Théorie astronomique des paléoclimats 1769576 31341668 2008-07-06T10:23:09Z Phe 3086 lien Société géologique de France {{sommaire à droite}} La '''théorie astronomique des paléoclimats''' est un modèle utilisé en [[sciences de la Terre]] pour expliquer le caractère [[Cycle|cyclique]] des variations générales du [[Paléoclimat|climat]] au cours des [[Échelle des temps géologiques|temps géologiques]]. Cette théorie explique que l'[[Ensoleillement|énergie radiative]] reçue par la Terre en provenance de l'espace — essentiellement par le [[Soleil]] — est quantitativement affectée de variations à long terme, corrélées à celles de son [[orbite]] et de ses paramètres de rotation. Ces variations sont en outre [[périodique]]s et influencent le climat selon un motif cyclique (alternance de [[Glaciation|périodes glaciaires et interglaciaires]], notamment). Il est possible d'en retrouver une trace dans les [[Roche sédimentaire|roches sédimentaires]]. La théorie astronomique des paléoclimats est l'explication classique des phénomènes de (dé)[[glaciation]] au [[Quaternaire]], mais trouve également des applications pour des périodes plus anciennes de l'échelle des temps géologiques. == Éléments généraux — Cas de la Terre == {{Loupe|contenu=L'article consacré à la [[cyclostratigraphie]] approfondit les notions présentées dans cette section.}} Le climat terrestre est largement influencé par l'intensité de l'[[Ensoleillement|insolation]] en provenance de l'[[espace (cosmologie)|espace]], intensité mesurée comme un [[flux]] énergétique (<math>W.m^{-2}</math>). Pour l'homme, qui réside sur Terre, l'insolation connaît des variations en fonction des [[saison]]s (cycles annuels, entre [[été]] et [[hiver]]), mais aussi en fonction de la [[latitude]] ([[gradient]] de température des [[pôle]]s à l'[[Équateur (ligne équinoxiale)|équateur]]). La théorie ''astronomique'' des paléoclimats stipule qu'il existe un '''forçage astronomique''' de ces variations sur le très long terme<ref>Par « très long terme », on fait référence à l'échelle humaine : les durées en jeux sont de l'ordre de la dizaine à la centaine de milliers d'année.</ref>, en raison d'évolutions cycliques ou quasi-cycliques de la configuration des corps célestes — les objets concernés étant principalement le Soleil, la Terre et les planètes géantes.<ref name="berger">André Berger et Marie-France Loutre, ''Théorie astronomique des paléoclimats'', C. R. Geosci., 2004, vol. 336:701–709.</ref> Les principaux paramètres influençant l'insolation de la Terre et responsables de ce forçage du climat sont : * l'[[excentricité]] de l'orbite terrestre ; * l'[[Obliquité|inclinaison de l'axe de rotation]] de la planète ; * la [[précession]] climatique. Ces paramètres connaissent des évolutions à caractère périodique : on parle de [[cycles de Milankovitch]]. À une configuration astronomique donnée correspond un niveau d'insolation donné, c'est-à-dire un flux énergétique<ref>Le flux énergétique moyen actuel au sommet de l'atmosphère est d'environ 342 W.m<sup>-2</sup>, à comparer aux 62 millions W.m<sup>-2</sup> à la surface du Soleil. L'énorme facteur de différence s'explique par l'atténuation géométrique de l'énergie émise par l'étoile au cours de son trajet (la distance Terre-Soleil ''moyenne'' est de 149 600 000 km).</ref> dont la valeur est modifiée par des [[rétroaction]]s, positives ou négatives, prenant place à l'intérieur du système climatique terrestre (en particulier, du fait des interactions entre [[Atmosphère (Terre)|atmosphère]] et [[hydrosphère]] : [[albédo]] terrestre, action des [[gaz à effet de serre]], absorption par les [[nuage]]s, réflection par la [[végétation]], etc.)