Quels sont les liens entre l'orbite de la Terre et son climat ?

La réponse de

Auteur Didier Paillard

Didier Paillard

Didier Paillard est ingénieur CEA et paléoclimatologue au Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement (LSCE) à Gif-sur-Yvette. Il s’intéresse particulièrement à la réponse non linéaire du système climatique aux changements climatiques passés, en particulier sur les cycles glaciaires-interglaciaires et sur la variabilité climatique à l’échelle millénaire. Il a reçu, en 2013, la Médaille Milutin Milancović

Centre national de la recherche scientifique
Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat

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Le climat de notre planète est influencé par les positions relatives de la Terre et du Soleil (par les paramètres orbitaux de la Terre). Depuis l'antiquité, les hommes ont identifié deux cycles astronomiques déterminants pour le climat et qui nous semblent aller de soi, le jour (la rotation de la Terre sur elle-même) et l'année (la révolution de la Terre autour du Soleil). Ainsi, le calendrier et le retour des saisons est certainement la première grande découverte en climatologie. Depuis l'antiquité également, les astronomes ont identifié un «troisième mouvement» de la Terre : la précession des équinoxes, qui possède une périodicité de 25 700 ans. Dès la découverte des périodes glaciaires au XIXème siècle, il a été suggéré que celles-ci étaient cycliques et causées par ce «troisième mouvement» de la Terre, ou par d'autres variations astronomiques à long terme. Ainsi, la théorie de Milankovitch, énoncée au début du XXème siècle, prédit que ces périodes glaciaires doivent survenir environ tous les 41 000 ans, ce qui correspond à la périodicité des variations de l'obliquité de la Terre, c'est-à-dire l'inclinaison de notre planète sur son orbite (qui détermine notamment la latitude des tropiques et des cercles polaires). Néanmoins, depuis les années 1970, il est maintenant prouvé que ces cycles climatiques sont avant tout rythmés par les variations de l'excentricité de l'orbite terrestre et surviennent environ tous les 100 000 ans. Il est donc bien établi que ces grands cycles climatiques sont liés aux variations orbitales de la Terre, mais les mécanismes mis en jeu restent mystérieux. En effet, les variations d'excentricité tous les 100 000 ans sont beaucoup trop faibles pour affecter directement le climat.

Prenons un exemple simple. Tous les matins ma cafetière produit du café chaud pour le petit-déjeuner. Sa température est donc parfaitement corrélée avec le cycle diurne. Mais ce ne sont pas les rayons du Soleil levant qui expliquent ce phénomène, mais plutôt la mise en marche d'une résistance électrique chauffante déclenchée par un programmateur, lui-même calé sur le cycle diurne. De la même façon, les périodes glaciaires sont rythmées par les variations de l'excentricité de la Terre, mais il est abusif de dire qu'elles sont causées par ces variations orbitales. Les processus mis en jeu sont encore incertains, mais le rôle de la concentration atmosphérique en CO2 semble essentiel.

En effet, depuis le XIXème siècle certains scientifiques soupçonnent que la cause des cycles glaciaires soit liée à des changements dans le cycle du carbone et à l'effet de serre correspondant. C'est ainsi que S. Arrhénius fut le premier à tenter de calculer, dès 1896, l'influence du CO2 sur le climat. Bien que son modèle soit incorrect, le résultat obtenu (un réchauffement d'environ 5°C pour un doublement du CO2 atmosphérique) est proche des meilleurs estimations actuelles (3,5°C pour un doublement du CO2 atmosphérique). Cela lui permettait d'expliquer un refroidissement de quelques degrés en période glaciaire, pour une baisse de CO2 qu'il estimait à 40%.

Grâce aux forages de glace en Antarctique, nous savons désormais que le CO2 était effectivement plus bas en période glaciaire, d'environ 30%. Les modèles les plus perfectionnés nous disent que la température du dernier maximum glaciaire s'explique pour moitié par la baisse du CO2 et pour moitié par la présence d'une énorme calotte de glace aux hautes latitudes de l'hémisphère nord (les changements orbitaux ayant un rôle négligeable sur la température globale de la Terre). Comme cela est montré sur la figure ci-dessous, l'augmentation du CO2 durant la dernière déglaciation n'est pas une conséquence de la fonte des calottes. Il est plus probable qu'il s'agisse d'une de ses causes, avec aussi l'augmentation de l'insolation d'été au-dessus des calottes, conformément à la théorie de Milankovitch. Pour résoudre la question des cycles glaciaires et du rôle des variations orbitales sur le climat, il faut donc comprendre pourquoi le CO2 atmosphérique change en liaison avec l'évolution des calottes de glace et des paramètres orbitaux.

Une explication prometteuse fait intervenir la circulation océanique profonde, notamment la formation des eaux de fond autour de l'Antarctique, qui contrôlent en grande partie la stratification verticale de l'Océan global et sa capacité à stocker du CO2. Les variations du niveau marin liées aux changements des calottes de l'hémisphère nord, mais aussi les variations de l'étendue de la calotte Antarctique, vont modifier la topographie des zones de formation et les caractéristiques des courants de densité qui plongent vers les abysses. En couplant de cette manière la théorie astronomique de Milankovitch et la théorie géochimique d'Arrhénius, il est dorénavant possible d'esquisser une vision cohérente des cycles glaciaire-interglaciaire (Paillard et Parrenin1, 2004).

