Climats et atmosphères du passé
Terminale · SVT · Enjeux planétaires contemporains
Enjeux planétaires contemporains
Reconstituer les climats et les atmosphères du passé
Aucun thermomètre n'existait il y a 100 000 ans, et pourtant on connaît la température moyenne de la Terre à cette époque. Comment ? En lisant les archives naturelles : la glace, les sédiments, les fossiles, les arbres. Chacune enregistre, à sa manière, un signal du climat de son époque. Comprendre comment ces archives fonctionnent, c'est comprendre pourquoi on peut affirmer aujourd'hui que le réchauffement en cours est exceptionnel.
Les archives glaciaires : la seule mesure directe de l'atmosphère
Sur les calottes du Groenland et de l'Antarctique, la neige s'accumule chaque année sans jamais fondre. En se tassant, elle emprisonne des bulles d'air puis se transforme en glace. Un forage profond (carottage) traverse ainsi des couches de plus en plus anciennes : le forage EPICA au Dôme C, en Antarctique, remonte à environ 800 000 ans.
Cette archive fournit deux informations complémentaires :
1. La composition de l'atmosphère, mesurée directement dans les bulles d'air : CO2, méthane. C'est unique — aucune autre archive ne donne un échantillon réel de l'air ancien.
2. La température locale au moment de la chute de neige, déduite de la composition isotopique de l'eau de la glace (δ18O ou δD). Plus l'air est froid, plus les molécules d'eau lourdes ont précipité tôt sur le trajet, et plus la neige qui arrive au pôle est appauvrie en isotopes lourds.
Les archives sédimentaires marines : le volume des glaces
Au fond des océans, les sédiments accumulent les tests (coquilles calcaires) de foraminifères, des protistes planctoniques. Ces tests se construisent avec l'oxygène de l'eau de mer et en gardent la signature isotopique.
Le raisonnement tient en trois temps : l'évaporation océanique favorise la molécule d'eau légère (contenant l'oxygène 16) ; en période glaciaire, cette eau légère est stockée durablement dans les calottes au lieu de retourner à l'océan ; l'eau de mer restante s'enrichit donc en oxygène 18. Conclusion : un δ18O élevé dans les tests de foraminifères signale un gros volume de glace continentale, donc une période froide.
Les archives continentales
- Les grains de pollen conservés dans les tourbières et les lacs : chaque espèce végétale a des exigences climatiques connues, donc l'assemblage pollinique d'une couche renseigne sur la végétation, et par elle sur la température et la pluviométrie de l'époque (palynologie).
- Les cernes des arbres (dendrochronologie) : un cerne large traduit une année favorable. Cette archive est annuelle et très précise, mais ne remonte qu'à quelques milliers d'années.
- La densité des stomates des feuilles fossiles : elle varie en sens inverse de la teneur atmosphérique en CO2. Quand le CO2 est abondant, la plante prélève assez de carbone avec peu de stomates et limite ainsi ses pertes en eau.
- Les traces géomorphologiques : moraines, stries glaciaires, vallées en auge attestent de l'extension passée des glaciers.
- Les fossiles et les faciès sédimentaires : coraux, évaporites, charbons indiquent des milieux, donc des climats.
| Archive | Indicateur mesuré | Information obtenue | Portée temporelle |
|---|---|---|---|
| Carotte de glace | Gaz des bulles d'air (CO2, CH4) | Composition de l'atmosphère (mesure directe) | Jusqu'à environ 800 000 ans |
| Carotte de glace | δ18O ou δD de la glace | Température locale de l'air | Jusqu'à environ 800 000 ans |
| Sédiments marins | δ18O des tests de foraminifères | Volume des glaces continentales, température océanique | Plusieurs millions d'années |
| Tourbières, lacs | Assemblages de pollens | Végétation, donc température et humidité | Quelques centaines de milliers d'années |
| Troncs d'arbres | Largeur des cernes | Conditions de croissance annuelles | Quelques milliers d'années |
| Feuilles fossiles | Densité stomatique | Teneur atmosphérique en CO2 | Plusieurs dizaines de millions d'années |
Enjeux planétaires contemporains
Comprendre les variations climatiques, du million d'années à aujourd'hui
Le climat de la Terre n'a jamais été stable. Mais les causes de ses variations ne sont pas les mêmes selon l'échelle de temps considérée : à l'échelle du million d'années, c'est la tectonique et le cycle du carbone qui commandent ; à celle de la centaine de milliers d'années, ce sont les paramètres orbitaux ; depuis 1850, c'est l'activité humaine. Distinguer ces échelles est la clé du chapitre.
Échelle du million d'années : tectonique et cycle du carbone
À très long terme, la teneur atmosphérique en CO2 résulte d'un bilan entre des sources et des puits géologiques.