<ref name="berger" /> Ces rétroactions sont à l'origine de tendances climatiques (au refroidissement ou au réchauffement) dont le signal est notamment enregistré dans les [[sédiment]]s, au travers d'indicateurs climatiques. De ce fait, la théorie du forçage astronomique des paléoclimats est à la base de la [[cyclostratigraphie]] et intervient également en [[climatologie]]. Initialement développée pour apporter une réponse quantitative aux problèmes des [[Glaciation|alternances glaciaires-interglaciaires]] au [[Quaternaire]], elle tend à être généralisée pour les temps plus anciens néanmoins accessibles à travers un enregistrement stratigraphique complet, ''i.e''. jusqu'à la limite avec le [[Précambrien]].<ref name="foucault">Alain Foucault, ''L’enregistrement sédimentaire des cycles orbitaux, méthodes d’étude, résultats et perspectives'', Bulletin de la [[Société géologique de France]], 1992, vol. 163:325–335.</ref> Les difficultés rencontrées sont de plusieurs types : l'absence de séries sédimentaires sur lesquelles travailler ; la nécessité de dissocier ce qui est de l'ordre du forçage astronomique, des rétroactions, et ce dans des contextes climatiques différents de l'actuel ([[Atmosphère (Terre)|atmosphère]] réductrice, etc. donc rétroactions éventuelles différentes) ; l'imprécision et l'incertitude sur les valeurs des périodes des paramètres de Milankovitch au-delà de quelques dizaines de millions d'années (évolution chaotique du [[système solaire]]<ref>À ce sujet, voir [[Formation et évolution du système solaire]], [[Problème à N corps]] et [[Théorie du chaos]].</ref>). Il n'y a de fait pas de consensus sur l'application de la théorie astronomique des paléoclimats au-delà d'une limite qui correspond ''grosso modo'' au [[Tertiaire (géologie)|Tertiaire]]. Il est possible que pour les temps plus anciens, le climat ait été paramétré à la fois par un contrôle orbital (l'insolation a toujours varié puisque les planètes et le Soleil ont toujours été mobiles en termes relatifs et absolus), mais aussi par la [[tectonique]] (répartition des masses continentales, des courants océaniques...). En accord avec la théorie d'un forçage astronomique du climat, des modèles climatiques sont proposés afin d'étudier les interactions entre ce forçage et les rétroactions. Contrairement aux premières hypothèses, l'évolution climatique sous contrôle orbital n'est pas progressive, mais connaît des phases de transition plus ou moins abrupte. L'interaction de différents mécanismes régulateurs ou amplificateurs semblent engendrer un comportement de « seuils. » À ces premiers éléments de complexité s'ajoutent la multiplication des facteurs à prendre en compte pour affiner les modèles, de petites variations pouvant résulter en de grandes variations à ne pas négliger, du fait des rétroactions. == Éléments historiques == [[Image:Milankovitch Variations.png|thumb|350px|Variations à long terme sur le dernier million d'année de l'[[excentricité]], de la [[précession]] climatique, de l'[[obliquité]] et de l'[[insolation]] à 65°N au [[solstice]] d'été, en <math>W.m^{-2}</math>. Milankovitch établit une telle courbe d'insolation en 1941 et relança l'hypothèse d'un forçage astronomique du climat.]] Comme de nombreux paradigmes des sciences de la Terre, la théorie astronomique des paléoclimats a d'abord soulevé une vive opposition. Les considérations sur un forçage du climat par des déterminants orbitaux ont été synthétisées lorsqu'une nouvelle discipline de la [[stratigraphie]], la ''cyclo''stratigraphie, s'est organisée autour de méthodes analytiques adaptées à ce genre de problème. Dans la seconde moitié du {{XIXe siècle}}, puis dans la première du {{XXe siècle}}, l'étude de l'alternance entre [[Glaciation|périodes glaciaires et interglaciaires]] dans les temps [[Quaternaire|quaternaires]] conduit à considérer le [[climat]] général de la [[Terre]] comme son déterminant principal. L'idée que le climat terrestre puisse lui-même être influencé à son tour par des paramètres astronomiques cycliques a toutefois mis longtemps à s'imposer, car cette idée n'allait pas de soi. Pourtant, le « forçage astronomique » est une hypothèse proposée dès le milieu du {{XIXe siècle}} par [[James Croll]] : le climatologue écossais établit une corrélation entre [[excentricité]], [[précession]], [[obliquité]] et [[climat]] au moyen d'un phénomène de [[Rétroaction|rétroaction positive]].