie et en Chine.
conquête de tout l'océan. A notre schéma de cône de
diversité il faut substituer un schéma de disparité –
décimation – diversification (fig. 74).
Pourquoi une telle décimation se produit-elle parmi
des formes qui viennent de conquérir les océans du monde
entier ? Quels hasards auront, 40 Ma. plus tard au
Cambrien (560 Ma.), réduit le panel des formes de vie sur
la Terre à ce que nous connaissons aujourd’hui. Comment
s'est opérée la sélection ? Dire que les formes qui
subsistent ont survécu parce qu’elles étaient les plus
adaptées en partant du principe darwinien que c’est la
pression de l’environnement qui préside à la sélection
confine à la tautologie, puisque l'on identifie les plus aptes
comme ceux qui ont survécu. Mais ce n’est pourtant pas
une raison de suivre les créationnistes, qui ont récemment
brandi cet argument, prétendant ainsi réfuter la notion
même d'évolution.
Voilà pour les espèces restées sans descendance, ce
qui ne signifie pas que le nombre des individus de chacune
d’entre elles était petit ou qu’elles étaient inadaptées. Par
Une difficulté majeure que présente Burgess pour
voie de conséquence, nous sommes incapables des classer la communauté scientifique est que rien dans cette faune
dans les phyla contemporains. Mais bon nombre d’autres ne permet de prédire lesquelles, parmi les espèces
espèces présentes à Burgess Pass se rangent dans des phyla présentes, sont celles qui sont, A PRIORI, les plus adaptées
qui portèrent descendance, dont notre ancêtre Pikaia (Fig. 73 aux conditions que l’on sait devoir régner d’ici peu. Ainsi,
page suivante), Pourquoi tant de diversité dans cette période rien ne nous dit que si le film des évènements pouvait être
charnière pour les pluricellulaires? Bien sûr, la pression rejoué, notre ancêtre Pikaïa, moins de 5 cm et seul
démographique est probablement encore
chordé de Burgess Pass, serait au nombre
faible et la concurrence entre tous ces Fig 74: schéma de
des élus à la loterie de l’évolution…
embranchements qui viennent d'apparaître Décimation - diversification Considérant la théorie de Darwin, et suivant
n'est sans doute pas aussi rude qu'elle ne le
Gould, on peut dire que la faune de
sera par la suite, mais pourtant tous ces
Burgess « pose deux grands problèmes au
organismes très différents paraissent déjà très
sujet de l'histoire de la vie. « Ils se situent
adaptés à leur milieu, et il semble de plus en
symétriquement par rapport à la faune de
plus évident avec la multiplicité des sites de
Burgess elle-même, l'un avant, et l'autre
fouilles qu'ils étaient bien déjà partis à la
après :
- 168 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
ménage et l'agitation de cette période unique en son
genre, l'expérimentation régnait, le monde était
pratiquement libre de toute compétition pour la
première et la dernière fois… … Pratiquement toute
la littérature sur Burgess fait appel à cette vision
traditionnelle. Le maître mot des interprétations a
été : compétition moins rigoureuse ».
1- comment, étant donné notre vision traditionnelle d'une
évolution extrêmement lente, une telle disparité a-t-elle
pu surgir aussi rapidement ?
2- si la vie actuelle est le résultat de la décimation de la
faune de Burgess, quelles particularités anatomiques,
quels caractères physiologiques, quels changements
d'environnement départagèrent ceux qui allaient
gagner de ceux qui allaient perdre ? »
Selon Gould, trois types de mécanismes évolutifs
sont susceptible de rendre compte de l'explosion du
Cambrien ayant conduit à la disparité rencontrée à Burgess.
1 - Le remplissage initial du tonneau écologique. « Selon
la théorie darwinienne conventionnelle, l'organisme
propose et l'environnement dispose. Les organismes
fournissent un matériau brut sous forme de variation
génétique
exprimée
dans
des
différences
morphologiques. Au sein d'une population, ces
différences sont toujours petites, et ce qui est plus
64
important dans la théorie, non dirigées . Le
changement évolutif (par opposition à la simple
variation) est produit par le jeu de la sélection naturelle
émanant de l'environnement externe (les conditions du
milieu, aussi bien que les interactions entre les
organismes). Les organismes ne fournissant que le
matériau brut et celui-ci ayant été jugé presque
toujours suffisant pour produire toutes sortes de
changements
selon
des
rythmes
darwiniens
extrêmement lents, l'environnement est donc considéré
comme le facteur qui contrôle la vitesse et l'ampleur de
l'évolution. Par conséquent, selon la théorie
conventionnelle, les grandes vitesses atteintes lors de
l'explosion cambrienne signalent que quelque chose
d'inhabituel a dû se passer dans l'environnement à cette
époque… …lorsqu'on cherche en quoi pouvait consister
cet « inhabituel » dans l'environnement, ayant pu
engendrer l'explosion cambrienne, la réponse est
évidente et saute aux yeux. Cet événement a représenté
le moment du remplissage initial du tonneau écologique
par la vie multicellulaire. Ce fut une époque où les
places disponibles pour des modes de vie variés
abondaient, à un point qui n'a jamais plus été égalé
depuis. Presque n'importe quoi pouvait trouver sa niche
écologique. La vie multicellulaire opérait une radiation
dans un espace totalement libre et elle put donc
proliférer à une vitesse exponentielle… Dans le remue-
64
« Les manuels de biologie parlent souvent de variations
«au hasard ». Ce n'est pas vrai au sens strict. Les variations
ne se font pas au hasard, dans le sens littéral où elles
seraient également probables dans toutes les directions ;
chez les éléphants, il ne se produira jamais de variations
génétiques déterminant la formation d'ailes. Mais l'emploi du
terme «hasard» a pour but de faire ressortir une notion
cruciale : sur le plan génétique, rien ne prédispose les
organismes à varier dans des directions adaptatives. Si
l'environnement change de telle sorte qu'il favorise les
organismes plus petits, les mutations génétiques ne se
mettent pas à produire des variations orientées dans le sens
d'une diminution de la taille. En d'autres termes, la variation
elle-même n'a pas de composante directionnelle. La sélection
naturelle est l'agent du changement évolutif ; la variation
organique est seulement le matériau brut. »
24/10/13
2 - Le changement des systèmes génétiques au cours
du temps. Gould écrit : « Dans le cadre de la vision
darwinienne traditionnelle, les morphologies
subissent des processus de vieillissement, mais non
le matériel génétique. Si le changement évolutif
connaît des variations de rythme, c'est que des
modifications de l'environnement redistribuant les
pressions de la sélection naturelle évoquent de
nouvelles réponses de la part d'un substrat matériel
(les gènes et leur action), mais celui-ci ne change pas
au cours du temps. Or, il se pourrait que les systèmes
génétiques « vieillissent », dans le sens où ils «
deviendraient moins capables de restructurations
majeures » (J.W. Valentine). Les organismes
modernes ne peuvent peut-être plus engendrer
rapidement de nouvelles gammes d'organisations
anatomiques, quelles que soient les niches
écologiques qui s'ouvrent ». Gould ajoute : «Je n'ai
pas vraiment de suggestions à faire concernant la
nature de ce vieillissement, mais je demande
simplement que l'on prenne en considération une
telle alternative… ... Les génomes de l'époque
cambrienne étaient-ils plus simples et plus
flexibles ? ».
3 - Diversification initiale et ultérieure, en tant que
loi générale des systèmes. Stu Kauffman, a mis au
point un modèle pour montrer que le développement
maximal rapide de la disparité suivi d'une
décimation, observés à Burgess, sont une loi
générale des systèmes qui n’a pas à recourir à une
hypothétique faiblesse initiale de l’intensité de la
compétition ou un « vieillissement » du matériel
génétique. Reprenons Gould dans le texte :
« Considérons la métaphore suivante. Le cadre dans
lequel se déroule l'évolution est un paysage
complexe comprenant des milliers de pics, chacun de
hauteur différente. Plus le pic est élevé, plus est
grand le succès évolutif de l'organisme qui y
figure… …Saupoudrez ce paysage d'un petit nombre
d'organismes pris au tout début de leur évolution, et
laissez-les se multiplier et changer de place: Les
changements peuvent être petits ou grands, mais
nous ne nous intéresserons pas ici aux premiers, car
ils permettent seulement aux organismes de monter
plus haut sur leurs pics particuliers et ne conduisent
pas à de nouveaux plans d'organisation. Ceux-ci
n'apparaissent qu'à l'occasion de grands bonds, plus
rares……Les grands bonds sont extrêmement risqués
ils réussissent rarement mais rapportent beaucoup.
Si vous atterrissez sur un pic plus élevé que celui sur
lequel vous' étiez, vous prospérez et vous vous
diversifiez ; si vous atterrissez sur un pic moins élevé,
ou dans une vallée, vous êtes perdu. Maintenant,
nous nous posons la question : quelle est la
fréquence des grands bonds qui réussissent (donnant
un nouveau plan d'organisation) ? Kauffman a
montré que la probabilité de succès est d'abord très
- 169 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 75a : Evolution du nombre des familles denombrées en
paléontologie,
Les 5 grandes crises du vivant, A à E, organisent les
coupures géologiques
Fig. 75b : Extinctions (familles et genres) depuis le
Permien.
élevée, puis chute rapidement et atteint bientôt le
niveau zéro tout comme l'histoire de la vie. Ce scénario
est assez conforme à nos intuitions. Les premières
espèces, peu nombreuses, sont localisées au hasard dans
le paysage. Cela signifie qu'en moyenne la moitié des
pics sont plus hauts, l'autre moitié plus bas que les
localisations initiales. Par suite, les premiers grands
bonds ont grosso modo 50% de chances de réussir
(les autres concurrents sont éliminés, note JLB). Mais
ensuite, l'espèce qui a réussi se trouve sur un pic plus
élevé donc le pourcentage de pics plus élevés qui lui
restent offerts est moindre. Après un petit nombre de
bonds réussis, très peu de pics plus hauts restent
disponibles, et la probabilité de pouvoir même se
déplacer chute brutalement. En fait, si les grands bonds
se produisent assez souvent, tous les pics les plus élevés
seront occupés dès les premières phases du jeu, et
personne n'aura plus de place où aller. Alors les
vainqueurs vont s'implanter et se doter de systèmes de
développement si étroitement liés à leur pic, qu'ils ne
pourront plus changer, même si l'occasion s'en présente
ultérieurement. Par la suite, ils ne pourront donc plus
que s'accrocher fermement à leur pic ou mourir. Le
monde est rude, et beaucoup vont connaître ce second
destin… …parce que même des extinctions au hasard
vont laisser des places vides, qui ne pourront plus être
occupées par personne. »
On sait maintenant que la vie a essuyé par la suite de
nombreuses crises, parmi lesquelles cinq crises terribles qui
ont dépeuplé la Terre. Chacun de ces coups du sort ont
entraîné la disparition de 40%, voir même 60% de la
diversité dans chacun des embranchements, mais il est
toujours resté assez d’espèces en chacun de ces rescapés du
cambrien pour que la diversité donne dans chaque intervalle
toute sa mesure. Mais la disparité de Burgess ne sera plus
24/10/13
égalée. Toujours est-il que même si la suite peut paraître
somme toute monotone, “ la vie est belle ” et c’est tant
mieux !
D’origine volcanique, météoritique, climatique ou
les trois peut-être comme il y a 65 Ma., ce sont ces crises
observées dans le vivant qui ont imposé au géologue le
découpage des temps fossilifères (Fig. 75a). Sans doute
ont-elles créé à nouveau des espaces favorables à la
diversité, pourtant aucun foisonnement similaire à celui de
la fin du Protérozoïque n'est venu les combler. Les deux
premières crises majeures se situent au sein de l’ére
Primaire (ou Protérozoïque) et séparent d’une part
l’Ordovicien du Silurien (A), et d’autre part le Dévonien
du Carbonifère(B); elles résultent de glaciations certes très
importantes, mais plus comparables aux glagiations
modernes (quaternaires) qu’à un épisode de type
snowball. Les autres coupures introduites dans le Primaire
témoignent de l’évolution des espèces et de leur diversité.
La troisième grande crise, la plus grande, se situe à la fin
du Permien (C); elle inaugure l’ère Secondaire. Elle
coïncide cette fois avec un épisode volcanique majeur, qui
met en place les trapps de Sibérie, et précède de peu la
crise de la fin du Trias (D). La crise de la limite Crétacé
Tertiaire (E) est sans doute beaucoup moins importante en
nombre d’espèces disparues que celle du Permien, mais la
médiatisation de son origine au moins partielllement
météorique et ses effets partiels sur la disparition des
dinosaures en ont fait un best seller. Certains auteurs,
Raup et Sepkoski (1986) ont attiré l'attention sur l'aspect
périodique des extinctions. Ils estiment qu’il existerait une
fréquence autour de 1 crise par 26 Ma. environ (Fig. 75b),
et qu’une telle périodicité pourrait témoigner de la
traversée de l’orbite terrestre par un groupe d’objets très
excentriques venus du nuage de Oort. Dans la glace du
forage
européen
EPICA,
deux
couches
de
micrométéorites, espacées d’environ 50 000 ans (481 et
434 Ka.), ont été observées. Leur concentration en
particules extraterrestres est 10 000 à 100 000 fois
supérieure à la concentration moyenne observée dans
l’Antarctique. S'agit-il de deux pluie de micrométéorites
issues de l'explosion de bolides extraterrestres ? Pour
d’autres chercheurs, le passage du plan de la Voie Lactée,
qui survient tous les 30 à 40 millions d'années,
constituerait pour le Système Solaire une région
dangereuse à franchir car plus denses en gaz et poussière.
Ceci provoquerait des instabilités gravitationnelles à
l'intérieur de l’ensemble du Système Solaire augmentant
le risque de collision entre la Terre et un des petits corps,
astéroïde ou comètes, qui le peuplent. La dernière
collision majeure ayant eu lieu il y a 35 Ma. environ,
sachant notre position actuelle proche du plan galactique,
nous découvrons là une belle occasion de nous procurer
quelques sueurs froides médiatiques !
4 –L’ultime évolution de
biosphère et Le sceau de l’homme
l’atmosphère-
Mais
les
phénomènes
géologiques
ou
astronomiques ne sont plus les seuls capables de générer
de telles crises. L’Homme se révèle être le plus
formidable prédateur que l’évolution des espèces ait
jamais engendré. La pression qu’il exerce sur son
environnement est si forte que beaucoup d’espèces
vivantes n’y résistent pas, au point que de nos jours, le
nombre des espèces qui disparaissent de la surface de la
- 170 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
l'océan en région intertropicale, mais ce phénomène
sera peu ou pas notable en région polaire; on ne peut
donc utiliser ce rapport qu'en établissant un bilan (à
travers les concentrations mesurées dans des
coquilles, souvent du plancton), entre des
organismes vivant sur le fond de l'océan
(benthiques) et des organismes nageurs vivant en
surface (pélagiques), et en interrogeant des
organismes vivant sous des latitudes très différentes.
Terre par unité de temps est comparable à ce qui s’est passé
durant ces épisodes de crises majeures. Ferons-nous
disparaître nous aussi 60 à 90% des espèces vivantes ? Notre
espèce résistera-t-elle aux dommages qu’elle engendre dans
son environnement?
La question doit être posée car au-delà de la pression
que sa nature lui fait exercer sur le vivant, l’Homme moderne
(celui de la révolution industrielle et de l’ère post
industrielle) est peut-être en train de modifier le climat
terrestre dans des proportions telles qu’elles puissent elles
aussi contribuer à bouleverser la biodiversité terrestre. Nous
avons tenté de montrer au paragraphe troposphère (§ B2b)
combien il est difficile d’établir une relation univoque entre
augmentation de la teneur en GES et la température moyenne
de l’atmosphère terrestre, et pour nous y aider nous avons
commencé à regarder le passé historique de notre
atmosphère. Mais ce recul de quelques siècles instrumentés
est très insuffisant pour étayer une analyse prédictive du
comportement de notre atmosphère. Aussi nous faut-il
maintenant mettre ces résultats historiques en perspective
avec les archives paléoclimatiques terrestres enregistrées par
les glaces et les sédiments.
a - Le décryptage des archives glaciaires
L’étude des gaz emprisonnés dans les bulles de la
glace des calottes polaires, tels que CO2 ou CH4 donne la
composition de l’atmosphère ancienne, car leur temps de
résidence dans l’atmosphère est court, environ 10 ans, mais
suffisant pour permettre à l’atmosphère d’être homogénéisée
à l’échelle de la planète. En outre la géochimie des
poussières minérales permet de remonter aux régions
désertiques qui les ont émises ou aux volcans qui ont
explosé, faisant des calottes glaciaires de formidables
archives. Outre les teneurs en gaz, 3 rapports d’isotopes
stables constituent des traceurs géochimiques très efficaces et
très utilisés dans le décryptage de ces archives.
Pour l'eau, le rapport 18O/16O est modifié
significativement lors de l'évaporation et de la précipitation;
l'eau du réservoir atmosphérique est ainsi déprimée en 18O
par rapport à l'eau du réservoir océanique, et l'eau de pluie
est enrichie en 18O par rapport à l'eau atmosphérique. Avec le
transport de l'air à travers les cellules convectives (Hadley,
Ferrel, et cellule polaire) et les précipitations successives
qu'il peut subir pendant son transport, cet air voit ainsi son
rapport 18O/16O décroître, et lorsqu'il précipite finalement en
neige sous les hautes latitudes, il constitue du réservoir solide
(apparenté à la géosphère) aux propriétés isotopiques très
différentes de celles de l'océan (18O/16O plus bas de quelques
%0). Durant les périodes glaciaires, le stockage d'un énorme
volume de glace provoque un enrichissement de l'eau
océanique en 18O par rapport à 16O, et inversement pendant
les périodes chaudes, il s'opère un déstockage de 16O. On
peut suivre ces évolutions dans la composition isotopique de
l'oxygène dans la composition des glaces, dont les archives
les plus anciennes, carottées à 3600m de profondeur dans la
calotte Antarctique (Vostok), remontent à 420 Ka.. On peut
remonter beaucoup plus loin en étudiant la composition
isotopique de l'oxygène des carapaces des organismes
vivants (CaCO3 par exemple). Mais cette lecture est rendue
complexe par deux phénomènes:
1 - en premier lieu, le rapport 18O/16O est thermodépendant; il existe donc une stratification du rapport
18
O/16O avec la température et donc la profondeur de
24/10/13
2 - en second lieu, les organismes vivants opèrent une
sélection de 18O, et leur rapport 18O/16O est donc
différent de celui de l'océan contemporain. Ces
mécanismes doivent être pris en compte dans le
calcul des paléo températures océaniques.
On exprime généralement ce rapport sous la forme
δ O, qui représente l’écart de ce rapport à la valeur
moyenne de l’eau de mer, son unité est le 0/00.
18
De la même manière on utilise beaucoup le rapport
du Deutérium 2H (ou D) à l’hydrogène, et là encore on
définit un δD, exprimé en 0/00.
Pour les carbonates, les compositions isotopiques
sont déterminées par le système CO2-HCO3 -CO32 en
solution. Outre la température, l’origine du CO2 entrant
dans la constitution des carbonates est le paramètre
essentiel de leur composition isotopique. Ainsi lorsqu'un
organisme vivant dans l'océan se constitue une coquille de
calcite (CaCO3) en pompant des ions de l'eau, c’est le
stock océanique de HCO3- (à composition isotopique assez
constante) qui en définit le rapport 13C/12C. Toutefois, les
réactions du métabolisme cellulaire s’accompagnent le
plus souvent d'un fractionnement isotopique du 12C au
détriment du 13C, et l'on constate ainsi que, lorsque le CO2
provient surtout de l’activité bactérienne dans les sols et
les vases, les carbonates diagénétiques 65qui en résultent
ont une teneur en 13C beaucoup plus basse. C'est en
analysant ce rapport 13C/12C que l'on a pu affirmer que
certains sédiments vieux de 3.8 Ga. portent la signature
isotopique du vivant. Inversement, les variations de
65
La diagenèse est la suite des transformations qui
transforment une vase sédimentaire née dans
l'hydrosphère en roche de la géosphère. Elle se produit là
où la minéralogie de la roche devient instable en raison du
changement soit des conditions (P,T) soit de la chimie du
sédiment. Elle transforme le sable en grés, la boue en
argile en marne ou en calcaire, etc. Elle se déroule en
plusieurs étapes dont les principales sont la compaction,
l'authigénisation et la cimentation:
La compaction résulte de l'évacuation de l'eau sous le
poids du squelette solide du sédiment. Elle peut
conduire des phénomènes de dissolution partielle de ce
squelette aux points de contact entre les grains
L'authigénisation est la production par précipitation ou
réaction de substances minérales dissoutes dans l’eau
interstitielle (quartz = SiO2, calcite = CaCO3, hématite
= Fe(OH)3nH2O ; Argile = silico-aluminate complexe
et de composition variable)
La Cimentation utilise les minéraux authigènes pour
souder entre elles les particules, d’un sable par
exemple. Es principaux ciments observés sont :
calcaire (CaCO3) ; dolomitique (CaMg(CO3)2) ;
siliceux (SiO2)
- 171 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Tableau 6 : périodes glaciaires du Quaternaire
Période
Âge
Période interglaciaire
glaciaire
ère
600 000
1 période
Günz
540 000
1ère période interglaciaire,
e
de Günz-Mindel
480 000
2 période
Mindel
430 000
2e période interglaciaire,
de Mindel-Riss
240 000
3e période
Riss
180 000
3e période interglaciaire,
de Riss-Würm
120 000
4e période
Würm
10 000
http://fr.wikipedia.org/wiki/Glaciation
13
12
C/ C sont aussi un excellent marqueur de l’évolution
diagénétique de la matière organique.
b - Les changements cycliques du climat
Lire Q - Atm - Les changements climatiques historiques Les quatre époques les plus récentes de glaciations
mondiales, bien connues des géologues alpins (tableau 6)
Jouve.htm.
