Les climats de la Terre : comprendre le passé pour anticiper l'avenir

Une carotte sédimentaire marine donne, pour deux niveaux datés, les indicateurs suivants. Niveau A : δ¹⁸O des tests de foraminifères = +3,5 ‰, pollens dominés par graminées et bouleau nain (toundra). Niveau B : δ¹⁸O des tests = +1,5 ‰, pollens dominés par chêne et noisetier (forêt tempérée). Reconstituer le climat de chaque niveau, les classer du plus froid au plus chaud et justifier.

1. 01Interpréter le δ¹⁸O des tests

   Dans les tests calcaires de foraminifères, un δ¹⁸O élevé signe une période froide : en période glaciaire, l'eau légère ¹⁶O est piégée dans les calottes, l'océan s'enrichit donc en ¹⁸O, valeur reportée dans le test. Le niveau A (+3,5 ‰) est plus enrichi que le niveau B (+1,5 ‰), donc plus froid.

   $$\delta^{18}\mathrm{O}_{\text{tests}}\ \text{élevé} \;\Longrightarrow\; \text{période froide (englacement)}$$
2. 02Confirmer par les pollens

   Le niveau A (toundra : graminées, bouleau nain) correspond à un climat froid, cohérent avec son δ¹⁸O élevé. Le niveau B (forêt de chênes et noisetiers) correspond à un climat tempéré et plus doux, cohérent avec son δ¹⁸O plus faible. Les deux proxies se confirment mutuellement, ce qui fiabilise la reconstitution.

3. 03Classer et conclure

   Le niveau A est plus froid que le niveau B. La concordance δ¹⁸O / pollens (deux indicateurs indépendants) lève l'ambiguïté propre à un proxy isolé et valide le diagnostic climatique.

Résultat : Niveau A = climat froid (probable épisode glaciaire) ; niveau B = climat tempéré doux (probable interglaciaire). Classement du plus froid au plus chaud : A puis B, conclusion étayée par la cohérence du δ¹⁸O des tests et des assemblages polliniques.

Sur une carotte de glace antarctique couvrant les 800 000 dernières années, l'analyse spectrale du signal climatique fait ressortir une périodicité dominante voisine de 100 000 ans, accompagnée de composantes secondaires vers 41 000 et 21 000 ans. Identifier les paramètres orbitaux correspondants et expliquer comment un forçage de faible amplitude peut produire des cycles glaciaires marqués.

1. 01Associer chaque périodicité à un paramètre

   La période ≈ 100 000 ans correspond à l'excentricité de l'orbite ; ≈ 41 000 ans à l'obliquité de l'axe ; ≈ 21 000 ans à la précession des équinoxes. La concordance entre les périodes du signal climatique et les périodes astronomiques connues est l'argument central de la théorie de Milankovitch.

   $$100\ \text{ka} \to \text{excentricité} \;;\; 41\ \text{ka} \to \text{obliquité} \;;\; 21\ \text{ka} \to \text{précession}$$
2. 02Expliquer l'effet sur l'insolation

   Ces paramètres ne changent pas l'énergie émise par le Soleil mais la quantité et la répartition de l'insolation reçue, en particulier l'insolation estivale aux hautes latitudes de l'hémisphère nord, qui contrôle la fonte ou la croissance des calottes : un été frais y laisse subsister la neige et fait croître les glaces (entrée en glaciation).

3. 03Invoquer les rétroactions amplificatrices

   Le forçage orbital est énergétiquement faible. Il est amplifié par des rétroactions positives : l'extension de la glace augmente l'albédo (plus de rayonnement réfléchi → refroidissement supplémentaire), et la baisse du CO₂ et du CH₄ en période glaciaire réduit l'effet de serre (refroidissement accru). Ces boucles transforment un petit forçage en grand cycle climatique.

Résultat : Les périodicités ≈ 100 / 41 / 21 ka correspondent respectivement à l'excentricité, l'obliquité et la précession. Le forçage orbital, faible mais bien calé en période, déclenche les transitions ; les rétroactions albédo et gaz à effet de serre les amplifient et expliquent l'ampleur des cycles glaciaires.

Sur la carte des anomalies magnétiques de l'Atlantique nord, une anomalie datée de 80 millions d'années se situe à 1 600 km de l'axe de la dorsale. Sur le même profil, une anomalie datée de 50 millions d'années se situe à 600 km de l'axe. 1) Calculer la demi-vitesse d'expansion moyenne sur les deux intervalles et la vitesse d'ouverture totale correspondante. 2) Comparer les deux résultats. 3) Relier cette comparaison aux variations climatiques du Crétacé.

1. 01Poser la relation et calculer la première demi-vitesse

   Le plancher océanique s'éloigne de l'axe à mesure qu'il se forme : la distance qui sépare une anomalie magnétique de l'axe, rapportée à l'âge de cette anomalie, donne donc la DEMI-VITESSE d'expansion, celle d'un seul flanc. Attention à l'unité : 1 km par million d'années vaut exactement 1 mm par an, ce qui rend la conversion immédiate. La vitesse d'OUVERTURE de l'océan est le double, puisque les deux flancs s'écartent simultanément — ici 4,0 cm par an.

   $$v_{1/2} = \dfrac{d}{t} = \dfrac{1600\ \mathrm{km}}{80\ \mathrm{Ma}} = 20\ \mathrm{km\ Ma^{-1}} = 2{,}0\ \mathrm{cm\ an^{-1}}$$
2. 02Calculer la seconde demi-vitesse et comparer

   Pour l'anomalie de 50 millions d'années : 600 km divisés par 50 millions d'années donnent 12 km par million d'années, soit 1,2 cm par an, et une vitesse d'ouverture de 2,4 cm par an. Entre les deux périodes considérées, la demi-vitesse est donc passée de 2,0 à 1,2 cm par an : l'activité de la dorsale a nettement DIMINUÉ depuis le Crétacé.