<ref name="berger">André Berger et Marie-France Loutre, ''Théorie astronomique des paléoclimats'', C. R. Geosci., 2004, vol. 336:701–709.</ref> Elle concerne essentiellement l'efficacité de l'[[albédo]] : lorsque la quantité d'énergie reçue par les hautes latitudes nord diminue ''en hiver'', le développement de l'[[inlandsis]] favorise la réflection énergétique. De ce fait, le climat général se refroidit, ce qui maintient une dynamique glaciaire positive et une tendance à la glaciation. Pour autant, le grand rôle attribué à la précession devait faire échouer cette théorie, car il fut impossible de la faire concorder avec les faits : les périodes de glaciation auraient été trop longues et asynchrones entre les deux [[hémisphère]]s. En 1895, Gilbert attribue à la [[précession]] climatique les alternances marno-calcaires de ''Green River'' ([[Colorado]], USA) du [[Crétacé]] supérieur, mais ne rencontre pas plus de succès académique.<ref name="foucault">Alain Foucault, ''L’enregistrement sédimentaire des cycles orbitaux, méthodes d’étude, résultats et perspectives'', Bulletin de la Société géologique de France, 1992, vol. 163:325–335.</ref> Par le rejet de la théorie de Croll, c'est aussi l'idée d'un forçage climatique sur les séries sédimentaires qui est abandonnée. C'est seulement dans les [[années 1940]] qu'un modèle climatique ''complet'', faisant intervenir des paramètres astronomiques, est à nouveau proposé. Il est l'œuvre du géophysicien serbe [[Milutin Milankovitch]], qui s'appuie sur les idées de Brückner, Köppen et Wegener.<ref name="berger" /> Si le principe reste le même, contrairement au modèle de Croll, ce sont les ''étés'' qui jouent le rôle prédominant : frais, ils favorisent l'accumulation annuelle de neige aux latitudes nord.<ref name="milankovitch">[[Milutin Milankovitch]], ''Kanon der Erdbestrahlung und seine Anwendung auf das Eisenzeitenproblem'', traduction anglaise par ''Israël Program for the U.S. Department of Commerce and the National Science Foundation'', 1941 [1969], Académie Royale serbe, vol. 33:633.</ref> Il y a donc une rétroaction ''différée''. Milankovitch réalise notamment le calcul d'une courbe d'insolation estivale, mais des lacunes dans les modèles astronomiques et l'imprécision de l'[[échelle des temps géologiques]] ne permettent pas alors de confirmer ou d'infirmer ses résultats de façon précise. Afin de mettre en évidence les interactions entre périodicités orbitales, variations climatiques et cyclicités dans les dépôts sédimentaires — les trois paramètres essentiels en cyclostratigraphie — un ''signal'' devait être dégagé de la [[lithologie]] étudiée. De plus, ce signal devait pouvoir donner accès à une résolution importante en temps, faute de quoi les cycles climatiques ne pourraient être mis en évidence. La cyclostratigraphie repose de fait sur l'échantillonnage d'''indicateurs paléoclimatiques'' dits « de haute résolution » : le premier objectif expérimental consiste en la vérification d'une corrélation précise et généralisée entre des cycles astronomiques connus, dits « de Milankovitch », et les éventuels cycles observés dans les enregistrements sédimentaires. L'examen de cette corrélation se réalise au moyen de techniques diverses (détection physique par sondes et/ou analyse [[Géochimie|géochimiques]] précises, puis traitement des données par [[analyse spectrale]]). On comprend alors pourquoi l'idée d'un forçage astronomique du climat fut d'abord rejetée