Les calottes polaires de l’Antarctique et du Groenland
constituent la majeure partie de la cryosphère (90 % Vol de
l’eau douce de la planète). La transformation de la neige en
glace est rapide, mais l’évolution de cette glace en
profondeur (recristallisation progressive en cristaux de
grande taille) est lente, jusqu’à 2000 ans. Les calottes
épaisses, jusqu’au-delà de 3000 m, enfoncent le continent sur
lequel elles reposent. Matériau granulaire, la glace présente
des propriétés mécaniques de fluide visqueux anisotrope qui
provoque son fluage sous son propre poids et son écoulement
lent.
Points froids de la Terre, les calottes interagissent
avec le climat global. Elles sont susceptibles de se
développer en quelques siècles (peut-être même quelques
décennies) grâce à un effet de feed-back positif entre
précipitation neigeuse et albédo. Inversement elles peuvent
disparaître en moins de 10 000 ans (cas de la dernière
période glaciaire), en libérant de grandes quantités d’icebergs
(vêlage) qui viennent perturber la circulation océanique et le
climat.
Les carottages dans la glace (tableau 7) nous
fournissent donc des enregistrements continus de
l’environnement passé au cours des derniers cycles
climatiques, dont la représentativité géographique n’est pas
limitée à la région. Au début des années 70, les Américains
ont atteint 2138 m de profondeur avec le forage de Byrd,
mais dans une glace très déformée au-delà de 50 000 ans par
l’écoulement et donc difficilement exploitable. En
Antarctique encore, les Russes atteignaient 2082 m en 1982
avec le forage de Vostok. Dès 1983, le profil isotopique de
24/10/13
Tableau 7 :
Sites
Profondeurs
Vostok
(Antartica)
3310 m
GRIP
(Greenland)
3000 m
Taylor Dome (Antartica)
GISP2
(Greenland)
Byrd
(Antartica)
Dome C
(Antartica)
Dye3
(Greenland)
554 m
3040 m
2142 m
900 m
2035 m
Vostok étudié par Claude Lorius révéla sans ambiguïté
une histoire continue du climat sur plus de 140 000 ans,
montrant la fin de la dernière glaciation vers -15 000 ans,
son maximum vers -25 000 ans, et la glaciation précédente
vers -140 000 ans. La progression des forages nous a
permis d’étendre notre connaissance de l’évolution de
l’atmosphère à 4 cycles climatiques, en s’appuyant sur les
concentrations en CO2 et CH4 qui ont oscillé depuis 400
000 ans respectivement entre 200-280 ppmv et 350-700
ppbv (Fig. 76).
Outre le calage somme toute satisfaisant avec les
datations classiques souvent délicates à conduire, et
l’allure très similaire des courbes de variations du volume
des glaces tirées de l’étude des sédiments marins (non
figuré ici), la cyclicité de ces variations de grande
amplitude autour d’une période de 100 000 ans est
remarquable. Autre observation, le signal climatique de
Vostok contient des périodes de 20 000 et 40 000 ans
caractéristiques elles aussi des variations de l’orbite
terrestre. Ceci accrédite la théorie mise au point par
Milutin Milankovitch entre 1920 et 1941 associant les
modifications des climats aux paramètres orbitaux
terrestres. Lire MC - Atm - Climat - Paramètres Milankovic Dufour.htm Trois paramètres jouent un rôle fondamental :
1 - L’excentricité de l’orbite terrestre (Fig.77a ) passe
d’un stade circulaire à un autre en passant par un
maximum d’allongement de l’ellipse selon deux
périodes 100 000 et 413 000 ans ;
2 - L’inclinaison de l’axe de rotation terrestre par
rapport à la normale au plan de son orbite oscille
Fig 77a : Excentricité
Fig. 76 : CO2,CH4 et T°C calculées depuis 400 000 ans
- 172 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
entre 22° et 24.5° avec une période de 41 000 ans
(Fig. 77b) ;
Fig 77b : Inclinaison
24/10/13
1 - forte excentricité de notre orbite, forte inclinaison
(comme de nos jours) et faible distance Terre-Soleil
en été sont propices à des saisons très contrastées
2 - orbite quasi circulaire, faible inclinaison et une
grande distance Terre-Soleil en été sont au contraire
propices à des saisons peu contrastées.
Ces variations des paramètres orbitaux conduisent
donc à des variations de la quantité de lumière solaire
captée par la Terre, et si l'insolation globale annuelle
change peu, les modifications de l'insolation aux hautes
latitudes en été (la seule période recevant de l’énergie
solaire) apparaissent relativement importantes (Fig. 77d).
Fig. 77d : Insolation entre 60 et 70° de latitude Nord au
mois de juillet
3 - La précession des équinoxes, qui résulte du fait que
l’axe de rotation terrestre est en rotation lente autour de
la normale au plan de l’écliptique et décrit un cercle sur
la sphère céleste en 25 800 ans. Ce faisant notre
équateur céleste subit aussi un lent déplacement sur la
même période. Par définition l’équinoxe correspond au
moment où dans sa rotation autour du Soleil la Terre
fait coïncider son plan équatorial avec le plan de
l’écliptique. Partant de cette coïncidence, 1 an plus tard
la Terre retrouve sa position mais son axe de rotation
s’est légèrement déplacé, et le point d’équinoxe est déjà
dépassé. Cela se traduit par le déplacement des
équinoxes dans le plan de l’écliptique, avec une période
de 19 000 ans (Fig. 77c)
La situation 2, aux saisons peu contrastées, est
vraisemblablement favorable aux périodes glaciaires car si
les conditions sont telles que l’enneigement d’hiver ne se
résorbe pas ou mal en été, les conditions du
déclanchement d’un feed-back positif entre précipitation
neigeuse et albédo sont peut-être réunies. Inversement, la
situation 1 aux étés chauds et hivers rigoureux paraît très
défavorable à une période glaciaire (Fig. 77e).
Fig. 77e : glaciaire / interglaciaire
Fig 77c : Précession
Il est enfin très intéressant de noter sur les courbes
de la figure 76 la pente très forte des indicateurs et de la
température calculée lors de l’installation de chacun des
épisodes interglaciaires, signe d’un réchauffement
extrêmement brutal.
c - Les oscillations rapides du climat
Lire Q - Atm - Les changements climatiques historiques L'apparente stabilité du climat durant la dernière
période glaciaire a été régulièrement interrompue par des
oscillations rapides, d'une durée comprise entre la
décennie et le millénaire. On avait bien observé le coup de
froid brutal du « Younger Dryas » vers la fin de la
Jouve.htm.
La variation des paramètres orbitaux fait osciller la
Terre entre deux extrêmes :
- 173 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig. 78a : Succession des événements de Dansgaard/Oeschger.
Ces oscillations ont aussi été observées dans
les sédiments océaniques de l’Atlantique-Nord
(entre 40 et 60°N) par Heinrich en 1988, mais on y
observe aussi la présence d'autres événements froids,
se traduisant par des arrivées brutales et massives de
sables et débris grossiers transportés par des
icebergs. Appelés « événements de Heinrich », ces
épisodes froids se produisent avec une relative
périodicité de 7 000 à 8 000 ans. Les glaces du
Groenland montrent que les changements
climatiques sont amples, rapides, et largement
étendus. Les refroidissements se produisent en
plusieurs temps, alors que les réchauffements ont
lieu en une seule étape. Les réchauffements les plus
forts ont atteint 8°C. Ils se traduisent par un
doublement des précipitations neigeuses, un
effondrement de la quantité des poussières apportées
par les vents, témoignant de conditions
atmosphériques
nettement
plus
humides.
L’augmentation de la teneur en CH4 est interprétée
comme le résultat de l’accroissement de la masse
signal δ18O et signal Ca dans la glace du Groenland et des
végétale et conforte les observations précédentes. Le
événements de Heinrich dans les sédiments marins de l'Atlantiqueréchauffement qui termine vers 11500 ans l’épisode
Nord (signal IRD : «Ice Rafted Detritus», et signal de susceptibilité
le mieux documenté à ce jour, celui du Young Dryas
magnétique.
(YD sur la figure 78b) s’est probablement opéré en
http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosclim/biblio/pigb15/03_evenements.htm
moins de 20 ans. Le taux d’accumulation de la neige
dernière déglaciation, mais il demeurait une exception. On a doublé en moins de 5ans. Le méthane augmente plus
sait maintenant que cette apparente stabilité a été lentement, en quelques 30 ans et son augmentation est
régulièrement interrompue par des oscillations rapides du sensible dans les deux hémisphères, suggérant que la
climat, d'une durée comprise entre la décennie et le modification climatique est sensible sur l’ensemble de la
millénaire.
flore terrestre. La quantité de sels dans la glace Ca2+ et
Na+ montre une diminution brutale de la salinité de
Ces oscillations mémorisées dans les carottes de
l’océan lors du réchauffement, suggérant une débâcle
glace, appelées « cycles de Dansgaard-Oeschger », ont été
intense durant cette période.
mises en évidence par Dansgaard et al en 1994. Elles
débutent par un refroidissement rapide de 5 à 10°C en
Vingt-quatre de ces événements ont été dénombrés
quelques siècles, suivis d’un réchauffement encore plus dans les carottes de glace du Groenland depuis la fin du
rapide, en quelques décennies ; La fréquence de ces dernier interglaciaire. Ils ont aussi été reconnus dans les
évènements serait approximativement de un tous les 1500 carottes marines de l'Atlantique-Nord, de la Méditerranée
ans (Fig. 78a, page suivante).
occidentale et du Pacifique-Nord (Bond et al, 1993 ;
Cachot et al, 1999 ; Kiefer et al, 2001).
Fig. 78b : détail de l’évènement YD (Dryas récent) :
Quelle a été l'extension géographique des
événements Dansgaard/Oeschger durant les derniers
100000 ans ? Sur le continent, les enregistrements
climatiques de tels événements abrupts sont rares : citons
la séquence palynologique des lacs des Echets, du
Bouchet et des Maars du Velay (Massif Central) observée
par Reille et Beaulieu (1988) ou par Guiot et al (1993.
Mais, au-delà de la limite de datation du 14C, les échelles
de temps présentent des incertitudes considérables. Les
cahiers du CNRS (www.cnrs.fr/cw/dossiers) résument
l’étude des archives continentales contenues dans une
stalagmite (Vil-stm9, Fig. 79) de Dordogne entre 83 et 32
ka.. On dénomme spéléothèmes les cycles climatiques
enregistrés dans la croissance des carbonates karstiques.
Sur les 7 hiatus visibles sur la stalagmite, 3 correspondent
à des périodes où les conditions empêchaient toute
croissance ; ces arrêts sont de 2 types :
High-resolution data from the GISP2 ice core, Greenland, and
the Byrd ice core, Antarctica, covering the Younger Dryas
interval (YD) and adjacent times ;
1 - le climat était suffisamment froid et sec pour
empêcher toute infiltration et précipitation de calcite
dans la grotte entre 61,0 ka. et 67,4 ka.; c’est le cas
de la discontinuité la plus importante, elle coïncide
avec l'événement de Heinrich H6.
www.ngdc.noaa.gov/paleo/icecore/greenland/summit/index.html.
- 174 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Fig. 79 : Section polie de la stalagmite Vil-stm9 autour de
l'événement D/O20.
2 - Les hiatus sont liés à des inondations dans la grotte lors
de périodes très humides.
Les effets des événements Dansgaard/Oeschger se
font donc sentir au moins jusque sous nos latitudes
moyennes. La figure 79 montre que le δ13C a enregistré
l'événement D/O20 de façon remarquable, et sa terminaison
abrupte dans l’évènement de Heinrich qui clôt ce cycle.
Ces variations de δ13C sont principalement liées au
développement du sol et de la végétation : le carbone dissous
dans l'eau d'alimentation des stalagmites provient en majeure
partie du CO2 du sol. Or, les variations d'activité pédologique
et de la végétation vont conditionner la quantité de CO2
d'origine biologique dissoute dans l'eau d'infiltration. En
conséquence, les événements froids, qui ralentissent l'activité
végétale et bio-pédologique, sont marqués par un δ13C élevé.
¼ de l'amplitude du signal δ13C (renforcement) est produit
par la température. En effet, le fractionnement isotopique du
carbone dans la dissolution du CO2 dans l'eau et lors de la
précipitation de CaCO3 va dans le même sens.
Le décalage entre le début d'un réchauffement et le
minimum sur la courbe du δ13C, qui caractérise le maximum
d'activité végétale varie entre 500 et 2000 ans. La remise en
route du système bio-pédologique qui produit le CO2 du sol
peut donc être très rapide, comme lors de l’évènement de
Heinrich qui interrompt le cycle D/O 20 Avec le système
bio-pédologique redémarre la dissolution-précipitation des
carbonates qui amorce la chute du signal δ13C. Le temps de
réponse du sol est nettement plus rapide que celui mis en jeu
par les différents taxons végétaux qui vont ensuite
successivement recoloniser le milieu.
Les paléoclimatologues interprètent les évènements
de Heinrich comme de résultat de l’effondrement de la
calotte Nord-Américaine (Laurentide) sous l'effet de sa
propre dynamique. La glace s'accumulant pendant plusieurs
millénaires d’un épisode froid sur l'Amérique du Nord aurait
atteint progressivement une épaisseur telle que la chaleur
interne de la Terre ne serait plus parvenue à se dissiper vers
l'atmosphère. L’eau des sédiments sous-jacents aurait alors
fondu, induisant un effondrement de la calotte et le vêlage de
nombreux icebergs. Leur fonte aurait alors injecté des
quantités d'eau douce considérables dans les eaux de surface
de l'Atlantique-Nord. Cette eau de surface froide mais malgré
tout peu dense parce que douce aurait stratifié l'océan et
ralenti la formation d'eaux profondes aux hautes latitudes.
24/10/13
Fig. 80 : évolution des banquises Nord et sud de 1979 à
2012; Anomalie Antarctique vs Arctique
Ralentir la formation des eaux profondes, implique
de ralentir ou même de bloquer (?) la circulation globale
thermohaline. Si l'implication de la circulation
thermohaline est reconnue, la cause de ce basculement
entre un mode froid et stable (sans convection profonde en
Atlantique-Nord) et un mode plus chaud et instable avec
convection profonde en Atlantique-Nord reste encore à
déterminer. Traduit-elle une oscillation interne à l'océan ?
Une oscillation couplée entre océan et calottes glaciaires ?
Faut-il des forçages externes au système climatique pour
les déclencher ? Ces oscillations sont-elles présentes
même faiblement pendant les périodes interglaciaires ? Il
reste aujourd'hui beaucoup de glace en Antarctique et au
Groenland.
Encore actuellement, il est observé que
l’indubitable recul de la banquise Arctique, bien
documenté pour les dernières décennies (Fig. 22c-1 et 2),
ne s’accompagne pas d’un recul de la banquise
Antarctique qui s’est au contraire légèrement agrandie
durant la même période (Fig. 80 et 22c1). A quoi attribuer
un tel paradoxe ? Pour certains, comme P. Holland le
phénomène est décrit en 2012 comme dû à un
refroidissement du pôle Sud via le renforcement du
régime des vents (vortex polaire, voir § Chp5.B.2.c), et
pour d’autres comme O. Hefferman (2013), la cause en
est la fusion surabondance de la calotte Antarctique, qui
créée une tranche d’eau superficielle douce et froide
favorable à un surdéveloppement de la calotte.
On est donc en droit de se demander si des
événements du type Dansgaard/Oeschger pourraient
intervenir dans les décennies ou les siècles à venir en
Antarctique? Le « petit âge glaciaire », refroidissement
sur l’Atlantique nord entre le XI° et le XIV° siècle
pourrait alors ne pas représenter la dernière de ces
anomalies ? Faut-il craindre le scénario catastrophe que
nous promettent les climatologues ? Le sceau de l’homme
est mesurable dans la concentration GES. Doit-on lui
imputer une part significative de l’augmentation de la T°
au XX° siècle ?
Nous avons tenté de vous faire saisir l’extrême
complexité des phénomènes naturels, l’interdépendance
des paramètres, l’existence d’effets de seuil,
d’emballements, de boucles rétroactives… Et d’attirer
ainsi votre attention sur la difficulté de dresser le bilan
précis de la responsabilité de notre espèce. Afin de
terminer avec une vue globale de la planète, la figure 81
nous offre en un coup d’œil sur 600 Ma, un ensemble de
- 175 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig. 81 : quelques paramètres connus à l’échelle planétaire pour les derniers 600 Ma environ
courbes de coévolution de quelques paramètres dont
l’évolution qui nous préoccupe commence à nous être
familière ; de gauche à droite dans la figure de S. Manoliu et
M. Rotaru 2008 :
1 - la T° moyenne de la Terre, variant entre 15 et 25°C;
2 - la teneur en CO2 de l’atmosphère variant de jusqu’à
20 fois le niveau de teneur actuel ;
5 - lee nombre des espèces ayant vécu en même
mê
temps
sur Terre, avec 5 creux bien identifiés ;
6 - Les impacts majeurs de bolides, pour lesquels il ne
faut pas oublier que le plancher océanique qui
représente 70% de la surface terrestre est
perpétuellement renouvelé et ne peut donc
conserver la mémoire d’un passé plus vieux que
200 Ma. environ.
3 - le niveau de l’océan, variant de -200m
200m à +200m, voir
beaucoup plus ;
A suivre donc…
4 - les
es épisodes de production massive de charbon ;
- 176 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Sites WEB consultés
http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/ozone/additional/science-focus/about-ozone/ozone_atmosphere.shtml
http://www.noaanews.noaa.gov/stories2006/s2709.htm
http://www.trunity.net/weatherandclimate/articles/view/171440/
http://gsa.confex.com/gsa/2001ESP/finalprogram/session_186.htm
http://nte-serveur.univ-lyon1.fr/geosciences/geodyn_ext/Cours/CoursTT1Atmosphere.htm
http://www.icimod.org
http://ingrid.ldgo.columbia.edu/SOURCES/.Indices/ensomonitor.html
http://data.giss.nasa.gov/gistemp/graphs_v3
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Post-Glacial_Sea_Level.png.