Sources : le dégazage volcanique, surtout au niveau des dorsales océaniques et des zones de subduction. Une activité tectonique intense (expansion océanique rapide) élève durablement le CO2.
Puits : l'altération chimique des roches silicatées continentales, qui consomme du CO2 atmosphérique et le transfère à l'océan sous forme d'ions hydrogénocarbonate, ensuite piégés dans les calcaires ; et l'enfouissement de matière organique non décomposée, qui soustrait du carbone au cycle rapide.
Le Crétacé (environ 100 Ma) illustre le premier cas : tectonique très active, CO2 élevé, climat chaud sans calotte polaire, océans hauts. Le Carbonifère (environ 300 Ma) illustre le second : enfouissement massif de biomasse dans des marécages — l'origine du charbon — baisse du CO2, refroidissement et englacement du Gondwana.
Échelle de 100 000 ans : les cycles glaciaires-interglaciaires
Depuis environ 2,6 millions d'années, la Terre alterne périodes glaciaires et interglaciaires. Le rythme dominant du dernier million d'années est d'environ 100 000 ans. Le déclencheur est astronomique : ce sont les paramètres orbitaux de Milankovitch.
Excentricité (période d'environ 100 000 ans) : la forme de l'orbite terrestre passe du quasi-cercle à l'ellipse.
Obliquité (environ 41 000 ans) : l'inclinaison de l'axe de rotation oscille entre 22° et 24,5°.
Précession des équinoxes (environ 21 000 ans) : l'axe décrit un cône, ce qui déplace les saisons le long de l'orbite.
Ces paramètres ne modifient pratiquement pas l'énergie totale reçue par la Terre : ils en changent la répartition saisonnière et latitudinale. C'est l'insolation d'été aux hautes latitudes de l'hémisphère nord qui décide si la neige de l'hiver survit à l'été, donc si une calotte grandit.
Depuis 1850 : une perturbation d'un autre type
La teneur en CO2 est passée d'environ 280 ppm avant l'ère industrielle à plus de 420 ppm aujourd'hui, soit une hausse d'environ 50 %. Or, sur les 800 000 ans documentés par les glaces, elle n'avait jamais dépassé 300 ppm : la valeur actuelle sort de la gamme naturelle du Quaternaire, et surtout la vitesse de la hausse est sans équivalent.
L'origine humaine est établie par plusieurs faisceaux : la concordance avec les inventaires d'émissions, la baisse simultanée du dioxygène atmosphérique (signature d'une combustion) et l'appauvrissement du CO2 atmosphérique en carbone 13, marqueur du carbone d'origine organique fossile. Environ la moitié du CO2 émis est absorbée par des puits océaniques et continentaux, le reste s'accumule dans l'atmosphère. La température moyenne globale a augmenté d'environ 1,1 °C depuis l'ère préindustrielle.
Les modèles climatiques résolvent numériquement les équations de la physique du système Terre. On les valide en leur faisant rejouer le climat passé, puis on les utilise pour projeter l'avenir selon des scénarios d'émissions. Résultat central : les simulations qui n'intègrent que les forçages naturels (volcanisme, variations solaires) ne reproduisent pas le réchauffement observé depuis 1950 ; seules celles qui ajoutent les forçages anthropiques y parviennent. Selon les scénarios du GIEC, le réchauffement à la fin du siècle pourrait rester proche de 1,5 à 2 °C ou dépasser 4 °C, avec des conséquences très différentes sur le niveau marin, les extrêmes météorologiques et les écosystèmes.
Exercices corrigés
Quelle archive permet de connaître DIRECTEMENT la composition de l'atmosphère du passé ?
- A.Les tests de foraminifères des sédiments marins
- B.Les cernes de croissance des arbres
- C.Les bulles d'air piégées dans les carottes de glaceBonne réponse
- D.Les grains de pollen des tourbières
Réponse : C — Les bulles d'air piégées dans les carottes de glace
Les bulles d'air emprisonnées lors de la transformation de la neige en glace sont de véritables échantillons d'air ancien : on y dose le CO2 et le méthane. C'est la seule mesure directe. Les foraminifères, les cernes et les pollens sont des indicateurs INDIRECTS : ils renseignent sur la température, le volume des glaces ou la végétation, mais jamais sur la composition de l'air elle-même.
Jusqu'à quelle ancienneté remontent les plus longues carottes de glace antarctiques (forage EPICA, Dôme C) ?
- A.Environ 80 000 ans
- B.Environ 800 000 ansBonne réponse
- C.Environ 8 millions d'années
- D.Environ 8 000 ans
Réponse : B — Environ 800 000 ans
Le forage EPICA au Dôme C couvre environ 800 000 ans, soit huit cycles glaciaires-interglaciaires complets. C'est la référence à retenir. Au-delà, la glace la plus profonde est déformée et perd sa lisibilité : pour remonter plus loin dans le temps, il faut changer d'archive et passer aux sédiments marins, qui couvrent plusieurs millions d'années.
