Le Théorie Astronomique du Climat

Le théorie Astronomique du Climat est issue de celle proposée en 1924 par Milankovitch sur les variations de l'ensoleillement des différentes régions sur Terre suite à l'évolution du mouvement de la Terre autour du Soleil.

Le réchauffement climatique ne serait pas uniquement lié à l'activité humaine. Si l'effet de serre est principalement dû à l'homme, il y a aussi la conjoncture astronomique et il semblerait bien que nous ne pouvons pas échapper à un phénomène de réchauffement cyclique et lié à plusieurs facteurs. Marie-Antoinette Mélières du laboratoire de glaciologie et géophysique de l'environnement (Grenoble) explique cette théorie astronomique du climat :

L'alternance des époques glaciaires et interglaciaires qui se sont succédé sur les hautes latitudes de l'hémisphère nord (HN) depuis deux millions d'années est initiée par la combinaison des paramètres orbitaux qui définissent la position de la Terre dans l'espace par rapport au soleil. Une fois déclenchée, la construction (ou la fusion) de calottes de glace conduit à une diminution (ou une augmentation) des gaz à effet de serre dans l'atmosphère, ce qui amplifie le refroidissement (ou le réchauffement) du climat.

Nous présentons ci-dessous la définition et l'évolution des différents paramètres orbitaux, dont les cycles et leur relation avec les glaciations ont été en particulier étudiés par Milankovitch. Afin d'appréhender, de façon simple, comment les situations deviennent, de façon cyclique, favorables à la construction (ou la diminution) des calottes glaciaires, nous nous baserons sur le raisonnement simplifié suivant : plus les étés sont chauds plus la situation est favorable à la fusion progressive d'une calotte sur l'H.N, lorsque celle-ci existe, car la fusion des glaces a lieu l'été.

Inversement, plus les étés sont frais, plus la situation est favorable à l'installation ou à la croissance de la calotte (si celle-ci existe déjà). La réalité est plus subtile, mais ce mécanisme est majeur et permet d'appréhender comment les cycles, liés à l'influence des différentes planètes sur le mouvement de la Terre, vont conduire le ballet des glaciations durant le quaternaire.

Pourquoi, pour expliquer les glaciations, s'intéresse-t-on à l'ensoleillement de l'hémisphère nord et non pas à celui de l'hémisphère sud ?

Parce que, lors des périodes glaciaires/interglaciaires, peu de choses changent dans l'hémisphère sud, excepté l'extension de la banquise autour de l'Antarctique, mince pellicule de glace de 3 m d'épaisseur. La calotte antarctique, qui recouvre le continent antarctique centré sur le pôle sud, reste quasiment inchangée entre ces deux climats : elle persiste. Autour de ce continent, entre 60°S et 30°S, aucun grand continent n'existe pouvant servir de support à l'établissement d'une grande calotte glaciaire.

Par contre dans l'hémisphère nord (HN) une ceinture de continents existe à ces latitudes en Amérique et en Eurasie. C'est donc dans ces régions que vont pouvoir se construire puis disparaître les grandes calottes glaciaires. Une fois établies dans l'hémisphère nord ces calottes glaciaires vont modifier le climat de la Terre dans son ensemble, refroidissant toute la planète, y compris l'hémisphère sud.

Les trois paramètres orbitaux

Trois paramètres indépendants caractérisent la position de la Terre par rapport au Soleil, et donc définissent l'énergie solaire reçue selon les différentes saisons. Chacun de ces paramètres varie au cours du temps avec des périodes indépendantes; leur conjonction va rendre plus ou moins favorable la construction (ou disparition) des calottes glaciaires de l'hémisphère nord.

- EXENTRICITE

L'excentricité, " e ", qui caractérise la forme de l'orbite décrite par la Terre en un an autour du Soleil, orbite qui n'est pas circulaire mais elliptique et dont le soleil occupe l'un des foyers (voir la figure Théorie astronomique du climat/excentricité).

La distance Terre-Soleil , qui est en moyenne de 149 millions de km, varie donc au cours de l'année, la Terre passant tous les 6 mois au périhélie (point le plus près du soleil) puis à l'aphélie, (point le plus loin). L'écart entre ces deux distances est fixé par l'excentricité. Si celle-ci est nulle, l'ellipse devient un cercle; si elle est de 0,015 (valeur proche de la valeur actuelle) la distance Terre-Soleil varie de 3% (2 fois l'excentricité) entre la position la plus proche et la position la plus éloignée. L'énergie solaire qui parvient à la Terre (1367 w/m2 en moyenne au cours de l'année) varie alors de 6% (4 fois l'excentricité) passant de 1408 W/m2 au point le plus proche à 1326 W/m2 au point le plus éloigné.

