Reflets de la Physique n°55 oct/nov/déc 2017
Reflets de la Physique n°55 oct/nov/déc 2017
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°55 de oct/nov/déc 2017

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 4,8 Mo

  • Dans ce numéro : une brève histoire du climat de la Terre.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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 » > Ce résultat a été simulé à l’aide de modèles couplés climat-carbone grâce à la thèse de Yannick Donnadieu, en collaboration avec Yves Godderis et moi-même [4]. Les résultats en terme de température et de CO 2 atmosphérique sont illustrés sur la figure 5. Ainsi, si les cycles de Wilson sont nombreux, la configuration géographique de l’éclatement du Rodinia, qui se fait en zone équatoriale, constitue le contexte le plus favorable possible à l’érosion et in fine à l’effondrement du CO 2 atmosphérique, et précipite le basculement vers une glaciation globale. Paul Hoffman [5] a, pendant des années, documenté les deux grandes phases glaciaires du Néoprotérozoïque  : d’abord, la glaciation que l’on appelle « sturtienne » et qui intervient entre il y a 720 et 660 Ma, puis une seconde phase, la glaciation « marinoenne » (voir la figure de gauche, p.7), qui est beaucoup plus courte, entre 650 et 635 Ma. Le lien entre ces glaciations, la fin du Néoprotérozoïque qui s’ouvre sur l’explosion cambrienne (e) et l’évolution du taux d’oxygène dans l’atmosphère, est encore très mal compris. Le climat au tempo de la tectonique des plaques Quittons ces grandes oscillations climatiques pour nous intéresser au Phanérozoïque, période qui va de l’explosion cambrienne à nos jours (fig. 1b). Sur ces échelles de temps de la dizaine à la centaine de millions d’années, le facteur principal de modulation climatique est la tectonique des plaques. En effet, cette tectonique horizontale (dérive des continents) et verticale (orogénèse) va profondément modifier, à l’échelle de dizaines de millions d’années, les bassins océaniques et donc la circulation des masses d’eau, construire des montagnes qui vont modifier la circulation atmosphérique et le cycle hydrogéologique (mousson). Cette idée n’est pas nouvelle, Alfred Wegener et Wladimir Peter Köppen ont, peu après la publication de 1924 [6], pensé au fait que la dérive des continents allait changer aussi les climats des continents et leur végétation. Mais ils n’avaient pas perçu le fait que la tectonique des plaques joue non seulement un rôle direct sur le climat, mais également sur le cycle du carbone et sur le taux de CO 2 atmosphérique. En effet, si la plupart de la masse continentale 12 Reflets de la Physique n°55 se situe dans les tropiques, comme c’était le cas au Néoprotérozoïque, l’érosion silicatée joue à plein et le taux de CO 2 dans l’atmosphére diminue, car ce sont des zones de très fortes précipitations. Par contre, si cette masse se situe près du pôle où le cycle hydrologique est beaucoup plus ténu, il y a peu d’érosion silicatée et le CO 2 peut monter dans l’atmosphère. Cette régulation entre climat et tectonique ne produit, pendant le Phanérozoïque, que très peu de périodes glaciaires. La plupart des périodes géologiques du Primaire et du Secondaire sont chaudes avec de rares exceptions comme au Permo-Carbonifère, il y a 300 millions d’années, où la concomitance d’un continent en position polaire Sud et la relative faiblesse du taux de CO 2 conduisent à un englacement important qui dure quelques dizaines de millions d’années. Variation de température (°C) CO 2 atmosphérique (ppm) 12 8 4 0 1500 1000 500 0 Le Tertiaire (Cénozoïque), une grande descente vers le froid et l’effondrement de la teneur en CO 2 atmosphérique Au cours du Tertiaire, on assiste à une dégradation climatique associée à une baisse du CO 2 [7, 8] (fig. 6). La raison de cette baisse prolongée, de 1200ppm environ à l’Éocène jusqu’à 300ppm environ au début du Quaternaire, a été associée à l’augmentation de l’érosion silicatée due à la formation de l’Himalaya ou à l’enfouissement rapide du CO 2 dans la baie du Bengale [9]. Néanmoins, la cause de cet effondrement du CO 2 et sa quantification restent une énigme. Au cours de ce refroidissement, l’Antarctique de l’Est va s’englacer d’abord il y a 34 Ma, avec un taux de CO 2 de 750ppm environ. L’Antarctique est en position polaire depuis Calotte de glace antarctique Pal. Eocène Olig. Miocène Plio. 60 50 40 30 mi + 4 11, 9 Stomata Phytoplancton Palaeosols Liverworts Bore B/Ca Nahcolite-trona 20 10 0 Age (millions d’années avant aujourd’hui) 6. L’évolution climatique au cours des 60 derniers millions d’années, depuis le Paléocène jusqu’à l’ère préindustrielle. (a) Évolution des différences de température globale. (b) Évolution de la teneur en CO 2 atmosphérique. Ces reconstructions sont basées sur différents indicateurs paléoclimatiques (sigles de couleur). (D’après D.J. Beerling et D.L. Royer, Nature Geoscience 4 (2011) 418-420). a b