http://pluto.spae.swri.edu/IMAGE/
http://en.wikipedia.org/wiki/Burgess_Shale
http://science1.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2008/30apr_4dionosphere/
http://comprendre.meteofrance.com/jsp/site/Portal.jsp?&page_id=2830&document_id=1716&portlet_id=1764
http://www.physicstoday.org/daily_edition/down_to_earth/burgess_shale-type_fossil_preservation
http://theory.uwinnipeg.ca/physics/index.html
http://universe-review.ca/
http://ww.biota.org/conf97/explore.html
http://www.elnino.noaa.gov/
http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/analysis_monitoring/lanina/enso_evolution-status-fcsts-web.pdf = ENSO Cycle: Recent Evolution, Current Status
and Predictions
http://www.esrl.noaa.gov/psd/enso/
http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/iadv/,
http://cr0.izmiran.rssi.ru/mosc/main.htm
http://www.agu.org/pubs/crossref/2007/2006GL028492.shtml
http://www.cdc.noaa.gov/ENSO
http://www.cdc.noaa.gov/ENSO/enso.references.html
http://www.sciences-de-la-terre.com/annuaire/PDF/controles%20pal-o-cologiques%20de%20la%20radiation%20cambrienne.pdf = master géosciences
paléontologie l'explosion précambrienne cambrienne
http://www.cosmovisions.com/Terre.htm
http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/analysis_monitoring/ensocycle/enso_cycle.shtml
http://www.educnet.education.fr/obter/appliped/circula/theme/accueil.htm
http://www.ems.psu.edu/~fraser/BadScience.html
http://www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/Infosciences/Climats/Rayonnement/Bilan-radiatif/bilan-energie.htm
http://www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/Infosciences/Histoire/Paleoclimats/Animations/milankovitch.html
http://www.eo.mtu.edu/weather/
http://www.es.flinders.edu.au/~mattom/IntroOc/lecture05.html
http://www.geol-alp.com/alpes_francaises/alpes_glaciation.html
http://earthobservatory.nasa.gov/Features/Paleoclimatology_CloseUp/paleoclimatology_closeup_2.php
http://www.futura-sciences.com/magazines/terre/infos/actu/d/paleontologie-vie-terrestre-aurait-connu-deux-explosions-biodiversite-avant-cambrien-14135/
http://www.notre-planete.info/actualites/actu_1740_explosion_biodiversite_marine_changement_climatique.php
http://www.gis.nasa.gov/
http://www.grida.no/climate/ipcc_tar/wg1/048.htm
http://www.lifestudies.org/fr/apparition.PDF = L’apparition de la vie sur Terre
http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/pubs/flueckiger2002/flueckiger2002.html
http://www.gao.spb.ru/english/astrometr/index1_eng.html
http://www.nirgal.net/atmosphere.html
http://www.nodc.noaa.gov/dsdt/oisst/
https://etd.ohiolink.edu/ap:10:0::NO:10:P10_ACCESSION_NUM:osu1316123113
http://www.op.noaa.gov/
http://www.pmel.noaa.gov/toga-tao/el-nino-story.html
http://www.scotese.com/sitemap.htm
http://www.uea.ac.uk/~e930/e174/l5_geos.html#coriolis
http://www2.bc.edu/~strother/GE_146/lectures/pics21/bif.html
http://www.atmos.washington.edu/2009Q1/111/ATMS111%20Presentations/Folder%203/BauerC_DjayR.pdf = Snowball Earth theory
http://www.imedea.uib-csic.es/master/cambioglobal/Modulo_3_03/HoffmanSchragSnowballEarth.pdf = The Snowball Earth
http://dujs.dartmouth.edu/spring-2010/oceans-of-ice-the-snowball-earth-theory-of-global-glaciation#.UewOCW1yS5Y
http://wwwmeteo.org/phenomen/ouragan.htm
http://dimes.ucsd.edu/
http://www.insu.cnrs.fr/a2913,tectonique-plaques-change-t-elle-climat-global.html
http://www.jeanlouisetienne.fr/poleairship/images/encyclo/imprimer/18.htm http://www.greenfacts.org/climate-change/giec/giec.htm
http://www.insu.cnrs.fr/a2913,tectonique-plaques-change-t-elle-climat-global.html
http://scienceblogs.com/worldsfair/2007/11/26/what-do-you-think-of-stephen-j/
http://www.swpc.noaa.gov/SolarCycle/index.html
http://co2thetruth.e-monsite.com/rubrique,montee-des-mers,404968.html
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Post-Glacial_Sea_Level.png
http://www.argo.ucsd.edu/index.html
http://omer7.pole-ether.fr/fiches/COMPLEMENTS/C6_Observatoires_sol_MP_corRD.pdf = Les réseaux d’observation de la composition de l’Atmosphère
depuis le sol
http://soon.ipsl.jussieu.fr/fr/RAMCES/Parametres.htm
http://arctic.atmos.uiuc.edu/cryosphere/
http://www2.cnrs.fr/presse/communique/1546.htm
http://igloo.atmos.uiuc.edu/cgi-bin/test/print.sh?fm=07&fd=30&fy=2007&sm=07&sd=30&sy=2008
http://www.ijis.iarc.uaf.edu/en/home/seaice_extent.htm
http://ocean.dmi.dk/arctic/icecover.uk.php
http://arctic.atmos.uiuc.edu/cryosphere/IMAGES/seaice.anomaly.arctic.png
http://nsidc.org/data/seaice_index/images//daily_images/S_timeseries.png
http://nsidc.org/data/seaice_index/images/daily_images/N_stddev_timeseries.png
http://indymedia.org.au/2010/01/08/climate-tipping-point-global-atmospheric-methane-on-the-rise
http://nsidc.org/data/seaice_index/images/daily_images/N_timeseries.png
http://www.ijis.iarc.uaf.edu/en/home/seaice_extent.htm
http://www.woodfortrees.org/plot/hadcrut3vgl/from:1900/offset:-0.15/mean:24/plot/gistemp/from:1900/offset:0.24/mean:24/plot/uah/from:1900/mean:24/plot/rss/from:1900/mean:24
http://cr0.izmiran.rssi.ru/mosc/main.htm
http://lasp.colorado.edu/sorce/data/tsi_data.htm
http://geology.uprm.edu/Morelock/patterns.htm
http://nsidc.org/data/nsidc-0081.html
http://maps.grida.no/go/graphic/sea_level_rise_due_to_the_melting_of_mountain_and_subpolar_glaciers
http://ossfoundation.us/projects/environment/global-warming/summary-docs/oss-reports/slr-research-summary-2008
http://www.cnrs.fr/Cnrspresse/n400/pdf/n400rd06.pdf
http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/about/global_means.html
http://www.sahra.arizona.edu/programs/isotopes/oxygen.html
http://www.nhc.noaa.gov/sshws.shtml
http://coaps.fsu.edu/~maue/tropical/historical.php
http://www.risques.gouv.fr/risques/risquesnaturels/Cyclone/http://reviewipcc.interacademycouncil.net/ReportNewsReleaseFrench.html http://www.newx-forecasts.com/nao.html
http://www.locean-ipsl.upmc.fr/~cdblod/mld.html
http://www.nwfsc.noaa.gov/research/divisions/fed/oeip/ca-pdo.cfm
http://www.esr.org/pdo_index.html
http://www.ifremer.fr/lpo/cours/nao/nao3.html
http://nsidc.org/arcticmet/patterns/arctic_oscillation.html
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Amo_timeseries_1856-present.svg
ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/paleo/icecore/greenland/summit/gisp2/isotopes/gisp2_temp_accum_alley2000.txt
http://www.ec.gc.ca/pdb/ghg/inventory_report/2003_report/c1_f.cfm
http://www.riaed.net/spip.php?article448
http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends
http://www.ladocumentationfrancaise.fr
http://www.notre-planete.info/
http://www.esrl.noaa.gov/psd/enso/mei/
http://www.epa.gov/climatechange/science/
http://www.friendsofscience.org/
http://www.c3headlines.com/
http://www.appinsys.com/globalwarming/GW_4CE_SeaLevel.htm
http://lasp.colorado.edu/sorce/data/tsi_data.htm
http://www.un.org/fr/climatechange/causes.shtml
http://www.insu.cnrs.fr/environnement/climat-changement-climatique/presentation-du-giec-le-groupe-intergouvernemental-d-expe
- 177 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
http://www.developpement-durable.gouv.fr/Le-quatrieme-rapport-du-Giec.html
http://www.ecolopop.info/2011/05/dernier-rapport-du-giec-confirmation-du-potentiel-des-energies-renouvelables/13403
http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=6049753&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fiel5%2F6034618%2F6048881%2F060497
53.pdf%3Farnumber%3D6049753 06049753[1].pdf = Land surface albedo and downwelling shortwave radiation from MSG
geostationary satellite: Method for retrieval, validation, and application
http://meetingorganizer.copernicus.org/EGU2013/EGU2013-7955.pdf = Springtime atmospheric transport controls Arctic summer sea-ice extent
http://www.arcticobservingsummit.org/pdf/white_papers/arctic_drifting_observatory.pdf = Understanding Coupled Climate and Weather Processes over the
Arctic Ocean: The Need and Plans for Multi-Discip linary Coordinated Observations on a Drifting Observatory
http://people.duke.edu/~ns2002/pdf/10.1007_s00382-013-1771-3.pdf = Multi-scale dynamical analysis (MSDA) of sea level records versus PDO, AMO,
and NAO indexes
http://www.whoi.edu/science/po/pickart/pickart_pubs_pdf/moore_etal_2013_jclim.pdf = Multidecadal Mobility of the North Atlantic Oscillation
Science 2006 Oct 314(5797) 285-8,
Fig. 3.
.ppt
http://agbjarn.blog.is/users/fa/agbjarn/files/tibet-2485_years.pdf = Amplitudes, rates, periodicities and causes of temperature variations in the past 2485
years and future trends over the central-eastern Tibetan Plateau
http://curry.eas.gatech.edu/Courses/6140/ency/Chapter10/Ency_Oceans/Sea_Level_Change.pdf = SEA LEVEL CHANGE
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921818106000877
http://www.ipcc.ch/
https://www.ipcc-wg1.unibe.ch/
http://www.ipcc-syr.nl/
http://www.ipcc.ch/home_languages_main_french.shtml#.UevZGW29YyY
http://www.scirp.org/Journal/PaperInformation.aspx?paperID=3217 = On the recovery from the Little Ice Age
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2011GL047711/abstract = Recent historically low global tropical cyclone activity
http://www-cluster.bom.gov.au/ntc/IDO60102/IDO60102.2009_1.pdf = THE SOUTH PACIFIC SE A LEVEL & CLIMATE MONITORING PROJECT
SEA LEVEL DATA SUMMARY REPORT JULY 2008 - JUNE 2009
http://www.gloss-sealevel.org/publications/documents/pacificcountryreport_mi.pdf = Pacific Country Report Sea Level & Climate: Their Present State
Marshall Islands June 2002
http://www.metoffice.gov.uk/hadobs/hadcrut3/HadCRUT3_accepted.pdf = Uncertainty estimates in regional and global observed temperature changes: a
new dataset from 1850
http://people.su.se/~hgrud/documents/Grudd%202008.pdf = Tornetra sk tree-ring width and density AD 500–2004: a test of climatic sensitivity and a new
1500-year reconstruction of north Fennoscandian summers
http://naturescapebroward.com/NaturalResources/ClimateChange/Documents/GRL_Church_White_2006_024826.pdf = A 20th century acceleration in
global sea-level rise
http://www.ltid.inpe.br/dsr/douglas/SER_322/Coastal%20evol%20SAR%2005.pdf = Monitoring coastal evolution and associated littoral hazards of French
Guiana shoreline with radar images
http://www.academie-sciences.fr/activite/rapport/rapport261010.pdf = LE CHANGEMENT CLIMATIQUE
http://www.scipub.org/fulltext/ajas/ajas661169-1174.pdf = Sea Level Threat in Tuvalu
http://lp.ezdownloadpro.info/ra/jra/?q=64718004co2+Barrett+Ee05+Pdf.pdf = Greenhouse molecules, their spectra and function in the atmosphere
http://pagesperso.univ-brest.fr/~suanez/Pg_publications/PUB_pdf/2012Shore&Beach.pdf = Long-term morphodynamic evolution of the Sillon de Talbert
gravel barrier spit, Brittany, France
http://icebubbles.ucsd.edu/Publications/Kobashi_2011_GRL.pdf = High variability of Greenland surface temperature over the past 4000 years estimated
from trapped air in an ice core
http://mrigby.scripts.mit.edu/blog/publications/2008GL036037.pdf = Renewed growth of atmospheric methane
http://dcm2.enr.state.nc.us/slr/Jevrejeva_et_al_2008.pdf = Recent global sea level acceleration started over 200 years ago?
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1040618207003254 Climate change over the past 2000 years in Western China
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X09000065 The tectonic history of Drake Passage and its possible impacts on global climate
http://wwwens.uqac.ca/chimie/Cinetique_chimique/CHAP_6.html
http://www.friendsofscience.org/assets/documents/FOS%20Essay/Climate_Change_Science.html
http://www.notre-planete.info/actualites/actu_1830_niveau_oceans_monte_raisons.php
http://www.atmos.washington.edu/~mantua/REPORTS/PDO/PDO_egec.htm
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0277379110000946 A global perspective on Last Glacial Maximum to Holocene climate change
https://ir.library.oregonstate.edu/xmlui/bitstream/handle/1957/27523/BrookEdwardCEOASRecordAtmosphericCO2During.pdf = A record of atmospheric
CO2 during the last 40,000 years from the Siple Dome, Antarctica ice core
http://refmar.shom.fr/fr/c/document_library/get_file?uuid=52466905-d149-485d-92ad-2fd3968bd05a&groupId=10227 = HISTORIQUE DES RISQUES
DE SUBMERSIONS MARINES POUR LES LITTORAUX Français
http://refmar.shom.fr/fr/c/document_library/get_file?uuid=10c4efc5-a158-4d8f-b44b-e86ff241b788&groupId=10227 = Xynthia une tempête, des questions
http://www.esrl.noaa.gov/psd/people/gilbert.p.compo/CompoSardeshmukh2007a.pdf = Oceanic Influences on Recent Continental Warming
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S027737910500082X = Timing of millennial-scale climate change at Siple Dome, West Antarctica, during
the last glacial period
http://icecap.us/images/uploads/Soon09-June4-PGEO_30n02_144-184-Soon.pdf = SOLAR ARCTIC-MEDIATED CLIMATE VARIATION ON
MULTIDECADAL TO CENTENNIAL TIMESCALES: EMPIRICAL EVIDENCE, MECHANISTIC EXPLANATION, AND
TESTABLE CONSEQUENCES
http://lienss.univ-larochelle.fr/IMG/pdf/VS_J3_1_Emmanuel_Garnier.pdf = La mesure du risque de submersion et de raz-de-marée sur les littoraux français
et européens XVIe-XXe s
http://securite-commune-info.info/documents/crues/Xynthia_RappParlemHistoire040710.pdf = La crise Xynthia à l’aune de l’histoire La crise Xynthia à
l’aune de l’histoire
http://archeosciences.revues.org/315 Évolution du littoral et du paysage, de la presqu’île de Rhuys à la rivière d’Étel (Massif armoricain – France), du
Néolithique au Moyen Âge
http://core.kmi.open.ac.uk/display/484235 Le renouveau des vignobles britanniques
http://www.college-de-france.fr/media/pierre-louis-lions/UPL37046_Laure_Saint_Raymond.pdf, Gyres océeaniques et ondes de Rossby piéegées, Laure
Saint-Raymond, Christophe Cheverry & Isabelle Gallagher and Thierry Paul. College de France, 12 fevrier 2010
- 178 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Quelques idées fortes
24/10/13
Quelques idées fortes :
Composition / Stucture de L’atmosphère Terrestre actuelle
Composition chimique : N2 = 78 %pds
O2 = 21 %pds
Ar = 0.9 %pds
CO2 = 0.035 %pds
Structure thermique et chimique :
T° moy au sol = +13°C ; gradient vertical = –6° Km-1,
18 km à l’équateur, 10 km au pôle ; tropopause = gradient de T° s’inverse
La Terre reçoit le flux solaire (Corps noir à 5770K: émission dans l’UV le visible et le proche IR)
La Terre émet dans l’IR seulement (corps noir à 256K);
Les gaz triatomiques de l’atmosphère absorbent les IR ;
Donc l’énergie solaire transmise au sol en λ courtes est rendue à l’atmosphère en λ longues et non au cosmos
La différence s’appelle Effet de serre ; sans atmosphère T°équilibre = -18°C ; avec, T°équilibre =+13°C
Statosphère :
T° croissante jusqu'à +20 °C maximum
jusqu’à 50 km environ ; stratopause = gradient de T° s’inverse
La concentration en ozone est maximum entre 20 et 30 Km. (elle est quasi nulle dans la troposphère) ;
L’épaisseur de la couche d’ozone pur que l’on pourrait former avec ce gaz est de 2.5 mm
Production de l’ozone = photo-dissociation de O2 sous l’effet des UV courts.
Destruction de l’ozone :
1) recombiné à l’oxygène atomique O3 +O ⇒ O2 + O2
2) dissocié par des UV plus longs (λ<310nm)
3) cycle catalytique de destruction de l’ozone, X +O3 ⇒ XO +O2 ; XO +O ⇒ X +O2
X = H (monoatomique), NO, les composés halogènés, les CFC
Mésosphère :
T° décroît rapidement avec l’altitude. Vers 80 km, elle atteint -140°C
mésopause = gradient de T° s’inverse
Photodissociation de plus en plus rare avec l’altitude, de O2, de H2O et de CH4
Thermosphère :
T° des molécules et atomes (on ne parle plus de gaz) croît très fortement, 2000°C au zénith
s’étend jusqu’à 500 km ;
Absorption des UV très courts ; Photo-dissociation des molécules diatomiques, N2, O2, H2, et d’atomes O, H ;
Siège des aurores polaires.
Troposphère :
La Stratification électromagnétique de l'atmosphère
Neutrosphère :
70 premiers Km ; atmosphère non conductrice
Ionosphère :
jusqu’à 1000 Km
Augmentation non linéaire de la “ concentration ” en électrons- : D (80 Km), E (100Km), F1 (180 Km), F2
(350 Km)
Magnétosphère :
plasma à faible densité composé d’électrons et d’ions,
Electrons piégés par les lignes de champ oscillent à haute altitude en rebondissant sur chacun des pôles
Aurore polaire, flot d’électrons et rebond à basse altitude, désexcitation de N et de O après choc avec les
électrons
Circulation de l'atmosphère
cellule de Hadley : entre basses pressions de l’ITCZ et hautes pressions des tropiques ;
Coriolis faible (proche équateur), déviation est ou ouest faible, alizés de NE et de SE
Cellule de Ferrel : entre les tropiques et le front polaire
Coriolis fort, vents géostrophiques, cyclonique (tourne à Drte, converge et monte) autour des basses pressions,
Anticyclonique (tourne à gauche, diverge et descend) autour des hautes pressions.
Cellule polaire : entre front polaire et pôle ; Coriolis très fort ;
La Circulation océanique
Courants de surface liés au vent :
Ekman : déplacement d’un courant provoqué par le vent perpendiculaire à la direction du vent (Coriolis) ;
Courant géostrophique =
déplacement d’eau perpendiculaire au gradient de pression (à droite).
déplacement de la couche superficielle, remplacée par de l’eau profonde = upwelling
upwelling côtier en façade ouest des continents
upwelling équatorial induit par la ITCZ
Courants profonds liés aux différences de densité :
Causes des différences de ρ dans l’océan : T° et salinité ; on parle de circulation thermohaline.
Basses latitudes : ∆T° (surf – prof)>0 fort = thermocline marquée ; ∆ρ fort ; pas de convection
Tropiques : ∆T° (surf – prof)>0 fort = thermocline marquée ; salinité maxi (évaporation sans pluie)
Hautes latitudes : ∆T° (surf – prof)≤0 ;pas de thermocline; ∆ρ≤0; convection (plongement Nord-Atlantique)
ENSO : ensemble de fluctuations cohérentes de la T° (air et eau), de la Patm, des vents et courants ;
El Niño épisode chaud de ENSO ; La Niña, épisode froid de ENSO
L’histoire de l'atmosphère
Atmosphère primaire, héritée de l’accrétion, n’existe plus qu’autour des planètes géantes gazeuses
Atmosphère secondaire résulte du dégazage de leur manteau, elle existe encore autour de Vénus
Atmosphère tertiaire résulte de
la précipitation de l’eau atmosphérique en océan ; CaCO peu soluble stocke
- 179 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Epilogue
Quelle décision prendre aujourd’hui pour ne pas oblitérer l’avenir? Vous n’avez bien sûr pas trouvé la réponse dans
les 179 pages dont vous achevez la lecture. Elles n’ont d’ailleurs pas une telle prétention ! Il a juste été tenté de ne pas trahir
dans l’écriture de ce poly combien le savoir d’aujourd’hui s’inscrit dans la pensée d’hier, comment il ne peut être
indépendant de la société qui le formule, et ce faisant d’illustrer en quoi la Science est pour l’Homme le mode raisonné
indispensable à se représenter son monde, celui de son époque, avec les outils de son temps, prêt à toutes les remises en
question rendues nécessaires par les faits.
En nous proposant « Sa vérité sur la planète » Claude Allègre (2007) clame que le consensus, maître mot de
l’actualité, n’a aucun sens dans le domaine de la science. La remarque est pertinente. Toute « vérité scientifique » doit
continuer à être opposable à sa falsification par les faits. Comme le soulignait Karl Popper, selon les mots du
http://www.philosciences.com « L'observation d'un certain nombre de faits corroborant la théorie ne la confirme pas
absolument et universellement. C'est un procédé de type inductif et il se peut toujours qu'à un moment donné un fait vienne
contredire une théorie. Mais surtout, c'est la porte ouverte à la complaisance, car on trouve toujours un certain nombre de
faits pour corroborer une théorie, même si elle est fantaisiste. La vérification n'est pas suffisante ». Or le raisonnement
inductif est la démarche usitée en sciences de la Terre, de la vie, et de l’environnement. Nous ne devons pas ignorer la
falsification par les faits. Et il est vrai que parfois la communauté scientifique a pu jeter le discrédit sur les plus novateurs de
ses contemporains… Parmi ceux que nous avons rencontrés dans ce poly, citons Alfred Wegener pour le XX°, Giordano
Bruno plus avant ou Anaxagore de Clazomènes dans un passé plus lointain… En ce début de 2013, il apparaît à J. Cook et
al.dans une étude portant sur presque 12000 abstracts de revues à comité de lecture ayant comme objet « global climate
change » ou « global warming », qu’un consensus très fort se dégage la littérature scientifique en faveur d’une origine
anthropique du réchauffement climatique (Anthropique Global Warming, AGW). Selon ces auteurs, 97.1% des papiers
prenant partie « pour » ou « contre » cette origine anthropique du réchauffement lui sont ouvertement favorables et
seulement 0.7% la rejettent. Il est important de noter que, contrairement aux media qui commentent cette étude, Cook et al
apportent des détails d’importance à ces chiffres. Ils indiquent que si l’on prend la totalité des 12000 abstracts recensés sur le
changement climatique au lieu des seuls prenant ouvertement partie, on obtient les chiffres suivants : 32.6% des papiers sont
favorables à une origine anthropique, 66.4% ne prennent pas position et 0.7% la rejette66, alors que 0.3% se disent
incertains. Cook et al ont ensuite demandé aux auteurs dont les abstracts ne prennent pas position de néanmoins se ranger
eux même dans les différentes classes. Il en résulte alors une baisse de 66.4 à 35.5% d’abstracts placés dans la classe « ne
prennent pas position » et au sein du nouvel ensemble de ceux qui prennent position, les proportions des pour et des contre
restant les mêmes, 97% de pour. Voilà encore, je le crains, un « usage dégradé de la raison » où la science en viendrait
presque à se faire à l’encan des opinions statistiques. Il reste que les arguments dits de « sceptiques » mais aussi ceux des
« non classés », lorsqu’ils sont publiés dans des revues à comité de lecture, gardent une valeur intrinsèque tant que les faits
ne leurs ont pas été opposés, tout autant que ceux des chercheurs favorables à une origine anthropique du changement
climatique. Il m’a donc paru absolument nécessaire d’utiliser l’ensemble des sources « peer reviewed » dans l’écriture du
poly.