Cette excentricité évolue au cours du temps avec comme principales périodes 412 800 ans et un ensemble de périodes proches de 100 000 ans (voir la figure Théorie astronomique du climat/excentricité). Par exemple, lors de la précédente période interglaciaire, il y a 128 000 ans, l'excentricité était proche de 4%, (l'ellipse s'éloignait plus d'un cercle qu'à l'époque actuelle) et l'énergie reçue par la Terre entre le périhélie et l'aphélie variait d'environ 16%.

- INCLINAISON

L'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre sur l'écliptique (actuellement proche de 23°), plan dans lequel se déplace la Terre autour du Soleil au cours de l'année (voir la figure Théorie astronomique du climat/inclinaison).

La Terre tourne en 24 heures autour de cet axe. La direction de cet axe est facilement matérialisable car, lorsqu'on regarde la voûte céleste la nuit, une étoile située dessus doit rester immobile au cours des 24 heures de rotation de la Terre : c'est actuellement le cas de l'étoile polaire. Cette direction ne bouge quasiment pas au cours de l'année (l'étoile polaire reste l'étoile fixe sur la voûte céleste).

L'inclinaison de cet axe est responsable de l'existence des saisons : pas de saisons si l'inclinaison est nulle, et plus l'axe est incliné, plus l'écart est fort entre l'été et l'hiver. La position de cet axe oscille entre 21° et 24,5°, avec une période principale de 41 000 ans. Plus l'axe est incliné, plus les étés sont chauds, en particulier aux hautes latitudes où les jours sont longs. Inversement, moins il est incliné, plus les étés sont frais.

Par exemple, passer d'une inclinaison de 21 à 24,5° entraîne en été à la latitude de 70° une augmentation de l'insolation reçue : elle passe de E x cosin (70-21), soit E x 0,6561, à E x cosin (70-24,5), soit E x 0,7010 ( E étant l'énergie solaire incidente, soit le flux d'énergie reçu par une surface frappée perpendiculairement par les rayons solaires). Le flux d'énergie solaire reçu augmente ainsi de la quantité E x 0,0449, c'est-à-dire une augmentation de (E x 0,0449/E x 0,6561), soit 6,8%.

Ceci conduit, environ tous les 20 000 ans, soit à une situation favorable à la fusion de calottes glaciaires aux hautes latitudes de l'H.N. (inclinaison forte, étés chauds) soit à une situation favorable à la croissance des calottes (inclinaison faible, été frais). Mais ce paramètre n'est pas le seul à influer sur l'établissement des époques glaciaires / interglaciaires : l'influence de la précession est au moins aussi importante.

- PRECESSION DE L'AXE DE LA TERRE

Tout en gardant son inclinaison proche de 23° au cours des milliers d'années, l'axe de rotation précesse autour de l'axe de l'écliptique (il décrit un cône) avec un cycle de l'ordre de 22 000 ans (en fait les principales périodes de précession sont proches de 19 000 et 23 000 ans). La conséquence de cette précession est que le solstice d'été dans un hémisphère donné (moment où l'hémisphère reçoit le maximum de chaleur), aura lieu alternativement tous les 11 000 ans soit au périhélie (c'est-à-dire près du Soleil), soit à l'aphélie (loin du soleil). Donc, dans cet hémisphère, les étés seront tous les 11 000 ans soit plus chauds soit plus frais, l'écart d'énergie reçue étant fixé par l'excentricité de l'ellipse (soit 4xe, voir 1er paragraphe).

Si la Terre décrivait un cercle autour du Soleil (e = 0), la distance Terre-Soleil étant alors constante, la précession n'aurait alors aucune influence sur les saisons. Ceci conduit tous les 11 000 ans, soit à une situation favorable à la fusion de calottes glaciaires aux hautes latitudes de l'H.N. (étés chauds) soit à une situation favorable à la croissance de ces calottes (été frais).

On caractérise l'évolution de cette situation par la distance Terre-Soleil au 21 juin (solstice d'été de l'hémisphère nord), représenté sur la figure Théorie astronomique du climat/précession. Ainsi, il y a 11 000 ans dans l'hémisphère nord, nous recevions en été 6% de plus d'énergie solaire qu'à l'heure actuelle. Inversement, en hiver il y a 11 000 ans, nous recevions 6% de moins d'énergie solaire qu'à l'heure actuelle.

La combinaison des deux paramètres (distance Terre-Soleil le 21 juin et inclinaison de l'axe de rotation de la Terre) vont conduire à des situations plus ou moins favorables à la dynamique des calottes dans les hautes latitudes de l'hémisphère nord. Cette dynamique est enregistrée dans l'évolution du niveau marin dont la baisse caractérise le volume des glaces stockées dans les calottes glaciaires.