plus de 100 Ma, mais ce n’est que lorsque le Passage de Drake s’ouvre, séparant l’Antarctique de l’Amérique du Sud, et surtout lorsque la concentration de CO 2 aura suffisamment baissé, que la calotte s’installera. Ce n’est que beaucoup plus tard que l’englacement du Groenland s’effectue pour des valeurs bien plus basses de CO 2, 300ppm environ, il y a 2,7 Ma. Le Groenland, contrairement à l’Antarctique, n’est ni isolé par un courant circumpolaire ni en position polaire. Il faut donc que le CO 2 baisse beaucoup plus que pour l’Antarctique pour franchir le seuil radiatif de l’englacement. On peut, à l’aide de modèles, simuler la croissance de ces calottes de glace qui, une fois formées, sont relativement stables. Quoi qu’il en soit, à l’issue du Tertiaire, il y a 2 Ma, la teneur en CO 2 s’est effondrée et le Quaternaire s’ouvre sur un monde très froid à l’échelle géologique. Le Quaternaire Depuis l’englacement du Groenland, il y a 2,7 millions d’années, le climat du Quaternaire s’est encore refroidi et de grandes calottes de glace se sont développées périodiquement sur le nord du continent américain et sur le nord de l’Europe. Ces alternances ne sont pas pilotées par la tectonique des plaques, mais par ce que l’on appelle les paramètres orbitaux qui modifient, à des échelles de 10 000 à 100 000 ans, la quantité d’énergie saisonnière reçue au sommet de l’atmosphère. C’est Milutin Milankovitch [10] qui, pour CO 2 (ppmv) CH 4 (ppbv) 300 260 220 180 700 500 300 800 Dioxyde de carbone 700 600 Température Méthane 500 400 la première fois, a élaboré une théorie permettant de relier ces variations glaciaires/interglaciaires aux changements des paramètres orbitaux de notre planète. Ceux-ci sont au nombre de trois. Ils varient périodiquement. Par ordre décroissant de fréquence, ce sont  : l’excentricité, c’est-à-dire le caractère plus ou moins elliptique de la trajectoire de notre planète autour du Soleil, qui varie avec des fréquences principales de 400 000 et 100 000 ans ; l’obliquité, qui est l’angle que fait l’axe des pôles avec le plan de l’Écliptique (plan dans lequel la Terre décrit sa trajectoire), variant avec une fréquence de 41 000 ans ; la précession des équinoxes, qui correspond au fait que l’axe de rotation de la Terre décrit un cône, avec une période d’environ 20 000 ans. La prise en compte des variations d’insolation induites par ces paramètres peut faire basculer d’un monde chaud à un monde froid. De plus, nous savons, grâce aux multiples forages marins, que le climat oscille depuis un million d’années environ, entre des phases glaciaires longues (environ 100 000 ans) et des phases interglaciaires courtes (qui peuvent varier entre 10 000 et 40 000 ans pour les plus longues). Mais, chose plus extraordinaire encore, grâce aux bulles d’air piégées dans les carottes de glace extraites par les forages en Antarctique, nous connaissons avec précision le contenu de l’atmosphère depuis 800 000 ans [11]. Ainsi, ces alternances entre phases froides et chaudes sont associées respectivement à des 300 200 100 0 Age (milliers d’années avant aujourd’hui) 7. Reconstruction des températures et des teneurs en gaz à effet de serre issues des forages en Antarctique (de gauche à droite, du passé vers le présent, en milliers d’années avant 1950). 4 0 -4 -8 -12 Anomalie de température en Antarctique (°C) Images de la physique bas niveaux (200ppm) ou à des hauts niveaux (280ppm) de CO 2 atmosphérique (fig. 7). Le monde glaciaire comporte quatre calottes (voir la figure en couverture de ce numéro)  : en plus du Groenland et de l’Antarctique, il y a une énorme calotte, la Laurentide, qui recouvre le nord de l’Amérique et le Canada, et une calotte plus petite, la Fennoscandienne, qui recouvre l’Europe du Nord. Ces deux calottes culminent à environ 3 km de hauteur et enfoncent sous leur poids le socle rocheux de près d’un kilomètre. Au dernier paroxysme glaciaire, il y a 21 000 ans, ces calottes avaient fait baisser le niveau marin d’environ 120 mètres, ce qui modifiait considérablement les contours des continents. En particulier, la Manche n’existait pas, nous pouvions aller à pied sec en Angleterre, ainsi que de l’Australie à la Nouvelle-Guinée. Si ces alternances se déroulent pendant tout le Quaternaire, la mieux connue est la dernière d’entre elles (d’il y a 135 000 ans à nos jours). C’est pendant cette période que l’Homo sapiens a conquis l’ensemble de la planète. L’homme a donc évolué dans un monde plutôt froid, avec un très bas niveau de CO 2 et la plupart du temps trois calottes de glace dans l’hémisphère nord et une dans l’hémisphère sud, ce qui est très rare à l’échelle géologique. C’est dans ce contexte que va s’effectuer une expérience fulgurante de remise massive de CO 2 dans le réservoir atmosphérique, par oxydation des combustibles fossiles. Le feu d’artifice anthropique Aujourd’hui, l’Homme fait parcourir au dioxyde de carbone le chemin inverse de celui du Tertiaire, que nous avons décrit plus haut, et cela non pas en 50 millions d’années, mais en deux siècles, en réinjectant massivement du CO 2 dans l’atmosphère (fig. 8). Or, comme nous l’avons vu dans le paragraphe précédent, ce feu d’artifice démarre dans un monde froid où, fait rare dans l’histoire géologique de la Terre, des calottes de glace existent à la surface du globe. Dans ces conditions, le problème de la stabilité des calottes antarctique et groenlandaise se pose. Peuvent-elles physiquement (radiativement) résister aux changements climatiques ? Ce problème est d’autant plus préoccupant qu’une remontée du niveau marin de quelques mètres suffirait à poser d’énormes problèmes sur une » > Reflets de la Physique n°55 13



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