CHAPITRE 1 : L’ÉVOLUTION RÉCENTE DE L’ATMOSPHÈRE ET DU CLIMAT

Introduction

Les émissions de CO2 par les activités humaines sont source d’inquiétude car on leur attribue un rôle important dans le réchauffement climatique dont on prévoit des conséquences néfastes (phénomènes météorologiques violents et fréquents, montée du niveau de la mer provoquant d’importants mouvements des populations….).

Des modèles sont mis en place pour tenter de prévoir les variations futures du climat : les bases du modèle reposent à la fois- sur la connaissance des paramètres qui dirigent le climat, qui repose en partie sur la connaissance des variations climatiques du passé.- sur l’évolution de la composition de l’atmosphère.

Quelles sont les données qui sont utilisées pour établir les modèles actuels ? Comment fait-on pour déterminer les climats passés ?

I. Comprendre les climats actuels

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On définit le climat comme la moyenne des paramètres météorologiques sur plusieurs dizaines d’années. A la surface les climats sont répartis en ………………………… parallèles à l’équateur qui sont liées principalement à des différences …………………...

Cette différence d’insolation est à l’origine des ……………………………… des enveloppes fluides de la Terre (courants océaniques et atmosphériques). Ces courants réduisent les …………………………………. de température entre les pôles et l’équateur. Ces mêmes courants (dont l’origine est climatique !) peuvent modifier localement les climats du fait de la quantité d’énergie qu’ils transportent et par leurs interactions (voir exemple Canada/ Europe). Ces enveloppes sont aussi en interaction avec la géosphère.De nombreux autres paramètres peuvent aussi influencer les climats. L’un des plus étudiés est ……………………………... (voir chapitre 2)

II. Informations apportées par les pollens et les foraminifères.

A. Les pollens, archives du climat sur les continents TP Pollen La palynologie est fondée sur l’étude des ……………………………………….. Ces grains de pollen sont des « outils » intéressant pour l’étude des variations climatiques:

leur enveloppe externe, ……………………………………, leur permet de se conserver durant des milliers d’années s’ils sont dans un milieu non oxydant;

l’architecture très diversifiée de leur paroi permet une ………………………………………………. précise du végétal qui a produit ce pollen.

La détermination des pollens présents dans une carotte sédimentaire (type de végétation et abondance) permet d’établir un ………………………………………………………….. pollinique, caractérisant un peuplement végétal à un moment donné dans un lieu donné.Les espèces végétales ont des exigences ou préférences climatiques (température moyenne annuelle, pluviométrie moyenne annuelle). L’utilisation du principe de ………………………………………………..(les espèces végétales passées avaient les mêmes exigences climatiques que les espèces identiques actuelles) permet de reconstituer les …………………………….

Les résultats montrent une alternance de périodes froides assez longues (…………………………………) entrecoupées de périodes plus chaudes plus courtes (……………………………………………, ou post-glaciaire pour la période actuelle).Les résultats obtenus en différents lieux montrent l’étendue planétaire des variations climatiques, en accord avec ceux obtenus des archives glaciaires

pollen : l'élément fécondant mâle de la fleur : ce sont de minuscules grains de forme plus ou moins ovoïde de quelques dizaines de micromètres de diamètre, initialement contenus dans l'anthère à l'extrémité des étamines. La paroi des grains de pollen étant résistante, elle se conserve pendant des milliers d’année enfouie dans des milieux humides comme lacs, tourbières, océan ....

tourbe : résulte de la fossilisation de débris végétaux dans un milieu saturé en eau.

Conclusion : Les données palynologiques peuvent servir à reconstituer les variations climatiques locales ou régionales des derniers milliers d’années. Par exemple, ces études révèlent la transition d’une période glaciaire dont le pic se situait à 18 000 ans à la période interglaciaire actuelle.

B. Les foraminifères permettent de retracer l’évolution globale du climat

Les variations globales du volume des calottes glaciaires et des glaciers, représentatives des changements climatiques à l’échelle de la planète, sont déduites de la composition isotopique de l’oxygène (18O/16O) des tests carbonatés dans les sédiments océaniques.En effet, les tests des ……………………………………………………….. de grande profondeur (foraminifères benthiques) des sédiments océaniques peuvent être utilisés pour connaître la variation du niveau des océans et du volume des glaces et donc les changements climatiques globaux qui ont affecté la Terre dans le passé.

En profondeur, puisque la température de l’eau est constante, la quantité de 18O incorporée dans les tests de Foraminifères ne dépend que du rapport (18O/16O) de l’eau de mer.

Si température => volume des calottes glaciaires …. ==> niveau marin ….. ==> l’eau stockée sous forme de glace est pauvre en 18O et donc l’eau de mer est enrichie en 18O==> δ18O de l’eau de mer > valeur actuelle ==> δ18O des test carbonatés des foraminifères benthiques est élevé.Donc si la température le δ18O des test carbonatés des foraminifères benthiques…….