D’une façon plus générale, il est toujours bon de s’attarder un peu sur l’avis des guetteurs à contre-courant, ils ne
peuvent que nous inviter à la réflexion. Il en est ainsi de l’ouvrage « Un appel à la raison » de Nigel Lawson (2008), non
scientifique mais ancien secrétaire d'État à l'Énergie en Grande-Bretagne, qui vise à démontrer que la pensée dominante ne
repose pas toujours sur des bases solides, que le remède proposé, la réduction des émissions de GES, est une solution
inapplicable, et que l’adaptation au changement serait probablement plus féconde. Est-il raisonnable de penser que les états
riches d’énergies fossiles, le charbon en particulier, vont se priver de cette ressource ? La réponse sera certainement « oui »
mais pas avant que d’autres énergies, renouvelables par exemple, soient technologiquement disponibles et économiquement
acceptables! Exemple d’une réussite, le remplacement des CFC ; la disponibilité de produits de substitution est arrivée à
point nommé…
Il n’est, pour se convaincre du rôle de l’époque dans les avancées de la science, que de revenir un instant sur l’une des
plus importantes du XIX° siècle, l’évolution des espèces. On la doit à C. Darwin, bien sûr, mais combien la publication de
cette découverte doit-elle à la missive qu’il reçut d’Alfred Russel Wallace ? Vingt-cinq ans après son tour du monde, C.
Darwin n’avait toujours pas publié ses idées sur les implications de la variabilité des pinsons des îles Galápagos. Peut-être,
lui qui un temps s’était destiné à être pasteur avant d’embarquer sur le Beagle, répugnait-il encore à publier le texte qui
bousculerait si profondément les principes de son époque ? Wallace avait certainement lu le voyage du Beagle, mais avait
aussi conduit de nombreuses observations en Amérique du Sud et à Bornéo. En 1855, il souhaite publier « De la loi qui a
contrôlé l’introduction de nouvelles espèces ». Il envoie son manuscrit, pour avis, à C. Darwin qui était déjà reconnu par ses
pairs, et lui demande de le transmettre pour publication à Charles Lyell, membre de la Royal Society, influent et déjà célèbre
géologue continuiste. A la lecture de l’article, Lyell comprend que Wallace va doubler Darwin. Les idées de Wallace sont
très claires, théorisant ses observations de sorte que « cette loi ne se contente pas d’expliquer tous les faits actuellement
inexplicables, mais elle les rend nécessaire », quand celles de Darwin étaient encore trop touffues… La publication sera faite
en 1858 en quelques dizaines de pages, en même temps que celle, en quelques centaines de pages, de la théorie de Darwin,
66
De là à voir clamer par les « anti » AGW que 67.4% des scientifiques ne sont pas pour une cause anthropique du
réchauffement, il n’y a qu’un pas que certains franchirons sans-doute.
- 180 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
quelque peu bousculé par son ami Lyell afin qu’il ne perdit pas l’antériorité de ses idées67… L’histoire retiendra « De
l’origine des espèces » de C. Darwin ! Les idées de compétition, de lutte pour l’existence, sont présentes chez les deux
auteurs, rien d’étonnant à cela car elles sont aussi dans l’air du temps. Thomas Robert Malthus a publié 50 ans plus tôt
« Essai sur les principes de population », qui formule que l’augmentation de la population suit une progression géométrique
(doublement à chaque pas de temps), alors que la croissance des ressources est arithmétique, conduisant nécessairement à
une succession de catastrophes alimentaires. Le Darwinisme social est donc, avant la lettre, consubstantiel des idées de
l’époque. Compétition et échec du faible feront florès. Il faudra attendre la théorie synthétique de l’évolution basée sur
l’hérédité de Mendel et la génétique des populations, puis la théorie des équilibres ponctués de Gould et Eldredge (1972) et
enfin le principe de la reine rouge de Leigh Van Valen (1973) pour que l’on abandonne l’idée de compétition des espèces et
que l’on comprenne le rôle de la coévolution des espèces, rendue nécessaire par l’environnement en perpétuel changement.
Et maintenant, la porte s’ouvre à l’altruisme intra-spécifique, comme moteur du succès des espèces, et à l’adaptabilité, par la
transmission des caractères acquis. Lamarck (fin-XVIII°), trop tôt jeté aux orties, refait surface avec la compréhension des
mécanismes cellulaires dans l’influence de l’environnement sur l’expression des gènes (épigénétique).
Le XX° siècle aura eu cela de particulier qu’il est l’instant où, pour la première fois, nous aurons pris la responsabilité
d’être la première espèce vivante capable d’infléchir en conscience les équilibres qui ont présidé jusqu’alors aux destinées de
l’ensemble des espèces. Notre impact est réel, déterminant peut-être, crucial sans-doute pour le reste du vivant tel que nous
l’observons. De ce point de vue, nous entrons incontestablement dans une autre époque. Mais en ce début de III° millénaire
technocratique et hyperspécialisé, nos sociétés sont fragiles et font peur. Elles nous rendent donc irrationnels. Il est sans
doute tentant de faire de la science et des techniques un Credo (« la science peut tout », « la science prouve que » …), de
faire des sciences de l’environnement, des sciences de la Terre et de la Vie qui nous préoccupent ici, le shaman moderne
capable de restaurer l’harmonie perdue ? Combien d’experts au chevet des politiques pour rédiger les « feuilles de route » à
suivre ? Les conflits d’intérêt sont alors inéluctables, la raison n’est plus le seul argument dont le chercheur doit tenir
compte, sources de désillusions pour les publics concernés. Aussi est-il tentant de se réfugier dans n’importe quel livre de la
connaissance, puisque tout y sera contenu « en vérité », inspiré par la transcendance, prêt à répondre à nos attentes !
Mais il n’est pas de refuge passé, pas de paradis perdu auxquels revenir. L’effort doit être porté sur l’analyse des
changements qui s’imposent, quand bien même nous en serions la cause. Nous aurons à réussir ce pari, et pour ce faire nous
aurons certainement à modifier sensiblement nos modes de pensée, à passer de ce que nous pensions être le savoir, à
l’intégration de savoirs multiples dans une pensée toujours plus complexe, à inscrire nos activités dans une démarche
globalisée, mondialisation et finitude obligent... Il nous faut comprendre et rechercher quelles adaptations conduiront
l’Homme vers la meilleure réintégration dans l’interface étroit qui nous abrite, à peine quelques kilomètres d’épaisseur
vivable entre géosphère et cosmos.
Si nous n’y parvenons pas, la limite Tertiaire-Quaternaire qui a été introduite en géologie par pur anthropocentrisme
— alors que nous avons vu qu’il aurait été peut-être plus intelligent d’instituer une coupure majeure avec le début de l’ère glaciaire vers
32Ma — deviendra-telle finalement une vraie coupure pour les espèces à venir, en raison de l’état dans lequel la nôtre aura
laissé la Terre ? Mais seront-elles préoccupées de paléontologie ? La biodiversité est une richesse absolument fondamentale
que le comportement de l’espèce humaine entame chaque jour au plus profond, tant par son comportement de prédateur sans
limite que par ses pratiques (agraires, déplacement d’espèces…) qui inventent des faces à faces improbables entre espèces et
inaugure de nouvelles compétitions. Nous créons ainsi une sorte de Pangée68, artificielle certes, mais au nombre de niches
drastiquement diminué, dont les incidences sur l’ensemble du vivant sont encore plus inquiétantes que les scénarios
d’épouvante des climatologues!
Les organismes les moins différenciés, les moins fragiles, se reproduisant vite, ils passeront ce cap difficile. Mais
l’espèce humaine sera-t-elle gagnante à cette loterie comme le fut Pikaia en son temps ? Rappelons-nous que l’altruisme
intra-spécifique est un facteur clef du succès des espèces. Ne nous indique-t-il pas que, de l’aide entre individus à
l’apprentissage des plus jeunes, puis à la transmission de la culture, il n’y a que des degrés que l’homme a franchis mieux
que d’autres, servons nous en pour négocier le futur.
J.L.B.
67
Pour plus de détails, lire J.C. Ameisen 2008, Dans la lumière et les ombres.
68
La Pangée (du grec pan, tout ; Gaïa, identifiée à la Terre-mère) est le nom donné au supercontinent que la dérive des
continents à constitué à la fin de l’ère Primaire, en rassemblant l’ensemble des terres émergées. Le morcellement qui suivit
est responsable d’une intense spéciation du vivant. Le caractère endémique des espèces insulaires fut bien mis en évidence
par C. Darwin, et inversement, la pandémie des espèces sur plusieurs continents fut un des arguments clefs de A. Wegener
dans l’établissement de sa théorie de la dérive des continents (cf. poly La dérive des continents).
- 181 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Ouvrages consultés et données exploitées
Mesures CO2 Mona Loa (Annexe 1)
USE OF NOAA ESRL DATA
# These data are made freely available to the public and the scientific community in the belief that their wide
dissemination will lead to greater understanding and new scientific insights. The availability of these data does not constitute
publication of the data. NOAA relies on the ethics and integrity of the user to assure that ESRL receives fair credit for their
work. If the data are obtained for potential use in a publication or presentation, ESRL should be informed at the outset of the
nature of this work. If the ESRL data are essential to the work, or if an important result or conclusion depends on the ESRL
data, co-authorship may be appropriate. This should be discussed at an early stage in the work. Manuscripts using the ESRL
data should be sent to ESRL for review before they are submitted for publication so we can insure that the quality and
limitations of the data are accurately represented.
# Contact: Pieter Tans (303 497 6678; [email protected])
# File Creation: Wed Sep 5 10:55:32 2012
# See www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/ for additional details.
# Data from March 1958 through April 1974 have been obtained by C. David Keeling of the Scripps Institution of
Oceanography (SIO) and were obtained from the Scripps website (scrippsco2.ucsd.edu).
# The estimated uncertainty in the annual mean is the standard deviation of the differences of annual mean values
determined independently by NOAA/ESRL and the Scripps Institution of Oceanography.
# NOTE: In general, the data presented for the last year are subject to change, depending on recalibration of the
reference gas mixtures used, and other quality control procedures. Occasionally, earlier years may also be changed for the
same reasons. Usually these changes are minor.
#ftp://ftp.cmdl.noaa.gov/ccg/co2/trends/co2_annmean_mlo.txt
# CO2 expressed as a mole fraction in dry air, micromol/mol, abbreviated as ppm
# year
1959
1963
1967
1971
1975
1979
1983
1987
1991
1995
1999
2003
2007
2011
mean
315.97
318.99
322.16
326.32
331.08
336.78
343.03
349.16
355.57
360.80
368.33
375.77
383.76
391.57
unc
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
year
1960
1964
1968
1972
1976
1980
1984
1988
1992
1996
2000
2004
2008
mean
316.91
319.62
323.04
327.45
332.05
338.68
344.58
351.56
356.38
362.59
369.52
377.49
385.59
unc
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
year
1961
1965
1969
1973
1977
1981
1985
1989
1993
1997
2001
2005
2009
mean
317.64
320.04
324.62
329.68
333.78
340.10
346.04
353.07
357.07
363.71
371.13
379.80
387.38
unc
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
year
1962
1966
1970
1974
1978
1982
1986
1990
1994
1998
2002
2006
2010
mean
318.45
321.38
325.68
330.18
335.41
341.44
347.39
354.35
358.82
366.65
373.22
381.90
389.78
unc
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
Moyennes mensuelles des anomalies de la température globale (écart à la moyenne 1900-2001, Annexe 2)
1880
1880
1881
1881
1882
1882
1883
1883
1884
1884
1885
1885
1886
1886
1887
1887
1888
1888
1889
1889
1890
1890
1891
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
-0.0747
-0.1863
-0.0715
-0.0652
0.0115
-0.2168
-0.2813
-0.0857
-0.1973
-0.2944
-0.4379
-0.2418
-0.1496
-0.1218
-0.4155
-0.2287
-0.4607
-0.1360
-0.1109
-0.1550
-0.3218
-0.2640
-0.3571
1880
1880
1881
1881
1882
1882
1883
1883
1884
1884
1885
1885
1886
1886
1887
1887
1888
1888
1889
1889
1890
1890
1891
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
-0.2096
-0.1118
-0.0885
-0.0572
-0.0586
-0.1292
-0.3101
-0.1071
-0.1993
-0.2666
-0.3258
-0.2237
-0.3510
-0.1443
-0.3880
-0.3064
-0.4151
-0.1776
0.0054
-0.1368
-0.3861
-0.3224
-0.5547
1880
1880
1881
1881
1882
1882
1883
1883
1884
1884
1885
1885
1886
1886
1887
1887
1888
1888
1889
1889
1890
1890
1891
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
-0.2161
-0.1186
-0.0205
-0.2047
0.0304
-0.0624
-0.1402
-0.1768
-0.2441
-0.2669
-0.1725
-0.1468
-0.2616
-0.1466
-0.1986
-0.2348
-0.2863
-0.1072
0.1224
-0.1959
-0.3135
-0.3103
-0.2667
1880 4 -0.1194
1880 10 -0.1946
1881 4 0.0185
1881 10 -0.2748
1882 4 -0.1688
1882 10 -0.1979
1883 4 -0.2214
1883 10 -0.2108
1884 4 -0.2466
1884 10 -0.2210
1885 4 -0.2597
1885 10 -0.1001
1886 4 -0.1383
1886 10 -0.2191
1887 4 -0.1859
1887 10 -0.3197
1888 4 -0.1604
1888 10 -0.0416
1889 4 0.0726
1889 10 -0.2097
1890 4 -0.2751
1890 10 -0.2752
1891 4 -0.2556
- 182 -
1880 5 -0.1686
1880 11 -0.2406
1881 5 0.0097
1881 11 -0.3055
1882 5 -0.1278
1882 11 -0.1246
1883 5 -0.1783
1883 11 -0.2467
1884 5 -0.1588
1884 11 -0.3138
1885 5 -0.2530
1885 11 -0.0581
1886 5 -0.1287
1886 11 -0.2543
1887 5 -0.1977
1887 11 -0.1971
1888 5 -0.2082
1888 11 -0.0612
1889 5 -0.0201
1889 11 -0.2999
1890 5 -0.3837
1890 11 -0.3688
1891 5 -0.1810
1880 6 -0.2063
1880 12 -0.0868
1881 6 -0.1340
1881 12 -0.1034
1882 6 -0.2274
1882 12 -0.2137
1883 6 -0.0275
1883 12 -0.1188
1884 6 -0.2128
1884 12 -0.2127
1885 6 -0.3345
1885 12 0.0580
1886 6 -0.2090
1886 12 -0.1226
1887 6 -0.2354
1887 12 -0.2315
1888 6 -0.1113
1888 12 0.0253
1889 6 -0.0710
1889 12 -0.1921
1890 6 -0.2818
1890 12 -0.2393
1891 6 -0.2732
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
1891
1892
1892
1893
1893
1894
1894
1895
1895
1896
1896
1897
1897
1898
1898
1899
1899
1900
1900
1901
1901
1902
1902
1903
1903
1904
1904
1905
1905
1906
1906
1907
1907
1908
1908
1909
1909
1910
1910
1911
1911
1912
1912
1913
1913
1914
1914
1915
1915
1916
1916
1917
1917
1918
1918
1919
1919
1920
1920
1921
1921
1922
1922
1923
1923
1924
1924
1925
1925
1926
1926
1927
1927
1928
1928
1929
1929
1930
1930
1931
1931
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
-0.2491
-0.3061
-0.3833
-0.7334
-0.2121
-0.4422
-0.2858
-0.4661
-0.2495
-0.1409
-0.0873
-0.1837
-0.0779
-0.0642
-0.2672
-0.1148
-0.2025
-0.2621
-0.1419
-0.1844
-0.1684
-0.0882
-0.3220
-0.2169
-0.3710
-0.5764
-0.4355
-0.3090
-0.2235
-0.1698
-0.2832
-0.3630
-0.3730
-0.3718
-0.4056
-0.5443
-0.4152
-0.3311
-0.3622
-0.5328
-0.4577
-0.3017
-0.3820
-0.4092
-0.3820
0.0461
-0.2844
-0.1848
-0.0812
-0.1948
-0.2767
-0.4232
-0.2013
-0.2341
-0.2342
-0.2990
-0.2784
-0.1583
-0.2064
-0.0922
-0.1213
-0.3352
-0.2901
-0.2268
-0.3143
-0.2382
-0.2178
-0.3199
-0.2196
0.1328
-0.1699
-0.1408
-0.1009
-0.0377
-0.1373
-0.4019
-0.2727
-0.2711
-0.0490
0.0052
0.0135
1891
1892
1892
1893
1893
1894
1894
1895
1895
1896
1896
1897
1897
1898
1898
1899
1899
1900
1900
1901
1901
1902
1902
1903
1903
1904
1904
1905
1905
1906
1906
1907
1907
1908
1908
1909
1909
1910
1910
1911
1911
1912
1912
1913
1913
1914
1914
1915
1915
1916
1916
1917
1917
1918
1918
1919
1919
1920
1920
1921
1921
1922
1922
1923
1923
1924
1924
1925
1925
1926
1926
1927
1927
1928
1928
1929
1929
1930
1930
1931
1931
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
-0.2528
-0.1661
-0.3135
-0.6555
-0.3165
-0.2399
-0.2640
-0.4551
-0.2406
-0.0876
-0.0620
-0.1243
-0.1453
-0.2883
-0.2572
-0.2986
-0.1218
-0.1286
-0.1103
-0.0812
-0.1893
-0.0533
-0.3031
-0.0395
-0.4226
-0.4686
-0.4190
-0.6345
-0.2408
-0.2392
-0.2683
-0.4141
-0.2956
-0.3976
-0.4506
-0.4654
-0.3092
-0.4000
-0.3740
-0.5501
-0.4417
-0.1547