3. 03Relier au climat

   Une dorsale plus active produit deux effets simultanés. Elle dégaze davantage de CO₂, ce qui renforce l'effet de serre et réchauffe. Et elle fabrique un plancher océanique jeune, donc chaud et dilaté, qui occupe plus de volume dans les bassins et refoule l'eau sur les continents : le niveau marin s'élève et de vastes mers peu profondes envahissent les continents, où se déposent des calcaires tels que la craie. Le ralentissement mesuré ici va donc dans le même sens que la sortie progressive du régime chaud crétacé.

Résultat : La demi-vitesse d'expansion vaut 2,0 cm par an sur l'intervalle le plus ancien (vitesse d'ouverture 4,0 cm par an) contre 1,2 cm par an sur le plus récent (2,4 cm par an) : l'activité de la dorsale a diminué d'environ 40 %. Comme une dorsale plus active dégaze plus de CO₂ et élève le niveau marin, ce ralentissement est cohérent avec le mécanisme que le programme retient pour expliquer le Crétacé chaud et son refroidissement ultérieur.

On donne la courbe de Keeling (CO₂ atmosphérique en hausse continue de ≈ 315 ppm en 1958 à > 410 ppm vers 2020) et la courbe de l'anomalie de température globale (en hausse de plusieurs dixièmes de degré sur la même période). Montrer la corrélation, argumenter l'origine anthropique du réchauffement, et préciser pourquoi la corrélation seule ne suffit pas à conclure.

1. 01Établir la corrélation

   Sur la période 1958–2020, le CO₂ atmosphérique et l'anomalie de température globale augmentent simultanément. Les deux grandeurs évoluent dans le même sens : elles sont positivement corrélées. La même corrélation CO₂/température se retrouve sur les carottes de glace au fil des cycles glaciaires, ce qui renforce la robustesse du lien.

2. 02Relier la hausse du CO₂ aux activités humaines

   La hausse du CO₂ débute avec l'ère industrielle (≈ 1850) et s'accélère ensuite ; elle coïncide avec la combustion croissante des énergies fossiles et la déforestation. La signature isotopique du carbone (appauvrissement en ¹³C et ¹⁴C, caractéristique du carbone fossile) confirme que le surplus de CO₂ provient bien des combustibles fossiles.

   $$\text{combustion fossiles + déforestation} \;\Rightarrow\; [\mathrm{CO_2}] \uparrow \;\Rightarrow\; \text{effet de serre} \uparrow \;\Rightarrow\; T \uparrow$$
3. 03Distinguer corrélation et causalité

   Une corrélation ne prouve pas, à elle seule, un lien de cause à effet (deux grandeurs peuvent varier ensemble sans que l'une cause l'autre). Ici, la causalité est établie par la convergence de plusieurs arguments : le mécanisme physique d'absorption de l'infrarouge par le CO₂, la datation de la hausse (postérieure à 1850), la signature isotopique du carbone fossile, et le fait que seuls les modèles climatiques intégrant les émissions humaines reproduisent la courbe de température observée.

Résultat : CO₂ et température sont fortement corrélés (période industrielle ET carottes de glace) ; l'origine anthropique est démontrée par la convergence mécanisme/datation/isotopes/modèles. La corrélation seule est insuffisante : c'est le faisceau d'arguments concordants qui établit la causalité.

Un graphique du GIEC montre la température globale projetée jusqu'en 2100 pour trois trajectoires d'émissions (sobre, intermédiaire, fortement émettrice), chacune entourée d'une fourchette. Décrire ce que montre ce faisceau, expliquer les deux origines de l'incertitude, puis classer en atténuation ou adaptation : (1) développer l'éolien et le solaire ; (2) surélever des digues côtières ; (3) reboiser ; (4) instaurer des plans canicule ; (5) réduire la consommation de viande.

1. 01Décrire le faisceau de scénarios

   Les trajectoires divergent au fil du siècle : le scénario sobre stabilise le réchauffement autour de +1,5 à +2 °C, l'intermédiaire vers +3 °C, le fortement émetteur au-delà de +4 °C. L'écart entre scénarios montre que l'avenir climatique dépend d'abord des émissions humaines à venir, c'est-à-dire de choix de société.

2. 02Distinguer les deux incertitudes

   L'incertitude vient (1) du scénario d'émissions — non réductible par la science, elle dépend des décisions futures (énergie, politiques) — et (2) de la réponse du système climatique — sensibilité climatique et rétroactions (nuages, pergélisol, albédo), qui élargissent la fourchette autour de chaque trajectoire. L'incertitude porte sur l'AMPLEUR, pas sur l'existence du réchauffement.

   $$\text{incertitude} = \underbrace{\text{scénario d'émissions}}_{\text{choix humains}} \;+\; \underbrace{\text{réponse du climat}}_{\text{sensibilité, rétroactions}}$$
3. 03Classer les actions

   Atténuation (réduire les causes/émissions ou renforcer les puits) : (1) éolien et solaire — énergies décarbonées ; (3) reboiser — puits de carbone ; (5) réduire la viande — moins d'émissions (CH₄ de l'élevage, déforestation). Adaptation (limiter les conséquences) : (2) surélever les digues — face à la montée des eaux ; (4) plans canicule — face aux extrêmes thermiques.

Résultat : Le faisceau encadre un éventail de futurs (de ≈ +1,5–2 °C à > +4 °C) dont l'amplitude dépend surtout des émissions ; l'incertitude combine scénario d'émissions et réponse du climat. Atténuation : (1), (3), (5). Adaptation : (2), (4). Les deux leviers sont complémentaires, aux échelles individuelle et collective.