Comment connaît-on l’évolution passée du climat ?

La réponse de

Auteur Elsa Cortijo

Elsa Cortijo

Paléoclimatologue, Elsa Cortijo est directrice de recherche au CNRS et directrice adjointe du Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (LSCE) à Gif-sur-Yvette. Elle étudie les variations rapides du climat, en périodes glaciaire et interglaciaire, au cours des derniers cent mille ans, à partir de carottes de sédiment marin. Son objectif est de comprendre les mécanismes naturels responsables de cette variabilité.

Centre national de la recherche scientifique
Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat
Auteur Valérie Masson-Delmotte

Valérie Masson-Delmotte

Directrice de recherche au CEA (Commissariat à l’énergie atomique), Valérie Masson-Delmotte travaille au laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (LSCE) où elle est responsable du groupe « Dynamique et archives du climat ». Elle s’intéresse à l'évolution du climat, à des échelles de temps allant des derniers siècles jusqu'aux glaciations, et à l'apport des climats passés pour tester le réalisme des modèles de climat. Elle a participé à deux campagnes de terrain au nord du Groenland. Valérie Masson-Delmotte a contribué à la rédaction des 4e et 5e rapports du GIEC (2007 et 2013) et au rapport Antarctic Climate and Environment (2009). Elle est l’auteure de plusieurs ouvrages pour le grand public dont Climat : le vrai et le faux (Paris, Le Pommier, 2011) et Les expéditions polaires (avec G. Jugie, Paris, Le Pommier, 2007).

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Comment connaît-on les variations passées du climat à la surface des continents ?

Les continents offrent une large variété d’archives climatiques dans les sols, les lœss, les lacs, les tourbières, la végétation, les glaces continentales et polaires, les nappes phréatiques, et les zones côtières1. Ils donnent accès à des indicateurs qualitatifs ou quantitatifs. Les marques laissées par les variations d’extension des glaciers, les modifications des cours d’eau ou de niveaux des mers permettent également de caractériser l’évolution au cours du temps des surfaces continentales.

Les variations passées de température à la surface des continents affectent le profil vertical de température dans les sols ou dans les glaces polaires. À partir de mesures de profils de température dans différents trous de forage (mines, forages et carottages), il est possible d’estimer l’ampleur des variations passées de la température de surface. De nombreuses méthodes indirectes ont été développées pour caractériser les changements de température (de l’air ou de l’eau, en surface) ou du cycle de l’eau (bilan précipitation moins évaporation, accumulation de neige, etc.). Ces méthodes s’appuient sur des mesures de paramètres biologiques et physico-chimiques sur les différentes archives disponibles.

Les archives continentales permettent également de caractériser la fréquence et/ou l’intensité d’événements extrêmes. Par exemple :

  • l’extension/intensité des sécheresses passées à partir de bases de données dendrochronologiques ;
  • les feux de biomasse à partir de l’analyse des particules de charbon
  • la fréquence de crues à partir de marqueurs sédimentaires et géochimiques dans les sédiments lacustres ;
  • les fortes précipitations liées aux tempêtes tropicales grâce aux compositions isotopiques de cernes d’arbres ou de lamines de spéléothèmes ;
  • ou encore l’occurrence de submersions marines grâce aux sédiments de lagunes.

 

<p>Ces carottes sont lues à la loupe binoculaire et l'épaisseur des cernes annuels est mesurée. L'étude de l'épaisseur des cernes annuels en fonction du climat permet de reconstruire les climats du passé : c'est le domaine de la dendroclimatologie.</p>




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<p>En brun : sédiments tourbeux (organiques). En beige : sédiments carbonatés (craie lacustre déposée en pleine eau). L'objectif de la recherche est la reconstitution des variations des climats du passé par l'étude des fluctuations du niveau des lacs du Jura, de Savoie et du Plateau suisse.</p>




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<p>Le forage <span class="caps">EPICA</span> a atteint la profondeur maximale de 3 270,20 m en 2004, soit 8 m au dessus du socle rocheux. En analysant cette glace antarctique, les chercheurs ont reconstitué sur 800 000 ans l'évolution des teneurs en <span class="caps">CO</span><sub>2</sub> et méthane, les deux principaux gaz à effet de serre après la vapeur d'eau.</p>




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Comment connaît-on les variations passées de la circulation océanique ?

L’océan génère des archives sédimentaires ou coralliennes qui permettent de reconstruire l’évolution temporelle des paramètres hydrologiques (température, salinité, acidité des eaux marines, etc.) ou biologiques (notamment la productivité marine).