-0.5058
-0.4261
-0.3618
-0.1701
-0.2456
-0.0609
-0.0913
-0.2318
-0.3190
-0.4713
-0.2058
-0.2894
-0.1997
-0.1236
-0.2430
-0.2448
-0.2266
-0.1810
-0.2083
-0.2989
-0.2878
-0.3740
-0.2964
-0.1704
-0.2621
-0.2881
-0.1522
0.0649
-0.0888
-0.1749
-0.1158
-0.1066
-0.1620
-0.4827
-0.1651
-0.1492
-0.0503
-0.2071
0.0168
1891
1892
1892
1893
1893
1894
1894
1895
1895
1896
1896
1897
1897
1898
1898
1899
1899
1900
1900
1901
1901
1902
1902
1903
1903
1904
1904
1905
1905
1906
1906
1907
1907
1908
1908
1909
1909
1910
1910
1911
1911
1912
1912
1913
1913
1914
1914
1915
1915
1916
1916
1917
1917
1918
1918
1919
1919
1920
1920
1921
1921
1922
1922
1923
1923
1924
1924
1925
1925
1926
1926
1927
1927
1928
1928
1929
1929
1930
1930
1931
1931
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
-0.1579
-0.2727
-0.1848
-0.2604
-0.2709
-0.2565
-0.2587
-0.2924
-0.1261
-0.2151
-0.0631
-0.2278
-0.0341
-0.6498
-0.2404
-0.2868
-0.0582
-0.0554
-0.1239
-0.0330
-0.2654
-0.1990
-0.2449
-0.2569
-0.3915
-0.5184
-0.4384
-0.4126
-0.2318
-0.1742
-0.3204
-0.3211
-0.3213
-0.5957
-0.3632
-0.5191
-0.3452
-0.4478
-0.3756
-0.5974
-0.3919
-0.3865
-0.5443
-0.4291
-0.3903
-0.1986
-0.2086
-0.1554
-0.1479
-0.3191
-0.2971
-0.4550
-0.1385
-0.2054
-0.2012
-0.2780
-0.2074
-0.0805
-0.2490
-0.2232
-0.1763
-0.1247
-0.2757
-0.2714
-0.2743
-0.0956
-0.2481
-0.1698
-0.1118
0.0838
-0.0808
-0.2152
-0.0145
-0.2190
-0.1331
-0.2226
-0.1563
0.0199
-0.0586
0.0332
0.0295
1891 10 -0.2883
1892 4 -0.3396
1892 10 -0.2382
1893 4 -0.3659
1893 10 -0.2398
1894 4 -0.3760
1894 10 -0.2640
1895 4 -0.1947
1895 10 -0.1351
1896 4 -0.2891
1896 10 -0.0023
1897 4 -0.0423
1897 10 -0.1548
1898 4 -0.3625
1898 10 -0.3524
1899 4 -0.1833
1899 10 -0.0786
1900 4 -0.1328
1900 10 -0.0399
1901 4 -0.0727
1901 10 -0.3234
1902 4 -0.2899
1902 10 -0.3223
1903 4 -0.3598
1903 10 -0.4885
1904 4 -0.4679
1904 10 -0.3746
1905 4 -0.4122
1905 10 -0.2942
1906 4 -0.0937
1906 10 -0.3179
1907 4 -0.3943
1907 10 -0.3036
1908 4 -0.4716
1908 10 -0.4944
1909 4 -0.5426
1909 10 -0.4078
1910 4 -0.3919
1910 10 -0.4635
1911 4 -0.5103
1911 10 -0.3464
1912 4 -0.2775
1912 10 -0.5691
1913 4 -0.3724
1913 10 -0.3516
1914 4 -0.2954
1914 10 -0.1361
1915 4 -0.0773
1915 10 -0.2105
1916 4 -0.2294
1916 10 -0.2895
1917 4 -0.3493
1917 10 -0.3307
1918 4 -0.3116
1918 10 -0.1345
1919 4 -0.1097
1919 10 -0.2584
1920 4 -0.2091
1920 10 -0.2744
1921 4 -0.1814
1921 10 -0.1135
1922 4 -0.1666
1922 10 -0.2714
1923 4 -0.3465
1923 10 -0.1841
1924 4 -0.2335
1924 10 -0.2540
1925 4 -0.1273
1925 10 -0.1556
1926 4 -0.1151
1926 10 -0.0600
1927 4 -0.1862
1927 10 0.0492
1928 4 -0.1987
1928 10 -0.0872
1929 4 -0.2369
1929 10 -0.0673
1930 4 -0.1598
1930 10 0.0226
1931 4 -0.1078
1931 10 0.0569
- 183 -
24/10/13
1891 11 -0.4063
1892 5 -0.3126
1892 11 -0.4497
1893 5 -0.3893
1893 11 -0.1886
1894 5 -0.3657
1894 11 -0.3680
1895 5 -0.2514
1895 11 -0.1647
1896 5 -0.1012
1896 11 -0.1832
1897 5 -0.0920
1897 11 -0.2641
1898 5 -0.3004
1898 11 -0.2933
1899 5 -0.1830
1899 11 0.1015
1900 5 -0.0983
1900 11 -0.1756
1901 5 -0.1583
1901 11 -0.2033
1902 5 -0.2739
1902 11 -0.3671
1903 5 -0.3856
1903 11 -0.4460
1904 5 -0.4396
1904 11 -0.1908
1905 5 -0.2617
1905 11 -0.1002
1906 5 -0.2162
1906 11 -0.4376
1907 5 -0.4998
1907 11 -0.5261
1908 5 -0.3674
1908 11 -0.4745
1909 5 -0.4643
1909 11 -0.2959
1910 5 -0.3997
1910 11 -0.5014
1911 5 -0.4688
1911 11 -0.2671
1912 5 -0.2969
1912 11 -0.4605
1913 5 -0.4264
1913 11 -0.1832
1914 5 -0.2188
1914 11 -0.1629
1915 5 -0.1352
1915 11 -0.0405
1916 5 -0.2636
1916 11 -0.3603
1917 5 -0.4833
1917 11 -0.1689
1918 5 -0.2809
1918 11 -0.1440
1919 5 -0.2569
1919 11 -0.3873
1920 5 -0.1859
1920 11 -0.3129
1921 5 -0.1349
1921 11 -0.2496
1922 5 -0.2722
1922 11 -0.2256
1923 5 -0.2604
1923 11 -0.0147
1924 5 -0.2114
1924 11 -0.2170
1925 5 -0.2262
1925 11 0.0137
1926 5 -0.1263
1926 11 -0.0677
1927 5 -0.1673
1927 11 -0.0273
1928 5 -0.1358
1928 11 -0.0077
1929 5 -0.2352
1929 11 -0.0420
1930 5 -0.1676
1930 11 0.1722
1931 5 -0.1066
1931 11 -0.0672
1891 12 -0.1014
1892 6 -0.3201
1892 12 -0.5038
1893 6 -0.3045
1893 12 -0.2802
1894 6 -0.3440
1894 12 -0.2682
1895 6 -0.3131
1895 12 -0.1179
1896 6 -0.1161
1896 12 0.0431
1897 6 -0.1654
1897 12 -0.2887
1898 6 -0.2028
1898 12 -0.0552
1899 6 -0.2677
1899 12 -0.2285
1900 6 -0.0957
1900 12 -0.0142
1901 6 -0.1510
1901 12 -0.2657
1902 6 -0.3298
1902 12 -0.3664
1903 6 -0.4139
1903 12 -0.4296
1904 6 -0.4257
1904 12 -0.2175
1905 6 -0.2544
1905 12 -0.1446
1906 6 -0.1910
1906 12 -0.1840
1907 6 -0.3961
1907 12 -0.4048
1908 6 -0.4061
1908 12 -0.3780
1909 6 -0.4540
1909 12 -0.4781
1910 6 -0.4181
1910 12 -0.5550
1911 6 -0.4635
1911 12 -0.2376
1912 6 -0.3076
1912 12 -0.4206
1913 6 -0.4021
1913 12 -0.0934
1914 6 -0.2633
1914 12 -0.1593
1915 6 -0.1184
1915 12 -0.0473
1916 6 -0.3890
1916 12 -0.5669
1917 6 -0.3682
1917 12 -0.5398
1918 6 -0.2182
1918 12 -0.3936
1919 6 -0.2873
1919 12 -0.3372
1920 6 -0.2292
1920 12 -0.4367
1921 6 -0.1536
1921 12 -0.1393
1922 6 -0.3049
1922 12 -0.2025
1923 6 -0.2200
1923 12 -0.0180
1924 6 -0.2197
1924 12 -0.3680
1925 6 -0.2449
1925 12 0.1077
1926 6 -0.1346
1926 12 -0.1748
1927 6 -0.1651
1927 12 -0.2720
1928 6 -0.2221
1928 12 -0.1038
1929 6 -0.2602
1929 12 -0.4475
1930 6 -0.0643
1930 12 0.0425
1931 6 -0.0248
1931 12 -0.0395
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
1932
1932
1933
1933
1934
1934
1935
1935
1936
1936
1937
1937
1938
1938
1939
1939
1940
1940
1941
1941
1942
1942
1943
1943
1944
1944
1945
1945
1946
1946
1947
1947
1948
1948
1949
1949
1950
1950
1951
1951
1952
1952
1953
1953
1954
1954
1955
1955
1956
1956
1957
1957
1958
1958
1959
1959
1960
1960
1961
1961
1962
1962
1963
1963
1964
1964
1965
1965
1966
1966
1967
1967
1968
1968
1969
1969
1970
1970
1971
1971
1972
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
0.2090
-0.0769
-0.2515
-0.1370
-0.2411
-0.0159
-0.2036
-0.0566
-0.1856
0.0488
-0.0976
0.0623
0.0740
0.0791
-0.0210
0.0700
-0.0746
0.1616
0.1250
0.1762
0.2938
0.0458
-0.0859
0.1654
0.3378
0.2686
0.0312
0.0789
0.2197
-0.0633
-0.1940
-0.0210
0.0997
-0.0574
0.1412
-0.0956
-0.2917
-0.1281
-0.2709
0.1229
0.1550
0.0946
0.1237
0.0704
-0.2018
-0.1106
0.1215
-0.0823
-0.1684
-0.1200
-0.0865
0.0828
0.3156
0.0687
0.1517
0.0828
0.0122
0.0257
0.1210
0.0793
0.1532
0.1366
0.0829
0.1841
0.0643
-0.0766
-0.0332
-0.0624
-0.0159
0.0776
-0.0641
0.0125
-0.1449
0.0267
-0.1131
0.1166
0.1354
0.0265
0.0358
-0.0220
-0.2144
1932
1932
1933
1933
1934
1934
1935
1935
1936
1936
1937
1937
1938
1938
1939
1939
1940
1940
1941
1941
1942
1942
1943
1943
1944
1944
1945
1945
1946
1946
1947
1947
1948
1948
1949
1949
1950
1950
1951
1951
1952
1952
1953
1953
1954
1954
1955
1955
1956
1956
1957
1957
1958
1958
1959
1959
1960
1960
1961
1961
1962
1962
1963
1963
1964
1964
1965
1965
1966
1966
1967
1967
1968
1968
1969
1969
1970
1970
1971
1971
1972
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
-0.1194
-0.1268
-0.2801
-0.1394
0.0385
-0.0031
0.2354
-0.0550
-0.2480
0.0050
0.1165
0.1486
0.0499
0.0928
0.0129
0.1124
0.0906
0.0669
0.2108
0.1268
0.0788
0.0196
0.0913
0.0847
0.2141
0.2172
-0.1098
0.3057
0.1032
-0.0827
-0.1023
-0.0509
-0.0904
-0.0536
-0.1380
-0.0318
-0.2502
-0.1472
-0.3872
0.1189
0.0960
0.0652
0.1947
0.0969
-0.0835
-0.0825
-0.0975
0.0065
-0.2351
-0.1769
-0.0966
0.1545
0.2400
0.0556
0.0799
0.0698
0.1909
0.0475
0.1887
0.0831
0.2011
0.1016
0.3075
0.1946
-0.0816
-0.1393
-0.1626
-0.0399
-0.0104
0.0433
-0.1234
0.0121
-0.0772
0.0216
-0.0848
0.1114
0.2670
0.0119
-0.1662
-0.0280
-0.1438
1932
1932
1933
1933
1934
1934
1935
1935
1936
1936
1937
1937
1938
1938
1939
1939
1940
1940
1941
1941
1942
1942
1943
1943
1944
1944
1945
1945
1946
1946
1947
1947
1948
1948
1949
1949
1950
1950
1951
1951
1952
1952
1953
1953
1954
1954
1955
1955
1956
1956
1957
1957
1958
1958
1959
1959
1960
1960
1961
1961
1962
1962
1963
1963
1964
1964
1965
1965
1966
1966
1967
1967
1968
1968
1969
1969
1970
1970
1971
1971
1972
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
-0.1227
-0.0019
-0.1945
-0.1660
-0.2267
-0.1094
-0.1042
-0.0275
-0.1529
0.0133
-0.1074
0.1988
0.1559
0.1559
-0.1006
0.0570
0.1303
0.1515
0.0904
0.0406
0.1533
0.0571
0.0035
0.1313
0.2787
0.3131
0.0255
0.1980
-0.0347
-0.0364
-0.0034
-0.0904
-0.1821
-0.0992
-0.0779
-0.0988
-0.0739
-0.0901
-0.1624
0.1464
-0.0368
0.0844
0.1798
0.0821
-0.0996
-0.0291
-0.2811
-0.0555
-0.1543
-0.2183
-0.0622
0.1011
0.1345
0.0099
0.1928
0.1065
-0.2006
0.0818
0.1743
0.0347
0.1484
0.1052
0.0091
0.1991
-0.1101
-0.1859
-0.0671
-0.0421
0.0386
0.0531
0.0481
-0.0173
0.2103
0.0228
0.1366
0.1028
0.0548
0.0311
-0.0975
0.0056
0.0231
1932 4 0.0273
1932 10 0.0158
1933 4 -0.1758
1933 10 -0.1309
1934 4 -0.1936
1934 10 -0.0206
1935 4 -0.1957
1935 10 0.0499
1936 4 -0.1313
1936 10 0.0319
1937 4 -0.0469
1937 10 0.1838
1938 4 0.1555
1938 10 0.1922
1939 4 -0.0364
1939 10 0.0339
1940 4 0.1984
1940 10 0.1161
1941 4 0.2305
1941 10 0.2784
1942 4 0.1649
1942 10 0.1074
1943 4 0.1188
1943 10 0.2669
1944 4 0.1740
1944 10 0.2498
1945 4 0.1948
1945 10 0.1816
1946 4 0.0647
1946 10 -0.0627
1947 4 0.0173
1947 10 0.0807
1948 4 -0.0518
1948 10 -0.0653
1949 4 -0.0163
1949 10 -0.0571
1950 4 -0.1533
1950 10 -0.1502
1951 4 -0.0783
1951 10 0.1259
1952 4 0.0874
1952 10 -0.0163
1953 4 0.2102
1953 10 0.0926
1954 4 -0.1520
1954 10 -0.0438
1955 4 -0.2165
1955 10 -0.0994
1956 4 -0.2464
1956 10 -0.1742
1957 4 -0.0011
1957 10 0.0348
1958 4 0.1124
1958 10 0.0464
1959 4 0.1263
1959 10 -0.0033
1960 4 -0.0786
1960 10 0.0525
1961 4 0.1468
1961 10 -0.0011
1962 4 0.1154
1962 10 0.1360
1963 4 0.0127
1963 10 0.2747
1964 4 -0.1630
1964 10 -0.2308
1965 4 -0.1617
1965 10 0.0371
1966 4 -0.0618
1966 10 -0.0181
1967 4 0.0500
1967 10 0.1690
1968 4 -0.0275
1968 10 0.0763
1969 4 0.1925
1969 10 0.1144
1970 4 0.1519
1970 10 -0.0116
1971 4 -0.0860
1971 10 -0.0152
1972 4 0.0521
- 184 -
24/10/13
1932 5 -0.1052
1932 11 -0.1134
1933 5 -0.1743
1933 11 -0.1858
1934 5 -0.0049
1934 11 0.0795
1935 5 -0.1522
1935 11 -0.2230
1936 5 -0.0533
1936 11 0.0233
1937 5 0.0544
1937 11 0.0882
1938 5 0.0697
1938 11 0.1300
1939 5 0.0634
1939 11 0.1282
1940 5 0.1011
1940 11 0.0929
1941 5 0.2068
1941 11 0.1636
1942 5 0.1598
1942 11 0.1258
1943 5 0.1004
1943 11 0.2148
1944 5 0.2463
1944 11 0.1104
1945 5 0.0937
1945 11 0.1401
1946 5 -0.1131
1946 11 -0.0365
1947 5 -0.0347
1947 11 0.0166
1948 5 0.0610
1948 11 -0.0765
1949 5 -0.0317
1949 11 -0.0587
1950 5 -0.0442
1950 11 -0.3401
1951 5 0.0802
1951 11 0.0250
1952 5 0.0657
1952 11 -0.1757
1953 5 0.1541
1953 11 -0.0294
1954 5 -0.1802
1954 11 0.0558
1955 5 -0.1304
1955 11 -0.2127
1956 5 -0.1971
1956 11 -0.1300
1957 5 0.1203
1957 11 0.1497
1958 5 0.1065
1958 11 0.1191
1959 5 0.0484
1959 11 -0.0606
1960 5 -0.0897
1960 11 -0.0357
1961 5 0.1807
1961 11 0.0478
1962 5 0.0897
1962 11 0.1351
1963 5 0.0513
1963 11 0.2442
1964 5 -0.0654
1964 11 -0.1574
1965 5 -0.0408
1965 11 -0.0646
1966 5 -0.0216
1966 11 -0.0084
1967 5 0.1608
1967 11 0.0010
1968 5 -0.0575
1968 11 0.0378
1969 5 0.1670
1969 11 0.2414
1970 5 0.0786
1970 11 0.0491
1971 5 -0.0401
1971 11 0.0843
1972 5 0.0615
1932 6 -0.1069
1932 12 -0.1320
1933 6 -0.1707
1933 12 -0.3415
1934 6 0.0420
1934 12 0.0438
1935 6 -0.1134
1935 12 -0.1324
1936 6 -0.0470
1936 12 0.0391
1937 6 0.0957
1937 12 -0.0045
1938 6 0.0137
1938 12 -0.1211
1939 6 0.0753
1939 12 0.4695
1940 6 0.1360
1940 12 0.2294
1941 6 0.1609
1941 12 0.1668
1942 6 0.1586
1942 12 0.1050
1943 6 -0.0190
1943 12 0.3056
1944 6 0.2662
1944 12 -0.0040
1945 6 0.0797
1945 12 -0.1005
1946 6 -0.1423
1946 12 -0.2965
1947 6 -0.0057
1947 12 -0.0994
1948 6 -0.0242
1948 12 -0.1021
1949 6 -0.1494
1949 12 -0.2062
1950 6 -0.0652
1950 12 -0.1644
1951 6 0.0583
1951 12 0.1980
1952 6 0.0614
1952 12 0.0026
1953 6 0.1328
1953 12 0.0829
1954 6 -0.0859
1954 12 -0.1669
1955 6 -0.0830
1955 12 -0.2486
1956 6 -0.1326
1956 12 -0.1393
1957 6 0.1656
1957 12 0.2521
1958 6 0.0503
1958 12 0.1639
1959 6 0.0990
1959 12 0.0091
1960 6 0.0803
1960 12 0.2265
1961 6 0.1720
1961 12 -0.0022
1962 6 0.0797
1962 12 0.1404
1963 6 0.0788
1963 12 0.1192
1964 6 -0.0567
1964 12 -0.2227
1965 6 -0.0208
1965 12 0.0164
1966 6 0.0722
1966 12 -0.0892
1967 6 -0.0009
1967 12 0.0028
1968 6 0.0210
1968 12 -0.0070
1969 6 0.0951
1969 12 0.2813
1970 6 0.0704
1970 12 -0.0543
1971 6 -0.0892
1971 12 0.0308
1972 6 0.1204
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
1972
1973
1973
1974
1974
1975
1975
1976
1976
1977
1977
1978
1978
1979
1979
1980
1980
1981
1981
1982
1982
1983
1983
1984
1984
1985
1985
1986
1986
1987
1987
1988
1988
1989
1989
1990
1990
1991
1991
1992
1992
1993
1993
1994
1994
1995
1995
1996
1996
1997
1997
1998
1998
1999
1999
2000
2000
2001
2001
2002
2002
2003
2003
2004
2004
2005
2005
2006
2006
2007
2007
2008
2008
2009
2009
2010
2010
2011
2011
2012
2012
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
0.0991
0.2781
0.1424
-0.1896
0.0341
0.1298
0.0309
-0.0204
-0.0764
0.0183
0.1693
0.1436
0.0569
0.1190
0.1315
0.2552
0.1835
0.4299
0.1944
0.0973
0.1323
0.4766
0.2554
0.2363
0.1058
0.1600
0.0463
0.2739
0.1489
0.2645
0.3804
0.5072
0.3129
0.1752
0.2809
0.3127
0.3133
0.4218
0.4136
0.4422
0.1181
0.3612
0.2192
0.2499
0.2961
0.5370
0.4247
0.2474
0.3224
0.3628
0.4980
0.5969
0.7246
0.5157
0.4248
0.3267
0.4011
0.4592
0.5720
0.7049
0.6298
0.6975
0.5560
0.5980
0.4779
0.6084
0.6494
0.4442
0.5944
0.8493
0.4988
0.2450
0.5318
0.5443
0.5935
0.6444
0.6740
0.4133
0.5859
0.3796
0.6335
1972
1973
1973
1974
1974
1975
1975
1976
1976
1977
1977
1978
1978
1979
1979
1980
1980
1981
1981
1982
1982
1983
1983
1984
1984
1985
1985
1986
1986
1987
1987
1988
1988
1989
1989
1990
1990
1991
1991
1992
1992
1993
1993
1994
1994
1995
1995
1996
1996
1997
1997
1998
1998
1999
1999
2000
2000
2001
2001
2002
2002
2003
2003
2004
2004
2005
2005
2006
2006
2007
2007
2008
2008
2009
2009
2010
2010
2011
2011
2012
2012
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
0.1178
0.3990
0.1042
-0.2202
0.0240
0.0424
-0.0495
-0.1265
-0.0748
0.1950
0.1180
0.1160
-0.0018
0.0536
0.1771
0.2992
0.1696
0.3313
0.2197
0.1298
0.1191
0.4398
0.2905
0.1273
0.1536
-0.0012
0.1010
0.2334
0.1430
0.4515
0.3422
0.3379
0.2929
0.2777
0.2768
0.3631
0.3210
0.4341
0.3500
0.4238
0.1161
0.3838
0.1962
0.0501
0.2938
0.6792
0.4823
0.4414
0.3145
0.4272
0.5265
0.8497
0.6912
0.6919
0.3833
0.5344
0.4695
0.4026
0.6086
0.7904
0.5412
0.5688
0.6332
0.7146
0.4900
0.4970
0.6181
0.5939
0.5980
0.6381
0.5185
0.3467
0.5046
0.5197
0.6416
0.6745
0.5960
0.4376
0.5617
0.3645
0.6024
1972
1973
1973
1974
1974
1975
1975
1976
1976
1977
1977
1978
1978
1979
1979
1980
1980
1981
1981
1982
1982
1983
1983
1984
1984
1985
1985
1986
1986
1987
1987
1988
1988
1989
1989
1990
1990
1991
1991
1992
1992
1993
1993
1994
1994
1995
1995
1996
1996
1997
1997
1998
1998
1999
1999
2000
2000
2001
2001
2002
2002
2003
2003
2004
2004
2005
2005
2006
2006
2007
2007
2008
2008
2009
2009
2010
2010
2011
2011
2012
2012
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
3
9
0.0391
0.3546
0.0875
-0.0296
-0.0172
0.1260
0.0209
-0.2406
-0.0247
0.2794
0.1533
0.1989
0.0696
0.2066
0.2058
0.2051
0.1797
0.3757
0.1591
0.0461
0.1850
0.3873
0.2921
0.2344
0.1015
0.1619
0.0689
0.2596
0.1420
0.2047
0.3889
0.4400
0.2932
0.2957
0.2773
0.6984
0.2867
0.3473
0.3346
0.4050
0.0396
0.3948
0.1425
0.3463
0.3087
0.4432
0.3700
0.2986
0.2670
0.4779
0.6097
0.6411
0.5287
0.3671
0.4006
0.5265
0.4491
0.6397
0.4988
0.7822
0.5705
0.5610
0.6369
0.6937
0.5263
0.6762
0.6759
0.5736
0.6095
0.6479
0.5641
0.7348
0.4823
0.5408
0.6557
0.7857
0.5163
0.5384
0.5485
0.4632
0.6733
1972 10 0.1175
1973 4 0.2737
1973 10 0.0794
1974 4 -0.0283
1974 10 -0.0588
1975 4 0.0855
1975 10 -0.1163
1976 4 -0.0171
1976 10 -0.1816
1977 4 0.2539
1977 10 0.0881
1978 4 0.1059
1978 10 0.0565
1979 4 0.0701
1979 10 0.2424
1980 4 0.2814
1980 10 0.1481
1981 4 0.3197
1981 10 0.1286
1982 4 0.1677
1982 10 0.1389
1983 4 0.2667
1983 10 0.1855
1984 4 0.1234
1984 10 0.0951
1985 4 0.1137
1985 10 0.1013
1986 4 0.2297
1986 10 0.1672
1987 4 0.2657
1987 10 0.2846
1988 4 0.4064
1988 10 0.2792
1989 4 0.2496
1989 10 0.2790
1990 4 0.4622
1990 10 0.3844
1991 4 0.4822
1991 10 0.2958
1992 4 0.2692
1992 10 0.0791
1993 4 0.2765
1993 10 0.2136
1994 4 0.3527
1994 10 0.4243
1995 4 0.4020
1995 10 0.4235
1996 4 0.2589
1996 10 0.2376