La variation du volume des glaces n’est pas due à des variations …………………….. du climat, mais à des variations du climat mondial. Ainsi, l’océan, grâce à ses foraminifères benthiques, est le témoin des variations du climat mondial.Les variations de température observées pour les 400 000 dernières années dans les glaces sont parfaitement corrélées à celles déduites des mesures du δ18O des tests carbonatés des foraminifères benthiques pour la même période de temps dans les sédiments océaniques.

La mise en évidence de cette corrélation entre enregistrements par les glaces et par les sédiments permet, par la caractérisation de sédiments vieux de plus de 400 000 ans, d'étendre à plus de 700 000 ans l'étude des changements

climatiques majeurs de la planète.

Utilisation des mesures réalisées sur des foraminifères benthiques

C. L’indice stomatique, archive de la composition atmosphérique

Le Gingko biloba est une espèce d’arbre très ancienne qui a peu varié depuis l’ère primaire (200 Ma). On a montré expérimentalement qu’il possède sur ses feuilles une quantité de stomates ………………………………. proportionnelle à la quantité de …………… présent dans l’atmosphère.

III. La glace des calottes polaires, mémoire du climat et de la composition de l’atmosphère du quaternaire récent

Les calottes polaires de l’Antarctique et du Groenland constituent les seules archives qui, sur les mêmes échantillons, donnent accès à des informations à la fois sur la modification du climat de notre planète et sur celle de la composition de l'atmosphère.

A. Les glaces polaires et les paléotempératures.

Les glaces polaires sont constituées par l’accumulation et le tassement progressif de la neige au fil des années. On peut identifier et dater les différentes couches d’une carotte obtenue par forage.Les variations locales de la température au-dessus des calottes polaires sont déduites de la composition isotopique de l’oxygène (18O/16O) de la glace. En effet, le calcul du ………………………………… dans les diverses couches de glace permet de déduire la température de l’air qui régnait lors des précipitations à l’origine de chaque couche.

Sur Terre, l’essentiel de l’évaporation se fait à partir de l’océan dans les zones équatoriales. La vapeur d’eau formée est appauvrie en éléments lourds par rapport à l’océan (1% ou 10 o/oo de moins de 18O que l’eau de mer). L’air humide est ensuite transporté vers les hautes latitudes.

Soumise à des températures de plus en plus froides, la vapeur d’eau successivement se condense et s’appauvrit en isotopes lourds (18O). Les précipitations se fabriquent à partir de vapeur d’eau de plus en plus appauvrie en 18O . Le delta18O des précipitations diminue (-10, -20, -30, -40). Les neiges qui tombent sur les pôles contiennent 4% de 18O en moins que la source océanique (référence).Le refroidissement de la masse d’air accentue le fractionnement isotopique. Plus il fait froid, plus les précipitations seront riches en isotopes lourds

Un d18O de plus en plus négatif traduit un ………………………………………………… en 18O de plus en plus important.

La composition isotopique de la neige des calottes polaires est proportionnelle à la …………………………………………. au moment de la précipitation neigeuse.

LE δ 18O EST D’AUTANT PLUS NEGATIF QUE LA TEMPERATURE EST ……………………………………. AU MOMENT DE LA FORMATION DE L’ECHANTILLON DE GLACE.

Dans les différentes calottes polaires analysées on observe au pôle nord comme au pôle sud un δ18O plus ou moins fortement négatif, avec une alternance de périodes à δ18O faible intercalées entre des périodes à δ18O plus élevé

On peut utiliser le même principe sur l’étude des isotopes de …………………………. le rapport entre D (deutérieum) et H (hydrogène) est appelé ………………………... Plus il est faible, plus la température devait être …………………... Doc page 85

Conclusion :Actuellement nous sommes dans une ère interglaciaireLa composition isotopique de la glace, archivée dans les inlandsis (calotte polaire=glace sur terre) constitue un thermomètre isotopique. En effet, Le rapport isotopique δD ou δ18O dans la glace permet de retrouver la paléo température de l’atmosphère au moment de la formation de la glace. Plus ce rapport est faible, plus la température atmosphérique était basse au moment de la chute de neige à l’origine de cette glace. L’utilisation de cette méthode permet de reconstituer les variations de température depuis 800 000 ans, avec une période de 100 000 ans environ.Depuis 800 000 ans plusieurs glaciations ont eu lieu avec périodicité d’environ 100 000 ans :

· Période glaciaire de 90 000 ans· Période interglaciaire de 10 000 ans. !!! Les réchauffements sont brutaux !!!