<p>Le temps, sur l’axe horizontal, s’écoule de droite à gauche, entre 25 000 ans et 5 000 ans avant le présent.</p>

<p>De haut en bas :</p>

<p><strong>1 -</strong> Insolation au sommet de l’atmosphère, au solstice de juin, à 65°N (Berger, 1978). Il s’agit du « forçage astronomique » qui, selon la théorie de Milankovitch, permet de contrôler l’étendue des calottes de glace de l’hémisphère Nord. Ce forçage n’a, en fait, pas d’effet direct sur la température globale. (L’insolation dans l’hémisphère sud est très différente.)</p>

<p><strong>2 -</strong> Niveau marin (Fairbanks, 1989 ; Bard et al., 1996). La fonte des calottes se déroule essentiellement entre 14 000 et 6 000 ans avant le présent ;</p>

<p><strong>3 -</strong> Températures au Groenland (Dansgaard et al., 1993). Un réchauffement net et brutal survient il y a 14 000 ans ;</p>

<p><strong>4 -</strong> Concentration atmosphérique en <span class="caps">CO</span><sub>2</sub> (Monnin et al., 2001). L’essentiel de l’augmentation du <span class="caps">CO</span><sub>2</sub> s’effectue avant 11 000 ans, alors que les calottes sont à mi-chemin de leur fonte, et par conséquent le niveau marin aussi;</p>

<p><strong>5 -</strong> Température en Antarctique (Stenni et al., 2001). Le réchauffement est quasiment synchrone avec la remontée du <span class="caps">CO</span><sub>2</sub>.</p>

<p>Cette figure montre clairement que l’augmentation du <span class="caps">CO</span><sub>2</sub> atmosphérique n’est pas une conséquence de la fonte des calottes de glace. En effet, la  concentration du <span class="caps">CO</span><sub>2</sub> a déjà atteint 240 ppm alors que le niveau marin a à peine changé à 14 000 ans avant le présent.</p>




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Notes

  • 1. Paillard, D., and Parrenin, F., The Antarctic ice-sheet and the triggering of deglaciations, Earth Planet. Sci. Lett. (2004), vol. 227 (3-4), pp. 263-271.

Glossaire

  • Paramètres orbitaux de la Terre
    Éléments qui définissent la forme de l’orbite terrestre, sa distance moyenne par rapport au Soleil et l’orientation de son axe de rotation par rapport au plan de l’orbite. La forme de l’orbite terrestre, très proche d’une ellipse, est définie par son demi grand axe et son excentricité. L’orientation de l’axe de rotation est déterminée par l’obliquité (angle de cet axe avec la normale au plan de l’orbite terrestre) et par la position de cet axe sur un cône qui est décrit en 26 000 ans. L’excentricité permet de caractériser la distance plus ou moins grande qui existe entre le centre d'une ellipse et ses foyers. Plus l'ellipse est excentrique, plus elle est «aplatie». L’obliquité caractérise l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre sur le plan de son orbite, que l'on appelle encore plan de l'écliptique. La direction de l’axe de rotation de la Terre, fixe au cours d’un cycle saisonnier, détermine deux équinoxes et deux solstices (d’hiver et d’été). En raison du bourrelet équatorial, la position des solstices et des équinoxes se déplace progressivement dans l’ellipse que forme la trajectoire de la terre autour du Soleil, avec une périodicité de 20 000 ans environ. On appelle ce processus la «précession» des équinoxes. L’intervalle de temps séparant deux passages successifs au point vernal (point gamma ou équinoxe de printemps) détermine l’année sidérale, période de révolution de la Terre sur son orbite (365,25 jours).
    [Source : Club des Argonautes]
  • Période glaciaire (Glaciation)
    Époque caractérisée par la présence de calottes glaciaires sur l’Amérique du Nord et sur l’Eurasie, qui atteignent, par endroits, de 4 à 5 km d’épaisseur et s’étendent sur plusieurs milliers de kilomètres. Cette période est également marquée par une chute du niveau moyen des mers (jusqu’à 130 m au dernier maximum glaciaire, il y a environ 20 000 ans).
    [D’après : Marie-Antoinette Mélières (LGGE) en collaboration avec Estelle Poutou - © CNRS/sagascience]
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Pour en savoir plus

Les références de la figure

  • Berger, A., Long-term variations of daily insolation and Quaternary climatic change, J. Atmos. Sci. (1978), vol. 35, pp. 2362-2367.
  • Fairbanks, R., A 17,000 year glacio-eustatic sea level record: influence of glacial melting rates on the Younger Dryas event and deep ocean circulation, Nature (1989), vol. 342, pp. 637-642.
  • Bard, E. et al., Deglacial sea-level record from Tahiti corals and the timing of global meltwater discharge, Nature (1996), vol. 382, pp. 241-244.
  • Dansgaard, W. et al., Evidence for general instability of past climate from a 250-kyr ice-core record, Nature (1993), vol. 364, pp. 218-220.
  • Monnin, E. et al., Atmospheric CO2 Concentrations over the Last Glacial Termination, Science (2001), vol. 291, pp. 112-114.
  • Stenni, B. et al., An oceanic cold reversal during the last deglaciation, Science (2001), vol. 293 (5537), pp. 2074-2077.

Autres références

  • Paillard, D., Climate and the orbital parameters of the Earth, C. R. Geoscience (2010), vol. 342, pp. 273-285.
  • Paillard, D., et Parrenin, F., Le paradoxe de la fonte des glaces, La Recherche (2004), vol. Hors Série n°15, pp. 28-31.
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