1997 4 0.4459
1997 10 0.6379
1998 4 0.7370
1998 10 0.4839
1999 4 0.4754
1999 10 0.3875
2000 4 0.6388
2000 10 0.3058
2001 4 0.5752
2001 10 0.4873
2002 4 0.5707
2002 10 0.4910
2003 4 0.5522
2003 10 0.7346
2004 4 0.5893
2004 10 0.6071
2005 4 0.7166
2005 10 0.6873
2006 4 0.4869
2006 10 0.6638
2007 4 0.7107
2007 10 0.5352
2008 4 0.4421
2008 10 0.6360
2009 4 0.6205
2009 10 0.5920
2010 4 0.7716
2010 10 0.5794
2011 4 0.6082
2011 10 0.5871
2012 4 0.6727
2012 10 0.6423
- 185 -
24/10/13
1972 11 0.1061
1973 5 0.2256
1973 11 0.0458
1974 5 -0.0097
1974 11 -0.0507
1975 5 0.0786
1975 11 -0.1307
1976 5 -0.1005
1976 11 -0.0513
1977 5 0.2281
1977 11 0.2442
1978 5 0.0446
1978 11 0.2011
1979 5 0.1207
1979 11 0.2484
1980 5 0.2815
1980 11 0.2886
1981 5 0.2344
1981 11 0.1776
1982 5 0.1556
1982 11 0.1189
1983 5 0.2751
1983 11 0.4073
1984 5 0.2689
1984 11 0.0243
1985 5 0.1673
1985 11 0.0886
1986 5 0.2295
1986 11 0.1132
1987 5 0.3046
1987 11 0.2891
1988 5 0.3450
1988 11 0.1960
1989 5 0.2415
1989 11 0.2085
1990 5 0.3950
1990 11 0.4385
1991 5 0.3764
1991 11 0.2968
1992 5 0.3019
1992 11 0.0602
1993 5 0.3142
1993 11 0.0792
1994 5 0.3621
1994 11 0.4455
1995 5 0.3469
1995 11 0.4458
1996 5 0.3865
1996 11 0.2941
1997 5 0.4219
1997 11 0.5589
1998 5 0.6577
1998 11 0.4050
1999 5 0.4028
1999 11 0.3751
2000 5 0.4853
2000 11 0.2444
2001 5 0.6056
2001 11 0.6796
2002 5 0.5685
2002 11 0.6062
2003 5 0.6026
2003 11 0.5828
2004 5 0.4668
2004 11 0.7529
2005 5 0.6520
2005 11 0.7131
2006 5 0.5343
2006 11 0.6238
2007 5 0.5815
2007 11 0.5103
2008 5 0.4730
2008 11 0.6436
2009 5 0.5539
2009 11 0.6208
2010 5 0.7153
2010 11 0.7337
2011 5 0.5312
2011 11 0.4574
2012 5 0.6674
2012 11 *
1972 12 0.2834
1973 6 0.2340
1973 12 0.0565
1974 6 -0.0285
1974 12 -0.0683
1975 6 0.0627
1975 12 -0.0884
1976 6 -0.0776
1976 12 0.0674
1977 6 0.2532
1977 12 0.1053
1978 6 0.0530
1978 12 0.1147
1979 6 0.1734
1979 12 0.4535
1980 6 0.2197
1980 12 0.2210
1981 6 0.2518
1981 12 0.3908
1982 6 0.1041
1982 12 0.3922
1983 6 0.2538
1983 12 0.2383
1984 6 0.1196
1984 12 -0.1018
1985 6 0.1203
1985 12 0.1542
1986 6 0.2393
1986 12 0.1725
1987 6 0.2775
1987 12 0.4915
1988 6 0.3578
1988 12 0.3154
1989 6 0.2467
1989 12 0.3622
1990 6 0.3794
1990 12 0.4139
1991 6 0.4531
1991 12 0.2754
1992 6 0.2631
1992 12 0.2574
1993 6 0.2660
1993 12 0.2993
1994 6 0.3564
1994 12 0.4069
1995 6 0.4662
1995 12 0.3383
1996 6 0.3506
1996 12 0.3766
1997 6 0.5303
1997 12 0.6246
1998 6 0.6575
1998 12 0.5728
1999 6 0.4268
1999 12 0.5829
2000 6 0.4183
2000 12 0.3120
2001 6 0.5484
2001 12 0.5065
2002 6 0.6127
2002 12 0.4603
2003 6 0.5564
2003 12 0.7460
2004 6 0.4867
2004 12 0.4918
2005 6 0.6768
2005 12 0.6076
2006 6 0.6331
2006 12 0.7485
2007 6 0.5084
2007 12 0.4707
2008 6 0.5087
2008 12 0.5345
2009 6 0.6285
2009 12 0.5707
2010 6 0.6850
2010 12 0.4434
2011 6 0.6049
2011 12 0.4893
2012 6 0.6507
2012 12 *
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Ouvrages consultés
Encyclopaedia Universalis, thèmes variés
The Interior of the Earth, M.H.P. Bott, Edward Arnold, 1971
Submarine Geology, F.P. Shepard, Harpet & Row, 1973
Phisics and geology, Jacobs, Russel & wilson, 1974
Une revolution dans les sciences de la Terre, A. Hallam, Seuil, 1976
Paleomagnetism and plate tectonics, W.B. Harland, Cambridge university press, Earth science series, 1979
Le système solaire, Collection Planète Terre, Time Life, 1988
Les volcans, Collection Planète Terre, Time Life, 1988,
L’atmosphère, Collection Planète Terre, Time Life, 1988,
Igneous petrogenesis, M. Wilson, London Unwin Hyman, 1989
Ocean chemisty and deep sea sediments, J. Brown et al, The Open University, Pergamon Press, 1989
Les montagnes sous la mer, A. Nicolas, BRGM, 1990
La Terre toujours recommencée, Y Rebeyrol, Ed La découverte, Le Monde, 1990
Gros temps sur la Planète, J.C. Duplessy et P. Morel, Odile Jacob, 1990
Le contrat naturel, Michel Serre, François Bourin, 1990
Les profondeurs de la Terre, J.P. Poirier, Masson, Cahiers des sciences de l'univers-1, 1991
La vie est belle, S. Jay Gould, Seuil, 1991
La Terre et la vie, Y. Paccalet, Larousse, 1991
Sea water: its composition, properties and behaviour, J. Brown et al, The Open University, Pergamon Press, 1991
Waves tides and shallow-water processes, J. Brown et al, The Open University, Pergamon Press, 1991
The ocean basins: their structure and evolution, J. Brown et al, The Open University, Pergamon Press, 1992
Comprendre et enseigner la planète Terre, J.M. Caron, 2° ed, 1992
La vérité sur l’effet de Serre, Y. Lenoir, Ed. La Découverte, 1992
La vérité sur l’effet de Serre, Y. Lenoir, Ed. La Découverte, 1992
De la pierre à l’étoile, C. Allègre, Fayard
La foire aux dinosaures, S. Jay Gould, Seuil, 1993
Ocean circulation, J. Brown et al, The Open University, Pergamon Press, 1993
Océanologie, Bernard Biju-Duval, Géosciences, Dunod, 1994
Formes et mouvements de la Terre, A cazenave et K Feigl, croisée des sciences, 1994
Le noyau de la Terre, J. P. Poirier, Flammarion, Domino, 1996
Climate process at change, E.Bryant, Cambridge University Press, 1997
Sédimentologie, I. Cojan et M. Renard, 2° Ed., Dunod, 1999
Rythmes du temps, Emile Biémont, De Boeock, 2000
Pourquoi j’ai mangé mon Père, Roy Lewis, Actes Sud, 2000
La Plus belle histoire de la Terre, A. Brahic, P Tapponnier, L.R. Brown et J. Girardon, Seuil, 2001
Géologie de la Loire, G. Vittel, Pub de L’Université de St Etienne, 2001
Sismostratigraphie et structure sédimentaire en 3D d'un bassin lacustre, du retrait glaciaire à nos jours (Lac Léman, Suisse)
Thèse Université de Genève, S. GIRARDCLOS
The oceans and marine géochemistry, H.D. Holland & K.K. Turekian Eds, H. Hedersfield, 2004
Géologie isotopique, C. J. Allègre, Belin 2005
Sciences de la Terre et de l’univers, 2d Ed., A. Brahic, M. Hoffert, René Maury, A.Schaaf, M. Tardy, Vuibert, 2006
Géologie, bases pour l’ingénieur, A. Parriaux, Presses Polytechniques Romandes, Lausanne, 2006
Modern Celestial Mechanics; Aspects of Solar System Dynamics. A. Morbidelli, Cambridge Sci. Publ. 2006
Origine et impact climatique d'un changement de circulation thermohaline au cours des prochains siècles dans le modèle
IPSL-CM4 Didier Swingedouw, 2006
Ma vérité sur la Planète Claude Allègre, 2007, Plon/Fayard
New Theory of the Earth, Don L. Anderson, Cambridge University Press, 2007
Un appel à la raison, Nigel Lawson, K& B, 2008
Mon père n’est pas un singe ?, C. Grimoult, Ellipse Ed., 2008
Dans la lumière et les ombres, J. C. Ameisen, Fayard Ed., 2008
Plates vs. Plumes: A Geological Controversy. Gillian R. Foulger, 2010
Climat, Mensonges et propagande, Hacène Arezki, T. Souccar ed., 2011
La voie, Edgar Morin,Fayard Ed., 2011
Le Courrier du CNRS, Juil 1990, un regard global sur notre planète
Gemoc Annual Report, 2002, ARC National Key Center, Macquarie University Sydney,
Rapport de l Osbs Nat de l’ANDRA, 2002, où sont les déchets RA en France
Climate change assessments Review of the processes and procedures of the IPCC, InterAcademy Committee to Review the
Intergovernmental Panel on Climate Change, October 2010, pp 123
Science V293 3 August 2001 David C. Catling,1,2* Kevin J. Zahnle,1 Christopher P. McKay1
V 324 no. 5923 pp. 78-80 Persistent Positive North Atlantic Oscillation Mode Dominated the Medieval Climate
Anomaly, V. Trouet, J. Esper, N. E. Graham, A. Baker, J. D. Scourse, D. C. Frank
- 186 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Geochimica Cosmochimica acta,
1995, V59-8, The age of the Earth, C. J. Allègre.
1995, V59-15, Chondrules products of collisions, H.C. Conolly
Chemical Geology, May 1998, V147, 1-2, The degassing history of the Earth
Comptes Rendus de l’académie des Sciences, Fev 1999, L’effet de serre, certitudes et incertitudes
Nature
350, Mars 1991,
Intermittent mixing of the mantle
350, Mars 1991,
Dimensions and dynamics of co-ignimbrite eruption columns
351, Juin 1991,
Geometry of geomagnetic reversals
352, Août 1991,
Deep structure of the Northern Japan arc
353, Sept 1991,
Tomographic imaging of subducted lithoshere
357, Juin 1992,
Formation of an archean continent
357, Mai 1992,
Making sense of meteoric chondrules
358, Juil 1992,
Water in the earth's upper mantle
358, Aout 1992,
Clues to early solar system history from Cr isotopes in carbonaceous chondrites
359, Oct 1992,
Dipolar reversal states of the geomagnetic field
359, Oct 1992,
The hydrological cycle and its influence on climate
360, Nov 1992,
Deep origin of mid-ocean ridges seismic velocity anomalies
361, Fev 1993,
Sismological mapping of fine structure near the base of the Earth mantle
361, Fevr 1993,
Merging at the magnetopause
370, Juin 1994,
A snapshot of the whole mantle flow
370, Août 1994,
the role of magmas in the formation of hydrothermal ore deposits
371, Sept 1994,
A mystery in the mantle
377, sept 1995,
Mantle plumes and continental breakup
402, Nov 1999,
A polar vortex in the Eatrth’s core
402, Dec 1999,
Sismic anisotropy of the Earth’s inner core… induced by Maxwell stress
406, Jul 2000,
Evidence for a late chondritic veneer in the Earth’s mantle
410, Apr 2001,
Deep-mantle highviscosity flow and thermochemical structure
438, Dec 2005,
Slowing of the Atlantic meridional overturning circulation at 25° N
Nature Geoscience 2008
Geodynamics: Layer cake or plum pudding?
2012 5, 808–812, J. Olsen, N.J. Anderson et F. Knudsen Variability of the North Atlantic Oscillation over
the past 5,200 years
2012 5, 872–875 P.R. Holland, Wind-driven trends in Antarctic sea-ice drift
Nature Climate Change
2013 April Springtime atmospheric energy transport and the control of Arctic summer sea-ice extent M.L.
Kapsch, R. Grand Graversen & M. Tjernström
La Recherche
95, 1978,
Le champ magnétique des planètes,
141, Fevr 1983, L’origine de l’atmosphère
210, Mai 1989, La tomographie sismologique
221, Mai 1990, L’eau
223, Juin 1991, Le noyau terrestre
246, Sept 1992, Les inversions du champ magnétique terrestre
255, Juin 1993, L'eau dans le manteau terrestre
266, Juin 1994, La convection dans le manteau terrestre
271, Déc 1994, Le coeur des comètes
274, Mars 1995, La dynamique des volcans
291, Oct 1996, La genèse volcanique des continents
296, Mars 1997,L’histoire de la vie
297, Avr 1997, Le passé sismique de la France
308, Avr1998, Le noyau de la Terre.
315, Déc 1998, Le noyau de la Terre tourne-t-il vraiment ?
317, Fevr 1999, Les frontières du vivant
323, sept 1999, La datation au 14C fait peau neuve.
330, Avr 2000, La naissance chahutée du système solaire
341, Avr 2001, Métaux précieux et Terre primitive
Hors Série Avr 2003 La Terre
Hors Série Avr 2004 Le Soleil
382, Janv 2005, Les profondes métamorphoses de la Terre
Science
Mars 2003, N.Caillon et al
Mai 2006
Sciene Magazine Janv 2011, Ulf Büntgen et al. 2500 Years of European Climate Variability and Human
Susceptibility
- 187 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Pour la Science, Nov 1983,
N° spécial, La planète Terre
Dec 1990,
L'extinction des dinosaures
Juil 1993,
La limite du noyau et du manteau
Sept 1994,
La naissance de la Lune
Dec 1994,
N° spécial, La vie dans l’univers
Juin 1996,
N° spécial, L’atmosphère
Aou 1997,
Les fonds des océans
Avr 1999,
Les tettres célestes
Fevr 2000,
a) La surface gelée d’Europe
b) Quand la Terre était gelée
Juil 2000,
N° spécial, La valse des espèces
Janv 2001,
N° Spécial, Il y a 3 milliards d’années
Janv 2001,
Vie et mœurs des étoiles
Mars 2001, El niño
Nov 2001,
Les génies de la science, Kepler
Fevr 2002,
Les fossiles, témoins du passé
Avr/Juin 2002, Hors série, les diamants
Avr 2003,
Le dialogue des séismes
Juil/Sept 2004, La classification des premiers organismes vivants
Nov 2005, La Terre Jeune n’était pas une fournaise
Janv/Mars 2007, Climat, comment éviter la surchauffe
Janv/Mars 2007, L’eau, attention fragile
Juil/ept 2008, Où est née la vie ?
Ciel et Espace
Mars-Avril-Mai 1992, N° spécial, Objectif Planète Terre
Sept 1994,
Jupiter, les photos de la collision
Dec 1994,
Système solaire, Les routes de la diversité
Août 1995,
Le ciel peut-il nous tomber sur la tête?
Octobre 2006
Pluton n’est plus une planète
Mai 2007,
Pourquoi le Soleil est-il innocent ?
Octobre 2007
Comment le système solaire s’est mis en place
Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)
Extrait de la Lettre n°9
Avr 1999 La "calibration" des événements ENSO… L. Ortlieb
Extrait de la Lettre n°10
Fevr 2000 Notre atmosphère depuis 400 000 ans.
J.M. Barnola
Extrait de la Lettre n°12
Juill 2001 L'océan Glacial Arctique aux avant-postes… M.N. Houssais et J.C. Gascard
Extrait de la Lettre n°14
Oct 2002 L’élévation du niveau de la mer
A. Cazenave et C. Cabanes
Extrait de la Lettre n°15
Juin 2003 L'Oscillation Nord Atlantique
C. Cassou et L. Terray
Extrait de la Lettre n°15
Juin 2003 Les changements abrupts du climat
F. Grousset
Extrait de la Lettre n°15
Juin 2003 Variabilité climatique rapide…
V. Masson-Delmotte et A. Landais
Extrait de la Lettre n°16
Mars 2004 Le changement climatique enregistré…
P. Wagnon et C. Vincent
Extrait de la Lettre n°17
Dec 2004 Evolution de la quantité de vapeur d’eau Stratosphérique J. Ovarlez
GIEC, 2007 : IPCC Fourth Assessment Report
Bilan 2007 des changements climatiques. Contribution des Groupes de travail I, II et III au quatrième
Rapportd’évaluation du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat.
Working Group I Report "The Physical Science Basis"
Working Group II Report "Impacts, Adaptation and Vulnerability"
Working Group III Report "Mitigation of Climate Change”
Journal of Physical Oceanography
Vol 125, 1995
A Mechanism for the Recurrence of Wintertime Midlatitude SST Anomalies,
M.A. Alexander & C. Deser
Bulletin of the American Meteorological Society,
Vol 78,
1997,
A Pacific interdecadal climate oscillation with impacts on salmon production. N. J.
Mantua, S. R. Hare, Y. Zhang, J. M. Wallace, and R. C. Francis
Geophysical Research Letters
Vol 29,
2002, General characteristics of temperature variation in China during the last two millennia.
Yang, B., Bräuning, A., Johnson, K.R., Shi, Y.
Journal of climate
Vol 14-1, 2001.
North Pacific Decadal Climate Variability Since AD 1661, F. Biondi et al.
Rev. Geophys
V 42,
2004
Cazenave and R. S. Nerem,: Present-day sea level change: Observations and causes.
Physics of the Earth and Planetary Interiors
Vol 153, pp 136–149, 2005 Liquid sodium model of geophysical core convection
W. L. Shewa and D. P. Lathropb
Energy & Envirnment
- 188 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
Vol 18 N°2,
24/10/13
2007
180 Years of atmospheric CO2 Gas Analysis by Chemical Methods
E.G.,, 2002. 29 (9),
Beck,
Physics of the Earth and Planetary Interiors
Vol 162 ,256–260, 2007
Correlation of Earth’s magnetic field with lower mantle thermal and seismic
structure David Gubbins, Ashley P. Willis 1, Binod Sreenivasan
Astronomical Journal,
Vol 134,
2007, Dynamics of the Giant Planets of the Solar System in the Gaseous Protoplanetary Disk
and Their Relationship to the Current Orbital Architecture", Morbidelli, A., Tsiganis, K., Crida,
A., Levison, H.F. and Gomes, R
American Meteorological Society
2008
Decadal Trends in Sea Level Patterns: 1993–2004
Astronomical Society of Australia
Vol 25 N°2, 2008 Does a spin–orbit coupling between the Sun and the Jovian planets govern the solar
cycle? Wilson, I. R. G., Carter, B. D. & Waite, I. A.)
Géophysical Research Letter
Vol 28,
2001,
The Atlantic Multidecadal Oscillation and its relationship to rainfall and river flows in
the continental U.S., D.B. Enfield et al., 2077-2080
Vol 35,
2008,
Renewed growth of atmospheric methane, M. Rigby et al., pp6
Vol 36,
2009
Observational constraints on recent increases in the atmospheric CH4 burden. E. J.
Dlugokencky et al.
Physical Geography,
Vol 30-2, 2009,
Solar Arctic-mediated climate variation on multidecadal to centenal timescales:
empirical evidence, mechanistic explanation and testable consequences, Willie W.-H. Soon
Climatic Change
DOI 10.1007 2009
Persistent multi-decadal Greenland temperature fluctuation through the last millennium
Takuro Kobashi et al.
