Préparation Capes Les mécanismes du climatuniv-nktt.yolasite.com/resources/Les_mecanismes_du_climat_2006.pdfKérogène des roches sédimentaires Masse 400.106 PgC (~100 ppm) 109

2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 1

Préparation CapesLes mécanismes du climat

Charles Aubourg


Préambule

Quelle température devrions nous avoir à la surface de la Terre ?

Formule de Boltzmann : E=C.S.T4 Cela donne un T : -18°C !!

La température moyenne : 15°C …

Il y a 4.5 Ga (Archéen), le soleil avait 30% de luminosité en moins…

Tous les modèles climatiques prédisent que 5 à 10% de luminosité en moins devrait se traduire par un englacement de la Terre…

Donc effet de serre dominant avec beaucoup de CO2 dans l’atmosphère.

L’effet de serre est un puissant régulateur thermique qui donne à la Terre des conditions favorables au développement de la vie. Trop marqué sur Vénus (T=700K), absent sur Mars (T=200k), il est sur Terre un élément marquant.

Paradoxe #1

Paradoxe #2


A- L’effet de Serre

Spectre du rayonnement du soleil

Spectre du rayonnement de la Terre (vérifié par les satellites)


Les gaz à effet de serre.


Spectres d’absorption des principaux gaz à effet de serre

U.V visible I.R.


B – Les causes principales des variations du climatB-1 Les causes externes.

a) L’insolation.b) Les cycles astronomiques.

B-2 Les causes internesa) Tectonique des plaques.b) Provinces volcaniques.c) L’altération des roches

B-3 Les causes anthropiques.


Cycle de Schwab (~11ans) ± 0.1%Activité solaire.


Cycles de Milankovitch


Excentricité (100 et 400 Ka) : aplatissement de l’ellipse (circulaire à 7%)

Obliquité (41 Ka) : 22°02’ à 24°32’

Précession (21 Ka): attraction de la Lune et du soleil sur l’axe de rotation de la Terre et mouvement de ‘Hula Hoop’ de l’orbite de la Terre

Les cycles de Milankovitch : en résumé….


Hauterivien de la région de Castellanne.

Quid des cycles de Milankovitch dans le passé ?

De nombreuses séries semblent indiquer des cycles de type Milankovitch, mais il est difficile de savoir si l’état actuel et bien documenté, est transposable dans le passé.


Facteur d’insolation au cours des 400 ka et dans les prochains 100 Ka

Prochaine baisse d’insolation

DMG








Le cycle de Wilson

Cycle de Wilson (~500 Ma)

a) Tectonique des plaques


Le cycle de Wilson


Surrection du plateau tibétain il y a ~20 Ma (~200 m/Ma)

Va augmenter les zones désertiques (renforcé par l’effet de foehn), augmenter l’albédo, diminuer l’insolation.


6-7 Ma : fermeture de l’isthme d’Amérique Centrale

Va favoriser la pompe thermo haline lié à l’augmentation de salinité de l’Atlantique


b) Volcanisme

On estime que le volcanisme actuel apporte 1/300 des émissions humaines de CO2.

Mais il n’en a pas été de même dans l’histoire géologique…


Pangée et points chauds.

In Callot, PHD, 2002


Grandes provinces volcaniques

Elles signent l’arrivée d’un panache mantellique

Trapp du Deccan


Trapp de Sibérie (~250 Ma…)


Trapp du Deccan (65 Ma)


Il est singulier que les Trapp de Sibérie et du Deccan soient corrélés aux deux plus grandes extinctions du Paléozoïque et du Mésozoïque

Est-ce le signe d’un changement climatique drastique ?


C’est aussi associé à une claire signature d’impact météoritique.


Provinces volcaniques et extinctions des espèces.


Les Trapps du Karoo (180 Ma)


conifères

L’hiver nucléaire n’était sans doute pas aussi froid qu’on l’imagine.

Fossiles d’arbres dans les dernières coulées des trapps du Karoo (~180 Ma)


c) Altération des roches

L’altération des roches, et en particulier celle des silicates, est un processus de premier ordre dans la teneur en C02 de l’atmosphère

Des minéraux plus altérables que d’autres…

Pour dissoudre un minéral de 1mm à PH=5;

Il faut une dizaine de jours pour la calcite !

Il faut ~100000 ans pour le quartz ! (relief dans les cratons)

Par exemple, sur ce relief archéen d’Afrique du Sud, les pointements riches en quartz (syenite) sont en relief.


Prenons le cas des carbonates:

L’altération des carbonates consomme du CO2:

CO2 + CaCO3 + H2O <----> 2 HCO3- + Ca2+

Et la précipitation du calcaire, qui permet la séquestration géologique du carbone à l’échelle de la centaine du Ma, libère du CO2

Ca2+ 2 HCO3- <----> + CaCO3 + H2O + CO2

Puit à C02

Source C02

Remarque:Le quartz ne consomme pas de C02 lors de sa dissolution

SIO2+H2O=H4SIO4

L’altération des silicates (par exemple albite, anorthite) requiert deux moles de C02 :

CaAl2SI2O8+3H2O+2CO2=Al2SI2O5(OH)4+Ca2++2HCO32-Anorthite:Acidité alcalinité

Les ions bicarbonates vont être transportés dans les océans. Pour simplifier, un carbone va être séquestré, l’autre va être à nouveau libéré

L’altération des silicates est un puit à C02, à l’échelle de 105 ans.


Altération des grandes provinces volcaniques.

On observe que la basalte, roche silicatée, s’altère 5 fois plus vite qu’un granite.