On constate que les enregistrements des niveaux marins dans les sédiments océaniques sur les deux derniers millions d'années présentent bien les 3 périodes clés (19 et 23 000, 41 000 et 100 000 ans) des trois paramètres astronomiques décrits ci-dessus (voir la figure Variation des paramètres orbitaux de la Terre).

Ce fait a été la première confirmation éclatante de la validité de la théorie astronomique du climat. La combinaison de l'ensemble des fréquences conduit à l'émergence en moyenne environ tous les 100 000 ans d'un interglaciaire marqué suivant une glaciation importante. De la même manière, en moyenne, les périodes interglaciaires (dont les durées peuvent s'étendre de quelques milliers d'années à plusieurs dizaines de milliers d'années, selon la conjoncture astronomique) durent en moyenne une dizaine de milliers d'années.

Quelques exemples :

- Comparaison entre les deux derniers interglaciaires
Inclinaison, excentricité et précession se sont combinées de façon particulièrement favorables pour conduire il y a 128 000 ans à l'avant dernière grande déglaciation (position de la Terre en été de l'H.N. proche du Soleil et forte inclinaison de l'axe de rotation, atteignant 24,2°). Une conjonction semblable, favorable à la déglaciation, a eu lieu il y a 11 000 ans avec la distance Terre-Soleil faible en été H.N. et une forte inclinaison (24,2°), qui a conduit à l'établissement de l'interglaciaire actuel. Cependant, l'excentricité ayant été plus forte il y a 128 000 ans qu'il y a 11 000 ans, le précédent interglaciaire a connu des étés plus chauds que l'actuel, ce qui s'est traduit par une température moyenne plus élevée (une estimation d'environ 2 degrés semble plausible) ainsi qu'un niveau des mers plus haut de quelques mètres (une estimation d'environ 2 mètres semble également plausible).

Depuis le précédent interglaciaire (centré sur environ 125 000 ans) les situations qui, à chaque cycle de précession, correspondaient à une distance Terre-Soleil faible en été (H.N.), n'ont pas été renforcées par une forte inclinaison : il y a 100 000 ans (position B sur la figure Théorie astronomique du climat/précession), l'inclinaison était particulièrement faible et n'a conduit qu'à un interstade chaud où le niveau des mers est resté d'environ 16 mètres plus bas que le niveau actuel.

- L'interglaciaire actuel
Il y a 11 000 ans , dans l'HN, la Terre se trouvait le plus proche du soleil en été (configuration étés chauds, hivers froids). Actuellement au cours de l'année (voir la figure Marche des saisons), c'est en été (de HN) que la Terre se trouve le plus éloigné du soleil (configuration étés frais, hivers doux). Ceci peut être mis en relation avec le fait qu'au cours des dix mille dernières années, les hautes latitudes de l'hémisphère nord se sont progressivement refroidies : le pergélisol initialement restreint aux très hautes latitudes a progressé vers le sud. Une telle situation prépare l'établissement d'une couverture neigeuse permanente aux hautes latitudes de l'hémisphère nord, prémisse à la prochaine glaciation. C'est ce qui limite en général la durée d'un interglaciaire à une dizaine de milliers d'années. Cependant dans le cas actuel....

- Le futur ?
Dans le cas actuel, l'excentricité de l'ellipse étant particulièrement faible, alors que l'inclinaison est loin d'être à son minimum, la situation est peu favorable au retour d'une glaciation; de plus, cette situation va évoluer progressivement à l'établissement d'étés de plus en plus chauds en H.N. (diminution de la distance Terre-Soleil en juin, au cours des prochains milliers d'années (voir la figure Théorie astronomique du climat/précession). Tout indique l'absence de construction d'une calotte dans les prochains siècles, prochains millénaires, mais à nouveau un réchauffement naturel des étés de l'H.N. Que nous enseigne le passé ?

Cette configuration astronomique est rare au cours des dernières centaines de milliers d'années (faible excentricité) mais s'est produite il y a environ 400 000 ans (stade isotopique 11), où l'interglaciaire a été particulièrement long (environ 30 000 ans). A cette époque, le balancier des 11 000 ans a peu joué, et le nouveau cycle de 22 000 ans s'est établi alors que le niveau des mers était encore élevé. Bien que la reconstitution du climat de cette époque soit encore difficile, les données actuelles suggèrent un état plus chaud que la moyenne des interglaciaires (cela semble être la seule époque où l'on ait trouvé des pollens de vigne sauvage dans le Vercors), et un niveau des mers plus élevé (une dizaine de mètres ?).

Sources © CNRS - Marie-Antoinette Mélières