Global and Planetary Change,
v. 65, iss. 1-2, 2009, Sea level budget over 2003-2008: A reevaluation from GRACE space gravimetry,
satellite altimetry and Argo, A. Cazenave et al., , A. p. 83-88.
J. Petrology
Vol 52, 7-8, 2011,
A Reappraisal of Redox Melting in the Earth’s Mantle as a Function of Tectonic Setting
and Time , S. F. Foley
Vol 51, 10 2010
Carbonate-fluxed Melting of MORB-like Pyroxenite at 2·9 GPa and Genesis of HIMU
Ocean Island Basalts,
C. Gerbode and R. Dasgupta
Earth Science Review
Vol 105, pp 1-24, 2011, Supercontinets, mantle dynamics and plate tectonics: a perspective based on
conceptual vs numerical models,
M. Yoshida & M. Santosh
Atmosphereic Chemistry and Physics (Open Access Journal of the European Geosciences Union)
10, 27603-27630, Source attribution of the changes in atmospheric methane for 2006–2008
Journal of Climate
Vol 24, pp 4096-4108,
2011
Influence of ENSO on Tropical Cyclone Intensity in the Fiji Region, S.
S. Chand and K. Walsh
Copernicus Publications (on behalf of the European Geosciences Union)
6199 CPD 8, 6199–6219, 2012 A volcanically triggered regime shift in the subpolar North Atlantic ocean as a
possible origin of the Little Ice Age, C. F. Schleussner and G. Feulner 2012,
Climate Dynamics
DOI: 10.1007/s00382-013-1771-3 Multi-scale dynamical analysis (MSDA) of sea level records vs. PDO,
AMO, and NAO indexes. Scafetta, N., 2013.
Ocean Modelling
Available
online 7 January 2013 Arctic sea ice decline and ice export in the CMIP5 historical simulations
H.R. Langehaug, F. Geyer, L.H. Smedsrud, Y. Gao.
www.clim-past-discuss.net
/8/1687/2012,
Bunker Cave stalagmites: an archive for central European Holocene climate variability,
J. Fohlmeister , A. Schroder-Ritzrau, D. Scholz, C. Spotl, D. F. C. Riechelmann, M. Mudelsee, A.
Wackerbarth, A. Gerdes, S. Riechelmann, A. Immenhauser, D. K. Richter, and A. Mangini
Icarus Vol. 224, 2013,
UltraCarbonaceous Antarctic micrometeorites, probing the Solar System beyond the nitrogen
snow-line, E. Dartois, C. Engrand, R. Brunetto, J. Duprat, T. Pino, E. Quirico, L. Remusat, N. Bardin, G.
Briani, S. Mostefaoui, G. Morinaud, B. Crane, N. Szwec, L. Delauche, F. Jamme, Ch. Sandt, P. Dumas.
1
Conférence débat à l'Académie des Sciences,
le 19 Juin 2012, Inversions du champ magnétique solaire: observations Jean-Marie Malherbe, Observatoire de
Paris 10 Février 2013
************************
- 189 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Figures et tableaux
Introduction
Fig. 1 : le monde et la Terre selon Anaximandre ........................................................................................................... 4
Fig. 2a : sphères d’Eudoxe ............................................................................................................................................. 4
Fig. 4 : la mesure de la distance Terre Soleil par Aristarque de Samos ........................................................................ 5
Fig. 2b : déplacement rétrograde de Mars sur la voûte étoilée, ..................................................................................... 5
Fig. 3 : la Terre tourne sur elle-même ............................................................................................................................ 5
Fig. 5 : 1° mesure de la rotondité de la Terre ................................................................................................................ 5
Fig. 6 : point vernal et déplacement de l’axe de rotation de la Terre sur le cône de précession, .................................. 6
Fig. 7 : illustration de la théorie des épicycles ............................................................................................................... 6
Fig. 8a : Les planètes rocheuses ; .................................................................................................................................. 8
Fig. 8b : Les planètes gazeuses ; .................................................................................................................................... 8
Tableau 1: Les planètes du système solaire et leurs satellites ........................................................................................ 9
Tableau 2: Planétologie comparée : rayons et masses volumiques du Soleil, des planètes et de leurs satellites .......... 9
Fig.9 : distribution des poids volumiques dans le système solaire. ................................................................................ 9
Tableau 3: planétologie comparée ............................................................................................................................... 10
Chapitre 1
Fig. 1, la convection ..................................................................................................................................................... 12
Fig. 2, viscoélasticité : corps de Maxwell ..................................................................................................................... 13
Fig 3a : convection, passage de la convection en rouleaux à la convection en panaches avec le nombre de Rayleigh13
Fig 3b : modèles de convection mantellique (C. Grigné), ............................................................................................ 14
Fig. 4a : les éléments radioactifs et radiogéniques dans le tableau périodique. .......................................................... 15
Fig. 4b : Bilan énergétique interne ............................................................................................................................... 16
Tableau 1, bilans énergétiques internes ....................................................................................................................... 16
Fig. 4c : Evolution de la chaleur dégagée par la radioactivité à vie longue depuis la création de la Terre ............... 16
Fig. 5a : carte du flux de chaleur géosphérique actuel. ............................................................................................... 17
Fig. 6a : modèle de composition minérale du manteau, et accessoirement du noyau. ................................................. 18
Fig. 6b : modèle de pression et de nature du manteau, du noyau et de la graine (La recherche) ................................ 18
Fig. 7 : 2 modèles de géotherme pour la Terre............................................................................................................. 19
Chapitre 2
Fig.1 a-c : Chutes de météores ..................................................................................................................................... 21
Tableau 1a : Minéraux des météorites : ....................................................................................................................... 22
Fig.1d-e : Cratère météoritique .................................................................................................................................... 22
Fig.2a-1 : les chondres ................................................................................................................................................. 22
Fig.2a-2 : Microbilles, entières et fragmentées ............................................................................................................ 23
Fig.2b : chondrule (BO) olivine barrée ........................................................................................................................ 23
Fig. 2c : CAIs Inclusions réfractaires ............................................................................................................................ 23
Tableau 1b, Minéraux des CAIs : ................................................................................................................................. 23
Fig. 4 : diagramme de phases des alliages Fe-Ni ......................................................................................................... 26
Fig. 3: Section Polie de la météorite de Casas Grandes, ............................................................................................. 26
Tableau 4 : classification des sidérites ......................................................................................................................... 27
Fig 5a: pallasite brute .................................................................................................................................................. 27
Fig. 5b : Mesosidérite de Vaca Muerta, Clili, .............................................................................................................. 27
Tableau 5 : classification des sidérolithes .................................................................................................................... 27
Fig.6a : abondances cosmiques relatives des éléments ................................................................................................ 28
Fig.6b :
nucléosynthèse par fusion......................................................................................................................... 28
Fig.6c : Nucleosynthèse par capture ............................................................................................................................ 29
Fig. 6d : Abondances des éléments (en unités molaires) .............................................................................................. 29
Fig. 7a : Astéroïde Cérès 933, vu par Hubble. ............................................................................................................. 30
Fig.7b : Vesta vu par Hubble à gauche, et de la Terre à droite. .................................................................................. 30
Fig. 7d : Toutatis, géocroiseur de 4,6x 2,4 x 1,9 km. .................................................................................................... 31
Fig. 7c : Lacunes de Kirkwood dans la ceinture d’astéroïdes. ..................................................................................... 31
Fig. 8 : Structures filamenteuses dans ALH84001........................................................................................................ 32
Fig. 9:Formation des météorites différenciées ............................................................................................................. 32
Fig 10: Collision de la comète Shoemaker-Levy 9 avec Jupiter. .................................................................................. 33
Fig. 11 : schéma simplifié d’un spectromètre de masse ............................................................................................... 33
Fig. 13a: La naissance d'une étoile (Brahic et al.). ...................................................................................................... 36
Fig. 12: la Nébuleuse d'Orion, pouponnière d'étoiles. ................................................................................................. 36
Fig. 13b: image des jets bipolaires (en rouge pour HH30 et blanc pour CRL 2688. ................................................... 37
Fig. 14a : La séquence de condensation dans la nébuleuse proto-solaire, .................................................................. 37
Tableau 7 : Série de condensation à l’équilibre d’un gaz de composition solaire ;..................................................... 38
Fig14b: la séquence de condensation. .......................................................................................................................... 39
Fig. 15: schéma de formation des chondrites ............................................................................................................... 39
- 190 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig. 16 : a) Contenu isotopique des chondrites hérité d’un mélange de nébuleuses. .................................................... 40
Fig. 17: hétérogénéité isotopique des chondrites héritée de la nucléosynthèse. ........................................................... 41
Fig. 18 : schéma de production des chondrites. ............................................................................................................ 42
Fig. 19a : 2 types d’orbites des comètes........................................................................................................................ 42
Fig. 19b : représentation du système solaire à l’échelle du nuage de Oort. ................................................................ 43
Fig. 20b : Comète de Halley, composition de l’atmosphère.......................................................................................... 43
Fig. 20a : comète Hale-Bopp. ....................................................................................................................................... 43
Tableau 8: Abondances des molécules mères dans les comètes recensées ................................................................... 44
Fig. 21 : Images MEB et spectres IR de 2 fragments d UCAMM. ................................................................................. 44
Chapitre 3
Fig. 1: Expérience de Cavendish. ................................................................................................................................. 47
Fig. 2 : x= Rnoyau/RTerre vs. y = ρnoyau/ρmanteau .............................................................................................................. 48
Fig. 3 : Pesanteur terrestre. .......................................................................................................................................... 48
Fig 4: Applatissement polaire. ...................................................................................................................................... 48
Fig. 5: Effet topographique, .......................................................................................................................................... 48
Fig. 6 : Corrections des mesures de pesanteur............................................................................................................. 49
Fig. 7: Les modèles d'isostasie. ..................................................................................................................................... 49
Fig. 8 : Effet des reliefs sous marins sur la déviation de la pesanteur et le niveau des mers (géoïde) ......................... 49
Fig. 9a: Altimétrie satellitaire. ...................................................................................................................................... 50
Fig.9b: Carte des anomalies de la gravité , Grace 2003............................................................................................... 50
Fig. 10: le géoïde terrestre , .......................................................................................................................................... 50
Fig. 11 : Carte des anomalies à l’air libre sur les océans, ........................................................................................... 51
Fig.13 : Sismographe de Zhang Heng (≈ 100 AD)? .................................................................................................... 51
Fig. 12 : effet du plongement d'une plaque ................................................................................................................... 51
Fig. 14a: modules d'élasticité. ....................................................................................................................................... 52
Fig. 14b: ondes de volumes, P et S. ............................................................................................................................... 52
Tableau 1 : Relations entre constantes d’élasticité. ...................................................................................................... 52
Fig. 14c: ondes de surface............................................................................................................................................. 52
Fig. 16a : carte de la séismicité en France pour 2004. ................................................................................................. 53
Fig. 15 : Enregistrement du séisme de Santa Cruz 1989,.............................................................................................. 53
Fig. 16b : Séismicité du Sud-Est de la France. ............................................................................................................. 53
Fig. 17b : rais sismiques. .............................................................................................................................................. 54
Fig 17a courbes temps vs distance. ............................................................................................................................... 54
Fig.19a : Fonction temps-distance onde réfléchie, ....................................................................................................... 55
Fig. 18 : Caractérisation sismique de divers milieux : a) homogène ; b) hétérogènes, 1-régulier , 2-3 irréguliers. .. 55
Fig.19b : Fonction temps-distance onde réfractée. ....................................................................................................... 55
Fig. 20 : paquets d’ondes de surface progressives amorties. ........................................................................................ 56
Fig. 21 : Echelle de Richter ; ........................................................................................................................................ 57
Fig. 22 : Corrélations expérimentales entre vitesse des ondes et la densité de divers éléments. .................................. 57
Fig. 23 : relations vitesse des ondes – profondeur. ....................................................................................................... 58
Fig. 24a : modèle PREM. .............................................................................................................................................. 58
Fig. 24b : courbes densité, pression dans le modèle PREM. ........................................................................................ 58
Tableau 3 : Vitesses et fréquences des ondes sismiques dans le manteau et dans le noyau. ........................................ 59
Fig. 25: zone d'ombre créée par le noyau. .................................................................................................................... 61
Fig. 27: champ dipolaire théorique. .............................................................................................................................. 62
Fig. 26: Le champ magnétique terrestre. ...................................................................................................................... 62
Fig. 28a : champ magnétique terrestre comprimé et raccordé au champ solaire ; ...................................................... 62
Fig. 28b : piégeage des particules dans les vortex (aurore). ........................................................................................ 62
Fig. 29 : Ionisation des zones polaires 08 07 2013. ...................................................................................................... 63
Fig. 30 : variation séculaire du champ magnétique. ..................................................................................................... 63
Fig. 32 : disque dynamo de Bullard. ............................................................................................................................. 64
Fig. 31 : Courbe d’hystérésis des corps Ferromagnétiques. ......................................................................................... 64
Fig. 33a : modèle de convection dans le noyau selon Busse 1970. ............................................................................... 64
Fig. 33b : Cellules de convection de Busse dans un modèle actuel de sphère en rotation. ........................................... 64
Fig. 35a : magnéto à double disque de Rikitake (1958). ............................................................................................... 65
Fig. 35b : variations du courant avec le temps. ............................................................................................................ 65
Fig. 36 : structure symétrique et alternée du magnétisme rémanent du plancher océanique Est Pacifique. ................ 65
Fig. 34 : naissance d'un champ toroïdal dans une sphère hétérogène en rotation. ...................................................... 65
Fig. 37 : taches solaires. ............................................................................................................................................... 65
Fig.38 : Variation du nombre de taches solaires observées .......................................................................................... 66
Fig. 39 a-b-c : champ quadripolaire observé à la surface ............................................................................................ 67
Tableau 4 : champ magnétique des planètes et des étoiles ........................................................................................... 67
Chapitre 4
Fig. 1 : Circulation dans le noyau liquide ; .................................................................................................................. 70
- 191 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig. 2 : Champ magnétique jusqu’à une distance de 2 rayons terrestres;.................................................................... 70
Fig. 3 a-b : Vitesses de propagation dans la graine. .................................................................................................... 70
Fig.4 : Champ magnétique des planètes du système solaire......................................................................................... 71
Fig. 5, échelle des polarités et des temps durant 4.5 Ma. ............................................................................................. 71
Fig. 6 : fréquence des inversions de polarité du champ ; en dessous inversions depuis 170 Ma. ............................... 71
Fig. 7a : chemins préférentiels des pôles durant les inversions. .................................................................................. 72
Fig. 7b : Champ magnétique terrestre lors d’une inversion selon Glatzmaier et Roberts ........................................... 72
Fig. 7c : Flip-flop vers 41000 BP ; trajet du pôle Nord. .............................................................................................. 72
Fig. 8a: interface réactionelle entre manteau et noyau ;.............................................................................................. 73
Fig. 8b : altimétrie de la surface du noyau ................................................................................................................... 73
Fig. 8c : transition de phase pérovskite -postpérovskite PPv ....................................................................................... 74
Fig. 8d : corrélation entre des régions à ULVZ de la couche D’’ et la distribution des points chauds en surface ...... 74
Fig. 9 : schéma de couplage noyau-manteau, la couche D". ........................................................................................ 75
Fig. 11 : discontinuités du manteau. ............................................................................................................................. 76
Tableau. 1 :, minéralogie de péridotites du manteau supérieur ................................................................................... 76
Fig. 10 : structure pérovskite (d'après Hazen): ............................................................................................................ 76
Fig. 12 : diagramme P,T du manteau supérieur. .......................................................................................................... 77
Fig. 13 : Tomographie sismique du manteau supérieur ............................................................................................... 78
Fig.15 : Représentation 3D des zones chaudes du manteau supérieur........................................................................ 79
Fig. 16 : coupe EW à travers l'arc du Japon. ............................................................................................................... 79
Fig.14 : Représentation 3D des zones chaudes du manteau supérieur........................................................................ 79
Fig. 17 : 2 types de zones de subduction....................................................................................................................... 80
Fig. 18 : cartes tomographiques du manteau inférieur. ............................................................................................... 80
Fig. 19 : coupes tomographiques du manteau inférieur. .............................................................................................. 80
Fig. 21 : Simulation tomogra-phique du manteau Est Pacifique .................................................................................. 81
Fig 20 : a)Modèle Terra-Dynamo ; .............................................................................................................................. 81
Fig. 22a : plaque subductée sous l’Ouest du lac Baïkal ............................................................................................... 81
Fig 22b : paléo-reconstructions de la Sibérie (SIB) et des blocks adjacents, ............................................................... 82
Fig. 23a: convection à deux étages de Paul J. Tackley. ............................................................................................... 82
Fig. 23b : simulation de la convection dans le manteau; ............................................................................................. 82
Fig 23c : Masaki Yoshida & M. Santosh 2011; ............................................................................................................ 83
Fig. 24b : migration des planètes du système solaire selon le modèle de NICE ......................................................... 85
Fig. 24a: Interactions Planète-Disque ; ....................................................................................................................... 85
Fig. 25a, scénario d’une collision en 5 clichés : .......................................................................................................... 86
Fig. 25b : Un océan de magma aurait enveloppé la lune. ............................................................................................ 87
Fig. 26 : Advection magmatique dans la lithosphère.................................................................................................... 88
Fig. 27 : l’âge de la croûte continentale ; .................................................................................................................... 88
Fig. 28 : croissance des continents. .............................................................................................................................. 89
Fig. 29 : fusion de l’asthénosphère par décompression adiabatique au droit d’une dorsale. ...................................... 90
Fig. 31 : lessivage et hydratation de la croûte et du manteau au droit des dorsales : ................................................. 91
Fig. 30b : éruptions sous-marines : .............................................................................................................................. 91
Fig. 30a : croûte océanique. ......................................................................................................................................... 91
Fig.32 : panache enrichi en 3He. .................................................................................................................................. 92
Fig. 33 : âge du plancher océanique croissant symétriquement avec la distance à la ride.......................................... 92
Fig. 34 : Les sédiments marins de la plaque plongeante. ............................................................................................. 93
Fig35 : Diagrammes de phases X vs. T° :..................................................................................................................... 94
Fig. 36: Evolution du rapport isotopique 87Sr / 86Sr ; a) dans la croûte continentale, b) dans le manteau .................. 95
Fig.37 : Logs géochimiques vertical (en km) dans le manteau lithosphérique subcontinental, ................................... 96
Chapitre 5
Tableau 1, composition de l’atmosphère terrestre ....................................................................................................... 99
Fig. 1, estimation des réservoirs et des flux dans le cycle de l’eau de la surface terrestre selon M. T. Chahine ....... 100
Fig. 2, Structure verticale de l’atmosphère terrestre .................................................................................................. 100
Fig. 3a : Spectre solaire comparé à l’émission d’un corps noir à 5770K (en jaune), T° de la chromosphère........... 101
Fig. 3b : Spectre du corps noir à 256K, T° d’émission de la Terre ........................................................................... 101
Fig. 4b : Albedo annuel moyen versus latitude, ......................................................................................................... 102
Fig 4a : Relation couleur-température du corps noir, d’après J.Y. Daniel 1991;...................................................... 102
Fig. 5b : Down-welling Surface Short-wave Radiation Flux ...................................................................................... 103
Fig. 5a: Spectre des raies d'absorption des gaz atmosphériques ............................................................................... 103