La température de surface des océans est un paramètre essentiel du climat car elle contrôle les échanges d’eau et de chaleur avec l'atmosphère. Elle module aussi la solubilité des gaz et leur taux d'échange avec l'atmosphère. C’est aussi le paramètre le plus largement reconstruit à partir de différents indicateurs. Depuis le xixe siècle, la distribution géographique des assemblages de différents groupes, qui constituent l’écosystème marin, a fait l’objet d’études systématiques. Celles-ci ont permis d’établir les relations entre climat et abondance de certaines espèces. Depuis, les progrès instrumentaux ont permis la découverte de nouveaux indicateurs fondés, par exemple, sur l’étude de molécules organiques (notamment dans les algues marines) ou sur les compositions chimiques et isotopiques des squelettes coralliens et des coquilles carbonatées (foraminifères).

Il est également possible de quantifier la température des eaux profondes.

Un autre paramètre important est la salinité de l’océan. Le cycle hydrologique (par exemple, la variabilité du bilan évaporation/précipitation) va affecter la salinité. Or, la densité de l’eau de mer dépend de sa température et de sa salinité. Les variations de densité de l’eau de mer sont responsables de la circulation profonde de l'océan. La détermination de la salinité des masses d'eau océaniques dans le passé est donc nécessaire pour comprendre pourquoi et comment les circulations océaniques ont changé lorsque les conditions climatiques étaient différentes de celles d'aujourd'hui. Les reconstructions de salinité sont fondées sur la géochimie des carbonates ou des eaux interstitielles des sédiments marins.

La circulation profonde de l’océan est conditionnée par la densité des masses d’eau. Dans sa partie superficielle, la circulation océanique est gouvernée par les vents et par la position des continents. Les variations de ces différents paramètres vont donc influencer l’évolution de la circulation océanique et la répartition des échanges d’énergie. Ces changements de circulation et de température vont également influencer le cycle du carbone océanique et la chimie de l’océan à travers son alcalinité. Là encore, plusieurs indicateurs servent de base à la reconstruction de ces différents paramètres : par exemple, la composition isotopique du bore et du carbone dans les coquilles carbonatées de différents organismes (coraux, mollusques) ou de micro-organismes (foraminifères) marins.

Des mesures des isotopes du carbone (notamment la concentration en carbone 13 dans les coquilles carbonatées de foraminifères benthiques) ou des rapports de concentration entre différents isotopes de la famille de l’uranium (le protactinium et le thorium) permettent également de reconstruire indirectement les changements de circulation profonde de l’océan. Les résultats obtenus par ces différentes méthodes permettent de diminuer les barres d’erreur des reconstructions prises individuellement.

Comment sont datées ces archives du climat ?

Pour que notre vision du système climatique dans le passé soit complète, il est indispensable de croiser les archives et de comparer les résultats continentaux et océaniques. Cela implique que toutes les archives climatiques soient datées mais aussi rassemblées sur une échelle de temps commune et absolue.

Les méthodes de datation peuvent être relatives (synchronisation entre différents enregistrements par l’utilisation d’horizons repères identifiés, ou calage par rapport au forçage orbital). Elles peuvent également être absolues en mettant en œuvre des méthodes isotopiques de mesure de différents radio-éléments (méthodes carbone 14, uranium/thorium ou potassium/argon, par exemple) ou des méthodes plus « naturalistes » telles que le comptage de couches annuelles (cernes d'arbres, lamines sédimentaires annuelles ou cycles saisonniers des propriétés physiques, chimiques et isotopiques de carottes de glace).

<p>Vue générale de l'installation depuis le détecteur. Ce nouveau spectromètre de masse par  accélérateur, pour la datation du carbone 14, permettra de dater, en mode automatique, 4 500 échantillons par an, ce qui va permettre de mesurer les échantillons demandés par la communauté nationale qui, jusqu'à présent, étaient envoyés à l'étranger.</p>




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Comment connaît-on les causes des variations climatiques passées ?

Les calculs astronomiques permettent d’estimer très précisément les variations passées de l’orbite terrestre, qui modulent la répartition de l’ensoleillement selon les latitudes et les saisons.

Par ailleurs, les archives naturelles enregistrent l’historique de certains facteurs qui agissent sur le climat. Par exemple, la composition chimique des glaces polaires permet d’estimer la quantité de particules émises par les éruptions volcaniques dans l’atmosphère. Autre exemple, les variations d’activité solaire modulent la production de certaines molécules (comme le carbone 14 ou le béryllium 10) dans la haute atmosphère, dont les fluctuations sont ensuite enregistrées dans différentes archives. Ces archives naturelles permettent aussi de connaître directement (grâce à l’air piégé dans les glaces polaires) ou indirectement (via leur impact sur les milieux terrestres ou marins) l’évolution passée de la teneur en dioxyde de carbone dans l’atmosphère.