Quelle est aujourd'hui l'ordre de grandeur de la concentration atmosphérique en CO2 ?
- A.Plus de 420 ppmBonne réponse
- B.Environ 280 ppm
- C.Environ 180 ppm
- D.Environ 1 000 ppm
Réponse : A — Plus de 420 ppm
Trois valeurs repères à mémoriser : environ 180 ppm au plus fort des périodes glaciaires, environ 280 ppm avant l'ère industrielle (vers 1850), et plus de 420 ppm aujourd'hui. La hausse depuis 1850 est donc d'environ 50 %, et la valeur actuelle dépasse tout ce que les glaces ont enregistré sur 800 000 ans. La valeur de 1 000 ppm correspond plutôt à des périodes géologiques anciennes comme le Crétacé.
En période glaciaire, comment évolue le δ18O des tests de foraminifères marins, et pourquoi ?
- A.Il diminue, car les calottes stockent préférentiellement l'oxygène 18
- B.Il augmente, car les calottes piègent préférentiellement l'oxygène 16, ce qui enrichit l'océan en oxygène 18Bonne réponse
- C.Il reste constant, car l'océan est un réservoir trop vaste pour être modifié
- D.Il diminue, car l'évaporation océanique cesse pendant les glaciations
Réponse : B — Il augmente, car les calottes piègent préférentiellement l'oxygène 16, ce qui enrichit l'océan en oxygène 18
Suis la molécule d'eau : l'évaporation favorise l'eau légère, celle qui contient l'oxygène 16. En période glaciaire, cette eau légère est stockée durablement dans les calottes au lieu de revenir à l'océan par les fleuves. L'eau de mer résiduelle s'appauvrit donc en oxygène 16, c'est-à-dire s'enrichit en oxygène 18 : le δ18O des tests construits dans cette eau augmente. Un δ18O élevé chez les foraminifères signale ainsi un grand volume de glace, donc le froid.
Quelle est la périodicité dominante des alternances glaciaire-interglaciaire du dernier million d'années ?
- A.Environ 21 000 ans
- B.Environ 41 000 ans
- C.Environ 100 000 ansBonne réponse
- D.Environ 400 000 ans
Réponse : C — Environ 100 000 ans
Les courbes de Vostok et d'EPICA montrent huit grands cycles sur 800 000 ans, soit une périodicité voisine de 100 000 ans, celle de l'excentricité de l'orbite terrestre. Les périodicités de 21 000 ans (précession) et 41 000 ans (obliquité) existent aussi dans le signal, mais sous forme de modulations de plus faible amplitude sur cette période. Attention : avant environ 1 million d'années, c'est l'obliquité à 41 000 ans qui dominait.
La densité stomatique des feuilles fossiles sert d'indicateur de la teneur passée en CO2. Quelle relation utilise-t-on ?
- A.Plus le CO2 est élevé, plus la densité stomatique est élevée
- B.Plus le CO2 est élevé, plus les feuilles sont grandes
- C.Plus le CO2 est élevé, plus les stomates sont enfoncés dans l'épiderme
- D.Plus le CO2 est élevé, plus la densité stomatique est faibleBonne réponse
Réponse : D — Plus le CO2 est élevé, plus la densité stomatique est faible
La relation est INVERSE, et elle s'explique par un compromis. Les stomates laissent entrer le CO2 nécessaire à la photosynthèse, mais ils laissent aussi sortir de la vapeur d'eau. Quand le CO2 atmosphérique est abondant, la plante en capte assez avec peu de stomates : elle réduit leur nombre et limite ses pertes en eau. Quand le CO2 est rare, elle doit au contraire multiplier les stomates. Une forte densité stomatique sur une feuille fossile signale donc une atmosphère PAUVRE en CO2.
Que montrent les simulations numériques du climat du XXe siècle réalisées avec les modèles climatiques ?
- A.Les forçages naturels seuls suffisent à reproduire le réchauffement observé depuis 1950
- B.Les modèles ne servent qu'à reconstituer le passé et ne permettent aucune projection
- C.Aucun modèle ne parvient à reproduire les observations, ce qui les invalide
- D.Seules les simulations intégrant les forçages anthropiques reproduisent le réchauffement observéBonne réponse
Réponse : D — Seules les simulations intégrant les forçages anthropiques reproduisent le réchauffement observé
C'est l'expérience d'attribution, et son raisonnement est celui d'un témoin expérimental. On fait tourner le modèle avec les seuls forçages naturels (volcanisme, variations de l'activité solaire) : la courbe simulée reste plate après 1950 et s'écarte des observations. On ajoute ensuite les forçages anthropiques (gaz à effet de serre, aérosols) : la simulation colle aux mesures. La différence entre les deux essais isole la cause humaine. Les modèles sont d'ailleurs validés sur le passé précisément pour pouvoir projeter l'avenir.