Fig. 6a: L’effet de serre d’après Ramanathan et al .................................................................................................... 104
Fig. 6b: L’effet de serre, représentation simplifiée..................................................................................................... 104
Fig. 6c: Downwelling Longwave Radiation (DLR) Flux ............................................................................................ 105
Tableau 2 : Potentiel de réchauffement planétaire (PRP) et durée de vie dans l'atmosphère des GES. .................... 106
Fig. 7 : évolution de la teneur en CO2 et de la Température de l'air depuis 400 000 ans; ........................................ 107
Fig. 9 : Température de l’Océan et Concentration en CO2 dans l’atmosphère depuis 65 Ma, in IPCC AR4 Chp 6. 108
Fig. 8a : variation de la teneur en CO2 pour les 20 000 ans BP ................................................................................ 108
- 192 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig.8b : RCO2 = Rapport des teneurs de CO2 avec le niveau de concentration de1900............................................. 108
Fig. 10c : Enrichissement linéaire en isotopes lourds avec la température. ............................................................... 109
http://www.sahra.arizona.edu/programs/isotopes/oxygen.html................................................................................... 109
Fig. 10b : carte des δD et δ18O pour les précipitations en Amérique du Nord ; ......................................................... 109
Fig. 10a : Effet des précipitation sur les rapports δ2H et δ18O, .................................................................................. 109
Fig. 11 a-b : CO2 de l’air, données NOAA, ................................................................................................................ 110
Fig. 11d : Evolution de la concentration en CO2 de l’atmosphère depuis l’ère industrielle ;.................................... 112
Fig. 11c: CO2 de l’air d’après E.G. Beck (2007) ....................................................................................................... 112
Fig. 11f : CO2 et Surface de la banquise Arctique vs temps ....................................................................................... 113
Fig. 11e : distribution spatiale et temporelle du CO2.................................................................................................. 113
Fig. 12d : distribution spatiale et temporelle du CH4 dans l’atmosphère, pour les années 1984 à 2010,NOAA. ...... 114
Fig. 12a : Courbe d’évolution des teneurs en CH4 dans l’atmosphère ; notez l’unité, 1 ppb = 1.10-3 ppm................ 114
Fig. 12b : Synchronisme des variations de teneur en CO2 et en CH4 avec le climat ................................................. 114
Fig. 12c : Evolution de la concentration en CH4 de 1850 à 2010 .............................................................................. 114
Fig. 15 : réseau des stations de mesures de la température de surface, set de données HadCRUT. .......................... 115
Fig. 13-14 : Evolution de la concentration en N2O et en SO4 depuis le début de l’ère industrielle ............................ 115
Fig. 18a: courbes de température des rapports IPCC de 1990 et 2001 pour le dernier millénaire ; ......................... 116
Fig. 16a : Augmentation quasi linéaire de la température de l’hémisphère Sud depuis 1930. ................................... 116
Fig. 16b : contraste avec le tracé en dents de scie de la courbe de l’hémisphère Nord............................................. 116
Fig. 18b: courbes des anomalies de température globale ........................................................................................... 118
Fig19 a : 1882-2009, courbe de l’anomalie de température (par rapport à la moyenne de 1900-2001) ................... 119
Fig19 b : 1959-2009, CO2 vs anomalie de température résiduelle cumulée (moyenne annuelle)............................... 119
Fig19 c : 1882-1959, teneur en CO2 calculée avec le proxi de la température résiduelle cumulée, en vert ............... 119
Fig. 20 : modèles de réchauffement IPCC................................................................................................................... 119
Fig. 21 a-b: Températures du Groenland reconstruites à partir des isotopes de l’azote et de l’Argon :.................... 121
Fig.21c : Courbe des températures construite à partir des isotopes des gaz des bulles dans les glaces, ................... 121
Fig. 22a : Recul des glaciers dans le monde depuis 5 siècles. .................................................................................... 122
Fig. 21d : évolution de l’anomalie résiduelle cumulée de la température pour la période 1882-2009, ..................... 122
Fig. 22c-1 : Recul de la banquise Arctique (courbe noire) et de l’inlandsis Antarctique (courbe verte) ................... 123
Fig. 22c-2- courbes de la surface de glace Arctique ................................................................................................... 123
Fig. 22b : non corrélation entre longueur des glaciers alpins et température estivale ............................................... 123
Fig. 23a: élévation du niveau de la mer depuis le dernier maximum glaciaire; ......................................................... 123
Fig. 23c-d: élévation du niveau de la mer depuis 1000 ans, d’après Behre K.E., 2003.............................................. 124
Fig. 23b : -1 élévation du nieau de la mer à l’holocène .............................................................................................. 124
Fig. 24 : Reconstruction des précipitations estivales à partir des cernes des arbres.................................................. 125
Fig. 25: Coupes NS de l’atmosphère après 1 siècle d’effet de serre (XX°), comparaison entre modèle et réalité: ... 125
Fig.26a-1 : Activité solaire (Total solar irradiance) et Anomalie de T° de l’atmosphère arctique. ........................... 125
Fig.26a-2 : Activité solaire (Total solar irradiance) et T° moyenne de la surface de la Terre ................................... 126
Fig.26a-3 : CO2 atmosphérique et anomalie de T° de l’atmosphère arctique ............................................................ 126
Fig.26b : Cycle 24 de l’activité solaire. ...................................................................................................................... 126
Fig. 26c : activité solaire, rayons cosmiques et 14C (opposé des fluctuations) ........................................................... 127
Fig. 26d : irradiance solaire et cycle solaire .............................................................................................................. 127
Fig. 27a : cycle de Chapman, production-destruction de l’O3 .................................................................................... 128
Fig.27b : Raies d’absorption des SAO et de l’O3 dans la stratosphère....................................................................... 130
Fig. 27c : Anomalie de la couche d’ozone .................................................................................................................. 130
Fig 28 : Persistance du SO2 après éruption volcanique : ........................................................................................... 131
Fig. 29: courants magnétosphériques ......................................................................................................................... 132
Fig. 30a : ovales polaires pendant une aurore ; ......................................................................................................... 133
Fig. 30b-c : draperies vertes et pourpres .................................................................................................................... 133
Fig. 31: Circulation tmosphérique ............................................................................................................................. 133
Fig.32: Force de Coriolis ............................................................................................................................................ 133
Fig. 33 a : Structure d’un cyclone tropical ................................................................................................................. 134
Fig. 33 b : Développement d’un cyclone .................................................................................................................... 134
Fig. 33c: cyclones et tempêtes tropicales, 1) gauche : nombre par an ; 2) centre : Séries temporelles ; 3) droite :ACE
................................................................................................................................................................................................ 135
Fig. 34a: genèse des vents géostrophiques.................................................................................................................. 135
Fig. 34 b-c: b): Circulation : divergente (haute pression ) ; convergente (basse pression) ;
c): vents ........ 136
Fig. 35: Courant d’inertie et force de Coriolis ........................................................................................................... 136
Fig. 36a : gradient de pression horizontal .................................................................................................................. 136
Fig. 37 : Température versus profondeur et latitude : ................................................................................................ 137
Fig. 36b : Spirale d’Ekman ; ....................................................................................................................................... 137
Tableau 3 : Composition moyenne de l’eau de mer .................................................................................................... 138
Fig. 38a : Salinité des eaux de surface de l’océan : 33-36.5 g/l ................................................................................. 138
Fig. 39a : Carte des courants et de la surface topographique de l’océan................................................................... 139
Fig. 38b : Coupes verticales Sud-Nord de la salinité des océans................................................................................ 139
- 193 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Fig. 39b : Carte de grandes gyres océaniques ........................................................................................................... 140
Fig. 40b : Altimétrie satellitaire de surface du Gulf-Stream ...................................................................................... 140
Fig. 40a: Image de la T° de surface du Gulf-Stream, ................................................................................................. 140
Fig. 42 :Alisés et upwelling équatorial ; Pointillé = équateur ................................................................................... 141
Fig. 41 : Courants péri-Antarctiques.......................................................................................................................... 141
Fig. 40c : Gyre arctique de Beaufort. ......................................................................................................................... 141
Fig. 40d : Détroit de Fram entre Groënland et Svalbard ........................................................................................... 141
Fig. 43a : situation La Niña sur le Pacifique ; ....................................................................................................... 142
Fig. 43b : situation El Niño sur le Pacifique ......................................................................................................... 142
Fig.45a : Corrélation négative entre variation du SOI et variation de température .................................................. 143
Fig. 43c : Coupe W-E de l’océan Pacifique: .............................................................................................................. 143
Fig. 44 : Variations saisonnières de la ITCZ .............................................................................................................. 143
Fig. 45b : Pont atmosphérique ENSO ........................................................................................................................ 143
Fig. 46a-1 : Cartographie de la SST........................................................................................................................... 144
Fig. 46a-2 : Variation de l’index PDO ....................................................................................................................... 144
Fig. 47 : « mixed layer » ............................................................................................................................................. 144
Fig. 48a-2 : Impacts des deux phases de la NAO ....................................................................................................... 145
a-2 : (from Martin Visbeck, Lamont-Doherty Earth Observatory). ............................................................................ 145
Fig. 48a-3 : déplacement du jet stream avec la NAO, ................................................................................................ 145
Fig. 46b 1-2 : Index PDO ........................................................................................................................................... 145
Fig. 48a-1: Structure spatiale de la NAO d'hiver. ...................................................................................................... 145
Fig. 48b : valeurs annuelles de l'indice NAO depuis 1830 ;....................................................................................... 146
Fig. 48c : l'AO et la NAO, 2 façons de décrire le même phénomène .......................................................................... 147
Fig. 48 d: L’anomalie du dipôle Arctique en été ........................................................................................................ 147
Fig. 49a : Evolution temporelle de l'index AMO Atlantic multidecadal oscillation (AMO) depuis 1860................... 148
Fig. 49b : comparaison de l'AMO avec la pluviométrie de la Floride depuis 1900 .................................................. 148
Fig. 49c : comparaison de l'AMO avec l'énergie dissipée par les cyclones en Atlantique, depuis 1860 .................. 148
Fig. 50a: Circulation océanique Nord Atlantique ...................................................................................................... 149
Fig. 50b: Circulation océanique Arctique ; ................................................................................................................ 149
Fig. 51b : schéma simplifié de la MOC Meridional Overturning Circulation ........................................................... 150
Fig. 51a : répartition des masses d’eau dans l’Atlantique, coupe NS ........................................................................ 150
Fig. 50c: Plongement des eaux froide le long de l’Islande ......................................................................................... 150
Fig. 52b : Ouverture de passage de Drake entre 43 et 10 Ma et modifications du climat. ........................................ 151
Fig. 53 : Divergence Antarctique ; ............................................................................................................................. 151
Fig. 52a : Ouverture du passage de Drake entre 43 et 10 Ma ................................................................................... 151
Fig. 54 : Le convoyeur à bande .................................................................................................................................. 152
Fig. 55a : Variation moyenne altimétrique du niveau marin pour la période 1993-1998 ;........................................ 153
Fig. 55 b: Variation du niveau marin, attribuée à la seule dilation thermique pour 1993-1998 ; ............................ 153
Fig. 55 c: idem pour la période 1955-1996 , .............................................................................................................. 153
Fig. 56 : Variation de l’anomalie du contenu thermique des océans, 1021 joules, de 1993 à 2013. ........................... 153
Fig. 57a : Evolution du taux annuel d’élévation du niveau marin depuis 1905, ........................................................ 154
Tableau 4 composition du soleil ................................................................................................................................. 154
Fig. 57b : Variation du niveau marin autour de la moyenne ...................................................................................... 154
Fig. 58 : abondances relatives des gaz atmosphériques par rapport au Soleil .......................................................... 155
Fig. 59 : évolution des compositions dans le manteau en 129I, 129Xe et 130Xe.............................................................. 156
Fig. 61: Diagramme 40Ar/36Ar versus 87Sr/ 86Sr .......................................................................................................... 157
Fig. 60 : évolution des compositions en argon dans le manteau ................................................................................ 157
Fig. 63 : réseau hydrographique de type désertique sur Mars ................................................................................... 158
Fig. 62: Panache d'3He provenant des sources thermo-minérales, au droit de la ride Est-Pacifique. ....................... 158
Fig. 64: diagramme de phases de H2O ; .................................................................................................................... 159
Tableau 5 : Rapports isotopiques des atmosphères .................................................................................................... 160
Fig. 65 : stromatolithes actuelles................................................................................................................................ 162
Fig. 66: Banded Iron formation .................................................................................................................................. 163
Fig. 67 : évolution de la composition de l'atmosphère ............................................................................................... 163
Fig. 69 : La faune d’Ediacara..................................................................................................................................... 164
Fig. 68 : Fossile de Franceville ................................................................................................................................. 164
Fig. 70: Faune tommotienne: ..................................................................................................................................... 165
Fig. 71 : cône de diversité croissante ......................................................................................................................... 165
Fig. 72: datation des premières faunes fossiles. ........................................................................................................ 166
Fig 74: schéma de ....................................................................................................................................................... 168
Décimation - diversification ........................................................................................................................................ 168
Fig. 73 : La vie est Belle, taxons connus de nos jours : .............................................................................................. 168
Fig. 75a : Evolution du nombre des familles denombrées en paléontologie, ............................................................. 170
Fig. 75b : Extinctions (familles et genres) depuis le Permien. ................................................................................... 170
Fig. 76 : CO2,CH4 et T°C calculées depuis 400 000 ans ............................................................................................ 172
- 194 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Tableau 6 : périodes glaciaires du Quaternaire ......................................................................................................... 172
Tableau 7 : .................................................................................................................................................................. 172
Fig 77a : Excentricité .................................................................................................................................................. 172
Fig 77c : Précession .................................................................................................................................................... 173
Fig. 77d : Insolation entre 60 et 70° de latitude Nord au mois de juillet .................................................................... 173
Fig. 77e : glaciaire / interglaciaire ............................................................................................................................. 173
Fig. 78b : détail de l’évènement YD (Dryas récent) :.................................................................................................. 174
Fig. 79 : Section polie de la stalagmite Vil-stm9 autour de l'événement D/O20. ........................................................ 175
Fig. 80 : évolution des banquises Nord et sud de 1979 à 2012; Anomalie Antarctique vs Arctique ........................... 175
Fig. 81 : quelques paramètres connus à l’échelle planétaire pour les derniers 600 Ma environ ............................... 176
PLAN du POLY
AVERTISSEMENT AU LECTEUR
Prologue
CHAPITRE 1
A - La conduction
B - La Convection
C - L’advection
D - Les bilans énergétiques internes
1 - Les sources de chaleur de la Terre
2 - L’état thermique de la Terre
3 - L’allure du géotherme terrestre
Sites WEB consultés
CHAPITRE 2
A – Classification des météorites
1 - Les aérolites : chondrites-achondrites
a - Les chondrites :
b - Les achondrites :
2 - Les sidérites, ou Fers
a - Les hexaédrites
b - Les octaédrites,
c - Les ataxites
3 - Les sidérolithes
a - Pallasites :
b - Mésosiderites :
c - Lodranites :
B - Composition chimique des météorites
1 - Aperçu de la composition du Soleil
2 - Météorites et composition solaire
C - Les météorites différenciées et le fractionnement chimique dans le système solaire
1 - Relation de Titius et ceinture d’astéroïdes
2 - le fractionnement des éléments chimiques des corps massifs et les météorites différenciées
3 - le fractionnement isotopique des espèces chimiques
a- Le fractionnement d’équilibre chimique
b- Le fractionnement d’équilibre physique
c- Le fractionnement cinétique de transport
d- Le fractionnement cinétique de réaction
D - Les chondrites, météorites non différenciées
1 - Objets très précoces
2 - Produits de la condensation de la nébuleuse
3 - Vers une contribution de plusieurs étoiles à la chimie de notre Soleil ?
4 - Schéma de production des chondrites
E - Les comètes, second type d’objets primitifs, encore plus froids
1 - Des petites boules de neige sale
2 - La chevelure des comètes
3 - Les comètes et l’eau terrestre
4 - Les météorites ultracarbonées (UCAMM)
Sites WEB consultés
Quelques idées fortes
CHAPITRE 3
- 195 -
1
3
11
11
12
14
14
15
17
18
20
21
22
22
22
25
25
26
26
26
27
28
28
28
28
28
29
29
30
31
33
33
34
34
34
35
35
37
40
42
42
42
43
44
44
45
46
47
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
A - Gravimétrie et Géodésie
47
1 - Cavendish a mesuré la constante G, en 1798 à Paris.
47
2 - La mesure de la pesanteur
48
3 - Isostasie : comportement hydrostatique de la lithosphère
49
4 - Géodésie satellitaire
50
B - La séismicité
51
1 - Les ondes émises par un ébranlement
51
a - ondes de volumes
52
b - ondes de surface
52
2 - Distribution des séismes
53
3 - La propagation des ondes
54
a - Rebroussement des ondes de volume
54
b - La fonction temps –distance des ondes de volume
54
c – Le chant de la Terre : oscillations propres
55
d – Magnitude et Intensité d’un séisme
56
4 - Hétérogénéités terrestres : le modèle PREM
57
a - La Croûte Terrestre.
58
b - manteau supérieur
59
c - manteau inférieur
60
d - Le Noyau
61
C - Le magnétisme
61
1 - le champ magnétique terrestre,
61
2 - Le champ déformé de la magnétosphère
62
3 - Le champ terrestre est actif
63
4 - Un champ magnétique auto-entretenu
64
Sites WEB consultés
67
Quelques idées fortes
68
CHAPITRE 4
69
A - Le Noyau Terrestre
69
1 - Le noyau liquide
69
2 - La graine solide
70
3 - Les inversions du champ terrestre
72
B - Le couplage Noyau-Manteau-Atmosphère et la couche D"
73
1 - Nature de la couche D"
73
2 - Couche D", accumulateur de chaleur
74
C - Le Manteau Terrestre
75
1 - Minéralogie du manteau
76
2 - Fusion partielle du manteau
77
a - Le manteau en quelques paramètres intensifs
77
b - Le manteau : 2 paramètres externes, P & T, et La fusion partielle du Manteau
77
3 - La tomographie sismique du manteau supérieur
78
a - Zones d’accrétion
79
b - Zones de subduction
79
4 - La tomographie sismique du manteau inférieur
80
5 - Vers une convection à 1 ou 2 couches ?
81
D - La valse à trois temps, l’Hadéen, l’Archéen, et les Temps Modernes
83
1 - L’Hadéen, une naissance tourmentée
83
a - Scénario d’une accrétion à froid en moins de 10 Ma ?
83
b - Un vernis météoritique et cométaire tardif pour la Terre
84
c - Mise en place du système solaire
85
d - Terre-Lune, le couple infernal
86
2 – L’Archéen, une convection mantellique rapide et des komatiites, chaleur oblige…
87
3 - Le début des temps modernes vers 2 Ga.
87
E - La croûte terrestre et la lithosphère, interaction entre manteau et atmosphère
88
1 - Croûte et lithosphère continentale, une mémoire longue, mais effaçable
88
a - Des blocs ceinturés
89
b - Une hétérogénéité verticale et horizontale
90
2 – Croûte et lithosphère océanique Une mémoire courte de 200 Ma.
90
a - La lithosphère océanique est issue de la fusion du manteau dans les zones d'accrétion
90
b - La lithosphère plongeante provoque la fusion du manteau dans les zones de subduction et fabrique de la
croûte continentale
93
3 - Le fractionnement magmatique
94
a - Le processus de fractionnement (cf. TP Axe GP)
94
b - Depuis quand le fractionnement de la croûte continentale à partir du manteau supérieur fonctionne-t-il? 95
Sites WEB consultés
97
- 196 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Quelques idées fortes
98
CHAPITRE 5
99
A - Composition de L’atmosphère Terrestre actuelle
99
B - Structure thermique et chimique verticale de l'atmosphère
100
1 - La Troposphère
101
a - Troposphère et phénomènes climatiques
101
b - Troposphère, siège de l’effet de serre
101
c – Réchauffement climatique ou « global warming ».
105
1) GES majeur : le Dioxyde de Carbone
110
2) Le Méthane
113
3) Le Protoxyde d’Azote et le Dioxyde de Soufre
115
4) Impact des GES sur la T° globale
115
5) Le rôle des radiations solaires.
125
2 - La stratosphère et la protection contre les UV solaires
128
a - Cycle de Chapman
128
b - Quatre types de réactions rendent l'ozone formé instable:
128
c – Impact des SAO
130
3 - La mésosphère
131
4 - La thermosphère
131
C - Stratification électromagnétique de l'atmosphère :
132
1 - La neutrosphère et l’ionosphère
132
2 - La magnétosphère
132
D - Circulation de l'atmosphère
133
1 - Force de Coriolis
133
2 - Cellule de Hadley, ITCZ et cyclones
134
3 - Cellule de Ferrel, vents géostrophiques et Cellule polaire
135
E - Circulation océanique
136
1 - Coriolis : Transport d’Ekman et courants Géostrophiques
136
2 - la circulation thermohaline
137
a - Température et thermocline.
137
b - Salinité et halocline
138
3 - Rôle de la topographie et de la latitude.
139
a - Gyres océaniques
140
b – Westerlies ou Quarantièmes et les cinquantièmes
141
c - « Upwellings »
141
4 - Les couplages océan-atmosphère.
142
a- El Niño / Southern Oscillation system (ENSO) Couplage Océan-atmosphère,
142
b - PDO / Pacific Decadal Oscillation, Couplage Océan-Atmosphère
144
c – NAO (North Atlantic Oscillation) ou AO (Arctic Oscillation), un même couplage Océan-Atmosphère en
hiver 145
d – DA (Anomalie du Dipôle Arctique) en été
147
e - AMO (Atlantic Multidecadal Oscillation)
147
f – AMO-NAO versus volcanisme, vers une autre controverse ?
148
5 - Le modèle du Tapis Roulant
149
6 – Eustatisme = Variations du niveau marin
152
F - Histoire de l'atmosphère
154
1 - L'atmosphère primaire de la Terre : héritage des gaz piégés lors de l’accrétion
154
2 - L'atmosphère secondaire de la Terre : fille des volcans
155
a - le dégazage du manteau terrestre a-t-il été précoce ou tardif?
156
b - Le dégazage du manteau terrestre a-t-il été Instantané ou lent? Unique ou multiple? Total ou partiel? 157
3 - L'atmosphère tertiaire de la Terre : le sceau de la vie ?
158
a – La précipitation de l’océan sur Terre
159
b – La précipitation de l’océan sur Mars ?
159
c - L’apparition de la vie et l’apparition des conditions oxydantes
161
d - L’explosion de la diversité, un scénario très mal documenté
165
4 –L’ultime évolution de l’atmosphère-biosphère et Le sceau de l’homme
170
a - Le décryptage des archives glaciaires
171
b - Les changements cycliques du climat
172
c - Les oscillations rapides du climat
173
Sites WEB consultés
177
Quelques idées fortes
179
Epilogue
180
Ouvrages consultés et données exploitées
182
Mesures CO2 Mona Loa (Annexe 1)
182
- 197 -
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
24/10/13
Moyennes mensuelles des anomalies de la température globale (écart à la moyenne 1900-2001, Annexe 2)
Ouvrages consultés
Figures et tableaux
PLAN du POLY
- 198 -
182
186
190
195
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
- 199 -
24/10/13
ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N
- 200 -
24/10/13