Enfin, un ensemble de méthodes permet de caractériser l’évolution de la topographie : formation des reliefs, position des continents et des océans, niveau des mers et volume des calottes de glace.

La compréhension de la dynamique du climat est construite sur l’analyse des relations entre forçages externes (orbite terrestre, activité solaire, activité volcanique) et variabilité climatique passée. Elle se fonde également sur l’analyse des causes internes de variabilité du climat : par exemple, la sensibilité de la circulation thermohaline à un apport brutal d’eau douce induit par la fonte de calottes de glace. Ces analyses reposent, à la fois, sur des méthodes statistiques d’analyse des données paléoclimatiques, et sur l’utilisation d’une hiérarchie de modèles de climat qui permet de quantifier théoriquement l’impact des forçages externes ou de rétroactions internes du système « Terre » et de les confronter aux reconstructions.

Plusieurs méthodes de confrontation entre reconstructions et simulations du climat sont déployées :

  • la reconstruction de paramètres climatiques et la comparaison aux mêmes paramètres simulés ;
  • ou la modélisation des indicateurs (comme la composition isotopique des précipitations ou la représentation du plancton marin) dans les modèles de climat et la comparaison directe aux paramètres mesurés sur les archives naturelles.

Ces confrontations entre modèles et données permettent de comprendre les mécanismes des changements de climat, les relations entre une information locale et les mécanismes de plus grande échelle des changements, et les sources d’incertitude sur les reconstructions indirectes. Enfin, elles fournissent un banc d’essai sur la capacité des modèles de climat à représenter correctement l’amplitude, la vitesse et la structure spatiale des changements climatiques passés.

<p>La carte représente les différences de température de l'air de surface (en Kelvin) entre le dernier maximum glaciaire et l'époque pré-industrielle. La simulation du climat glaciaire résulte de la moyenne entre les sorties de 7 modèles numériques différents.</p>

<p>Les calottes polaires se trouvent à l’emplacement des zones en bleu foncé sur la carte.</p>




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Notes

  • 1. Ce texte est adapté de : Masson-Delmotte (V.) et E. Cortijo, « L'étonnante diversité des capteurs cachés », dans Le climat à découvert, Paris, CNRS Éditions, 2011, p. 113-115.

Glossaire

  • Lœss
    Dépôts éoliens des périodes glaciaires. Ces archives paléoclimatiques sont étudiées depuis presque 150 ans.
  • Dendrochronologie
    Identification des cernes de croissance annuels des arbres et utilisation de cette information pour dater des échantillons de bois à partir de séries de référence régionales.
    [D’après : « Le climat à découvert »]
  • Spéléothèmes
    Dépôts minéraux précipités dans une grotte.
  • Productivité
    Production de biomasse que l’ensemble des organismes d’un écosystème fabrique par unité de surface et de temps.
    [Source : « Le climat à découvert »]
  • Foraminifère
    Organisme unicellulaire, de milieu marin ou saumâtre, qui sécrète un squelette (organique, carbonaté, agglutiné, ou siliceux) pouvant être préservé dans les sédiments marins.
    [D’après : « Le climat à découvert »]
  • Alcalinité
    Capacité de l’eau à maintenir son pH constant lors d’une adjonction d’acide liée à la présence d’ions carbonates, d’ions bicarbonates, d’ions hydroxydes, de phosphates et de silicates.
    [D’après : « Le climat à découvert »]
  • Horizon repère
    Unité stratigraphique de même âge qui est présente dans différents lieux géographiques (par exemple, couche de cendre liée à une violente explosion volcanique). Elle permet de faire des corrélations entre différents enregistrements dans différentes archives.
    [D’après : « Le climat à découvert »]
  • Forçage orbital
    Modifications de la répartition de l’énergie solaire incidente, au sommet de l’atmosphère, en fonction de la latitude et de la saison, à cause de variations périodiques des paramètres de l’orbite de la Terre autour du Soleil (excentricité, obliquité et précession des équinoxes).
    [Source : « Le climat à découvert »]
  • Circulation thermohaline
    Organisation globale de la circulation océanique (en fonction de la latitude et de la profondeur), liée aux différences de densité de l’eau de mer (liée à sa température et à sa salinité), et qui exporte de la chaleur des basses vers les hautes latitudes. Les mouvements de surface des courants marins sont également pilotés par la rotation de la Terre et la direction des vents.
    [D’après : « Le climat à découvert »]
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