Affleurant sur plus de 5% de la surface continentale, l’altération des basaltes s’élève à 30% du flux total atmosphérique !

On observe que l’altération des basaltes est favorisée en climat chaud

A un accroissement de température, se fait en parallèle une altération accrue des basaltes, et donc un pompage du CO2…Pour les trapps du Deccan, on estime ainsi à ~6 Ma le temps nécessaire pour résorber complètement l’excès de CO2 émis par le volcanisme.


Réservoirs de carbone

Masse 720 PgC (350 ppm)5 ans

Atmosphère

Masse 36.103 PgC (26 mg/l)5OO ans

Océan

Masse 2.103 PgC (~50%)30 ans

Biosphère et sols

Masse 50.106 PgC (~12%)330.106 ans

Carbonates

Masse 13.106 PgC (~1%)190.106 ans

Kérogène des roches sédimentaires

Masse 400.106 PgC (~100 ppm)109 ans

Manteau

PgC : 1015 g

6

5

3

4

2

1

40.08

260

60.07

170

30.15

50.08

3 Classement masse et temps de résidence 60.07 Classement par flux (PgC/an)

Sources : Rotaru et al., 2005







Augmentation exponentielle des gaz à effet de serre depuis la période industrielle.

Pour le CO2 :

Énergie fossile : 5.4 GtC/anDéboisement : 1.6

Source

Puit

Atmosphère : 3.4 GtC/anOcéan : 2.0

Taux de variation : 0.5%/an



Durée de vie atmosphère (an) : 50-200

Durée de vie atmosphère (an) : 10

Durée de vie atmosphère (an) : 150


C – Les archives du climatC-1 Les marqueurs

a) Pétrographiquesb) Morphologiquesc) Biologiques

- Pollen- Cernes de croissance- Coraux

d) Isotopiques- delta O18- Deutérieum- delta C13

e) Gaz à effet de serre- CO2- CH4- N20, CFCs

f) La susceptibilité magnétiqueC-2 L’enregistrement

a) Glaciaireb) Sédimentaire

- milieu marin- milieu continental

2006 Préparation Capes Université Cergy Pontoise 35Grains de pollen (Jurassique inférieur, argiles Opalinus)


Enregistrements continentauxPinus longaeva : 8500 ansChêne d’Irlande : 7300 ans

La largeur des cernes dépend d’une manière complexe de l’humidité, et de la température

Régions arides : largeur du cerne proportionnelle à la teneur en eau

Hautes latitudes : largeur et densité du cerne proportionnelles à la température

Le C14 dans la cellulose permet de retrouver le cycle solaire !!


Les coraux, un enregistrement annuel dans les conditions intertropicales

Delta O18 : température

Variations eustatiques


Synthèse des archives naturellesArchives Résolution

temporellePériode couverte

(ans)

Paramètres climatiques dérivées

Cerne des arbres An-saison 104 T, H, Ca, B, V, M,L, S

Sédiments lacustres An 104-106 T, B,M

Carotte de glace polaire

An 105 T, H,Ca, B,V,M,S

Carotte de glace de latitude moyenne

An 103 T, H, B,V,M,S

Dépôts coralliens An 105 T, Cw,L

Loess 10 ans 106 H, Cs,B,M

Carottes océaniques 100 ans 107 T,Cw, B,M

Pollen 1000 ans 105 T,H,B

Paléosols 100 ans 105 T,H,Cs,V

Roches sédimentaires 2 ans 107 H,Cs,V,M,L

Données historiques Jour / heure 103 T,H,B,V,M,L,S

T=température, H=humidité ou précipitation, C : composition chimique a : air, w: eau, s: sol; B: biomasse, V :éruptions volcaniques, M: champ magnétique, L : niveau des mers, S : activité solaire (d’après Berger, 1992)











SMOW, Standard Mean Ocean Water lorsque la mesure est effectuée sur de l’eau, PDB - PeeDee Belemnite" (rostre de bélemnite de la formation 'PEEDEE' aux USA)


15°25°60°

océan

BanquiseCalotte

Une eau appauvrie en delta O18 retombe dans les hautes latitudes

Enrichie en O16

GLACIAIRE Fixation du O16

Enrichissement en O18


Entre le deutérium et l’O18, on a la relation: deltaD=deltaO18+10

Les deltaO18 et deltaD varient en fonction de la température: ce sont des thermomètres.Une diminution du delta 018 traduit une augmentation de la température !

En milieu marin, on étudie le delta018 des tests de foraminifères.


Courbe de référence du delta 018


Atmosphère Océan Matière organique

Biomasse terresttre

Masse relative

1 60 2 3

deltaC13 -6 0 -20 -23

Le delta C13

Parmi les deux isotopes stables du carbone, le C12 (majoritaire) et le C13, l’activité organique privilégie le C12 (le léger).

La vie puise le C12, et en temps habituel, la matière organique sédimente, piégeant le C12. Dans ce cas, le delta C13 des océans vaut 0.

Si la productivité océanique s’effondre, l’océan se trouve enrichi en C12, et donc le delta C13 diminue.

Une diminution du delta C13 traduit donc en général une crise de la biomasse.

Exemple de la crise Paléocène – Eocène : delta O18 et delta C13 diminuent tous les deux en 10 ka !











Camp au Dôme C


Rythmicité annuelle des alternances sombres et claires

Les bulles de gaz


Forage antarctiques


Forage arctique


Différences de précipitations et température entre les conditions arctiques et antarctiques

Quelle est la meilleure résolution temporelle ?












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