Remarque : ces variations de températures s’expliquent par les variations des paramètres astronomiques de la Terre autour du soleil. Pour aller plus loin, la théorie de Milankovitch : http://menaceclimatique.free.fr/anim_milankovitch.php

B. La composition atmosphérique a évolué depuis 800 000 ans

Les glaces polaires ont un second intérêt : elles emprisonnent l’atmosphère contemporaine de l’épisode neigeux. En recueillant ces bulles de gaz, on peut analyser la composition atmosphérique passée.

Les concentrations atmosphériques en gaz à effet de serre (CO2, méthane,…) ont fortement évolué depuis 800 000 ans. Le cycle est exactement le même que celui des variations de …………………………………………………… à savoir ……………… ans. En effet variations de température et la concentration atmosphérique en CO2 sont étroitement ……………………..

Au cours des 800 000 ans le climat de la Terre a été marqué par la succession de phases majeures de refroidissement et de réchauffement, approximativement tous les 100 000 ans. Entre deux maxima glaciaires d’autres cycles de refroidissement-réchauffement peuvent être identifiés avec des périodes de …………………………. et ………………………… ans

a- Evolution récente de la température (-2000- actuel)

Durant le dernier millénaire, on note l’existence d’une phase chaude (l’optimum médiéval de l’an 900 à l’an 1300) suivie d’une phase plus froide (le petit âge glaciaire entre 1300 et 1850). Depuis, une augmentation rapide de la température moyenne est enregistrée Il saute aux yeux que le réchauffement actuel est bien plus important (+2 °C contre +0,5 °C) et beaucoup plus rapide (80 ans contre 500 ans, une bonne partie s’emballant dans les 30 dernières années…).

Nous avons donc un recul suffisant pour observer que cette hausse est relativement importante, nette et constante. Elle ne peut être conjoncturelle, liée à des évènements très ponctuels.

IV. L’étendue des glaces, un marqueur des modifications récentes

A. Les glaces polaires et l’évolution des climats http://sciences.blogs.liberation.fr/home/terre/La surveillance satellitaire de l’Arctique (inlandsis et banquise) de 1979 à 2011 montre une surface en réduction d’environ 1 % par an, en particulier au niveau de la glace de mer. Ces modifications sont aussi visibles dans le paysage au niveau des langues glaciaires dont la longueur est en nette diminution depuis un siècle. Les glaces antarctiques sont elles aussi sous surveillance satellitaire ce qui permet de suivre des phénomènes de mois en mois mais aussi des événements plus ponctuels comme les débâcles d’icebergs géants tel l’iceberg B15-A, détache de la barrière de glace de Ross en l’an 2000, le plus grand iceberg dont l’existence ait jamais été enregistrée.Alors que la superficie des glaces arctiques est mesurée en diminution de 8 % par an, celle des glaces antarctiques semble assez constante de 1978 à 2011.Depuis quelques années, des mesures laser effectuées par hélicoptère, confrontées à des données prises par satellite (projet Icesat de la Nasa), permettent d’appréhender l’épaisseur des glaces (donc leur volume et leur masse). Les données montrent une diminution de masse bien marquée depuis 2006 environ.

B. Des indices fournis par les glaciers continentaux.

L’étude des glaciers continentaux vérifie les autres données (pollens, 18O des carottes glaciaires, mesures par satellite du volume des glaces polaires) et donne une image locale des changements climatiques globaux ayant affecté le globe depuis 20 000 ans.Depuis plus d’un siècle, on assiste à un recul des glaciers argumente par les cartographies, les photographies, les témoignages et actuellement les mesures.Corrélativement à ce qui se passe au niveau des glaces polaires, les bilans de masse, décroissants depuis 1985, sont en chute très importante (pour les trois glaciers étudiés) depuis l’année 2000, avec une perte équivalant a une épaisseur d’eau de 16 mètre soit une perte équivalente a celle de la période 1960-2000.Les changements climatiques (températures estivales et hivernales en hausse, chute des précipitations hivernales locales) sont à l’origine des évolutions observées.

Conclusion

Les glaces apportent plusieurs types d’indices sur les climats passés : Les bulles d’air qu’elles contiennent permettent d’étudier la composition de l’air durant les 800 000 dernières

années, en particulier la présence de gaz à effet de serre et les polluants. La composition isotopique des glaces (pour l’oxygène ou l’hydrogène) permettent de retracer les évolutions

climatiques au cours de cette même période. L’évolution des glaciers et des glaces polaires permet également d’évaluer l’évolution du climat.

D’autres indicateurs sont utilisés comme les tests des foraminifères piégés dans les sédiments océaniques, les pollens dans les tourbières et même la densité des stomates des feuilles de Gincko pour connaitre l’évolution du climat.

Les résultats de ces études montrent des variations climatiques cycliques (100 000 ans) où alternent des périodes glaciaires assez longues et interglaciaires plus courte. Les périodes glaciaires correspondent à des périodes en moindre teneur en gaz à effet de serre et les périodes interglaciaires sont liés à des concentrations plus élevées en gaz à effet de serre.