pour être finalement acceptée plus d'un siècle plus tard, dans les [[années 1970]], lorsque les techniques et les modèles nécessaires étaient disponibles. == Ailleurs que sur Terre == Les [[cycles de Milankovitch]] s'appliquant aux autres planètes du [[système solaire]], la possibilité d'un forçage astronomique du climat n'est pas à écarter. Plusieurs difficultés majeures sont toutefois à surmonter : * il faut déterminer des solutions astrophysiques aux paramètres de Milankovitch en tenant compte de l'évolution chaotique des orbites ; * il faut collecter des données permettant d'utiliser un indicateur quelconque, afin de pouvoir vérifier l'existence d'une corrélation entre cycles et climat ; * il faut construire un modèle climatique général pour examiner la validité des éventuels résultats. === Mars === Parmi les planètes proches étudiées, [[Mars (planète)|Mars]] est celle ayant reçu le plus d'attention à ce jour.<ref>J. Laskar, A. Correia, M. Gastineau, F. Joutel, B. Levrard, P. Robutel, ''Long term evolution and chaotic diffusion of the insolation quantities of Mars'', Icarus, vol. 170:343-364, 2004</ref> L'[[Ensoleillement|insolation]] martienne est tributaire des mêmes paramètres que sur Terre, mais les périodes et perturbations en jeux sont largement différents. L'[[obliquité]] moyenne martienne est très comparable à celle de la Terre : 25,2° et 23,3° respectivement.<ref>[[NASA]], ''[http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/marsfact.html Mars Fact Sheet]'' d'avril 2007</ref> Toutefois, ces valeurs proches ne résultent pas de la même dynamique. Sur Terre, le couple Lune-Terre maintient l'obliquité dans une fourchette de valeurs restreinte, avec une amplitude d'un degré et demi seulement. L'obliquité martienne connaît par contre une évolution [[Théorie du chaos|chaotique]] et n'est par conséquent calculable avec une marge d'erreur acceptable que pour quelques millions d'années seulement dans le passé. Parmi les facteurs influençant l'obliquité figure la variation de l'inclinaison du plan orbital de Mars (le plan orbital terrestre, ou « [[plan de l'écliptique]] », connaît également des variations angulaires). Il s'avère que la gamme de valeurs prises par l'obliquité et la [[précession]] martiennes aboutit à des phases de [[résonance orbitale]], pendant lesquelles la valeur de la précession climatique est égale à la vitesse d'évolution angulaire du plan de l'orbite. Ces phases amplifient les variations de l'obliquité, ce qui aboutit à son évolution chaotique par « saut » de valeurs. De ce fait, Mars connaît plusieurs régimes orbitaux (excentricité forte et faible avec transition rapide), une situation originale par rapport à la Terre, relativement stabilisée. Dans ces conditions, quel modèle de forçage climatique éventuel peut être proposé pour Mars ? La mission ''Mars Surveyor 98'' de la [[NASA]] a donné accès à des données géologiques minimales sur la calotte glaciaire au pôle sud. Les photographies montrent, aux abords de crevasses, des empilements stratifiés interprétés comme l'étagement de dépôts successifs de glace. En utilisant la méthodologie développée en [[cyclostratigraphie]], des résultats ont été obtenus, à condition de postuler l'existence effective d'un forçage climatique — sans quoi il était évidemment illusoire d'espérer mettre à jour une corrélation entre climat et cycles de Milankovitch martiens. Les indicateurs utilisés étaient la luminosité des strates et leur altimétrie. Les biais, classiques mais importants, étaient la constance du taux d'accumulation, l'absence de [[hiatus]] d'érosion et de non dépôt, etc. L'analyse spectrale des données ainsi échantillonnées établit une bonne corrélation pour l'obliquité et la précession climatique, avec un taux moyen d'accumulation de la glace égal à environ 0,5 mm par an.