Dans une carotte de glace, que mesure-t-on pour estimer la température locale au moment du dépôt de la neige ?
- A.La composition isotopique de l'eau de la glace (δ18O ou δD)Bonne réponse
- B.La teneur en CO2 des bulles d'air
- C.L'épaisseur des couches annuelles
- D.La densité des stomates
Réponse : A — La composition isotopique de l'eau de la glace (δ18O ou δD)
Sur le trajet de l'océan vers le pôle, les molécules d'eau contenant les isotopes lourds précipitent en priorité. Plus l'air est froid, plus ce tri est poussé, et plus la neige qui atteint la calotte est appauvrie en isotopes lourds : le δ18O (ou le δD) de la glace est donc un thermomètre. Le CO2 des bulles renseigne sur l'atmosphère, pas sur la température ; la densité stomatique concerne les feuilles fossiles.
Parmi ces gaz de l'atmosphère, lequel n'est PAS un gaz à effet de serre ?
- A.La vapeur d'eau
- B.Le dioxyde de carbone
- C.Le méthane
- D.Le diazoteBonne réponse
Réponse : D — Le diazote
Un gaz à effet de serre absorbe le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre. Le diazote (N2), qui représente pourtant 78 % de l'atmosphère, en est incapable : sa molécule diatomique symétrique n'absorbe pas dans l'infrarouge. Même chose pour le dioxygène. Retiens ce paradoxe : les gaz majoritaires de l'air ne participent pas à l'effet de serre, qui repose sur des gaz minoritaires — vapeur d'eau en tête, puis CO2 et méthane.
Quel indicateur permet de reconstituer la végétation d'une région, et donc son climat, sur plusieurs dizaines de milliers d'années ?
- A.Les tests de foraminifères
- B.Les bulles d'air des glaces
- C.Les stries glaciaires sur les roches
- D.Les grains de pollen des tourbières et des lacsBonne réponse
Réponse : D — Les grains de pollen des tourbières et des lacs
L'analyse pollinique (palynologie) repose sur la très grande résistance de l'enveloppe des grains de pollen, qui se conservent dans les sédiments lacustres et les tourbières. Comme chaque espèce végétale a des exigences de température et d'humidité connues, l'assemblage de pollens d'une couche livre le paysage végétal de l'époque. Les stries glaciaires témoignent bien d'un climat froid, mais elles ne disent rien de la végétation.
Que modifient principalement les paramètres orbitaux de Milankovitch ?
- A.La quantité totale d'énergie émise par le Soleil
- B.La composition chimique de l'atmosphère terrestre
- C.La vitesse de rotation de la Terre sur elle-même
- D.La répartition saisonnière et latitudinale de l'énergie solaire reçue par la TerreBonne réponse
Réponse : D — La répartition saisonnière et latitudinale de l'énergie solaire reçue par la Terre
Excentricité, obliquité et précession sont des paramètres de la géométrie orbitale : ils redistribuent l'insolation entre les saisons et entre les latitudes, sans modifier significativement l'énergie totale reçue sur l'année. Le paramètre décisif est l'insolation de l'été aux hautes latitudes nord : si elle est faible, la neige de l'hiver survit à l'été et la calotte grossit. L'activité du Soleil lui-même n'est pas en cause, et le CO2 varie en conséquence, pas en cause initiale.
L'extension des calottes glaciaires modifie l'albédo terrestre. Quel en est l'effet ?
- A.Une diminution de l'albédo, qui réchauffe la Terre
- B.Une augmentation de l'albédo, qui refroidit encore la Terre : c'est une rétroaction positiveBonne réponse
- C.Une augmentation de l'albédo, qui réchauffe la Terre en piégeant l'infrarouge
- D.Aucune modification, l'albédo ne dépendant que des nuages
Réponse : B — Une augmentation de l'albédo, qui refroidit encore la Terre : c'est une rétroaction positive
L'albédo est la fraction du rayonnement solaire renvoyée vers l'espace. La glace, très claire, a un albédo élevé (autour de 0,8) alors que l'océan est sombre (autour de 0,1). Plus de glace, c'est donc plus d'énergie renvoyée, donc moins d'énergie absorbée, donc un refroidissement supplémentaire qui permet à la glace de s'étendre encore : la perturbation initiale est amplifiée, ce qui définit une rétroaction POSITIVE. Attention : positive ne veut pas dire favorable, mais amplificatrice.
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