<ref>B. Levrard, F. Forget, F. Montmessin, J. Laskar, ''Recent ice-rich deposits formed at high latitude on Mars by sublimation of unstable equatorial ice during low obliquity'', Nature, 2004</ref> Cette corrélation est donc l'indice de l'existence ''effective'' d'un forçage astronomique du climat marsien, pour les quelques dizaines de millions d'années passées. Des recherches plus poussées, assistées d'un modèle climatique général relativement simplificateur, montrent l'existence probable de tendances climatiques de long terme : en régime de forte obliquité, la glace s'accumule dans quelques régions équatoriales isolées ; en régime de faible obliquité, ces calottes fondent et la glace s'accumule aux hautes latitudes sud et nord, de façon généralisée. On retrouve alors une dynamique pseudo-[[Glaciation|glaciaire-interglaciaire]] par analogie à la Terre. En fait, ces phases sont plus marquées sur Mars et pourraient expliquer pourquoi d'immenses étendues du sous-sol martien aux hautes latitudes est constitué d'un mélange de glace et de [[régolithe]] dans des proportions étonnantes. Globalement, ces résultats, bien qu'imprécis et tributaires de postulats forts, sont compatibles avec les données et hypothèses géologiques et chimiques issues des missions spatiales successives. == Prévisions de long terme == En utilisant des modèles climatiques généraux développés dans le cadre de la théorie astronomique des paléoclimats, des prévisions deviennent possibles. Il s'agit essentiellement de dégager des tendances, sans viser trop de précision. En utilisant les projections dans le futur pour les [[paramètres de Milankovitch]], différents scénarios ont été testés en faisant varier des paramètres, à commencer par la concentration atmosphérique en {{formule chimique|C||O|2}}. « [...] seule une concentration actuelle de 220 ppmv<ref>« ppmv » pour ''partie par million par volume'' (en mètre cube), 1 ppmv représentant une fraction volumique de l'atmosphère.</ref> ou moins permet une entrée en glaciation [dans les 100 000 ans à venir], une hypothèse pour le moins irréaliste au vu de la situation présente et des prévisions pour le futur. »<ref>André Berger, Marie-France Loutre, ''De la théorie astronomique au réchauffement global'', Conférence [[Université catholique de Louvain (Louvain-la-Neuve)|UCL]], in ''L'Homme face au Climat'', E. Bard ed., Paris, [[Collège de France]], Éditions [[Odile Jacob]], 15-33, 2006 — [http://www.terreentiere.com/MEDIAS/pdf/croisieres/De_la_theorie_astronomique_au_rechauffement_global_Berger_Loutre.pdf Lire en ligne] {{pdf}}</ref> Les enregistrements passés indiquent que les plus longues glaciations correspondent à des phases de conjonction entre une [[excentricité]] nulle et un taux en {{formule chimique|C||O|2}} relativement bas. D'ici 20 000 ans, l'orbite terrestre se rapprochera d'un cercle, mais les projections actuelles sur les concentrations en {{formule chimique|C||O|2}} ne sont guère favorables à une interruption de l'interglaciaire dans lequel nous vivons, l'[[Holocène]]. Les applications de la théorie astronomique des paléoclimats s'orientent ainsi vers la construction de modèles ''quantitatifs'', permettant de reproduire et de contraindre les [[paléoclimat]]s alternatifs au climat actuel, de façon à pouvoir anticiper en retour des climats futurs également différents. == Notes et références == {{références}} == Voir aussi == === Articles connexes === * [[Paléoclimat]] * [[Cycles de Milankovitch]] * [[Cyclostratigraphie]] * [[Climatologie]] === Liens externes === * {{en}} [http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/forcing.html Données sur le forçage climatique terrestre] ([[National Oceanic and Atmospheric Administration|NOAA]]) {{Portail|sciences de la Terre et de l'Univers|astronomie}} [[Catégorie:Astrophysique]] [[Catégorie:Climatologie]] [[Catégorie:Stratigraphie]]