Climat et variabilité climatique

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

Le cadre hérité de la première année

Le moteur du système climatique est le déséquilibre du bilan radiatif. Entre environ 35 degrés de latitude nord et 35 degrés de latitude sud, la Terre reçoit plus d'énergie solaire qu'elle n'en réémet vers l'espace, et c'est l'inverse aux hautes latitudes. Les circulations atmosphérique et océanique redistribuent cet excédent vers les pôles, chacune pour environ la moitié du transport. Les transferts se font par rayonnement, par conduction et par convection, cette dernière incluant les variations d'enthalpie liées aux changements d'état de l'eau. L'évaporation tropicale stocke de l'énergie sous forme de chaleur latente, restituée à la condensation, ce qui est central pour comprendre la mousson.

Variabilité à courte échelle de temps : la mousson

La mousson est le seul exemple exigible de couplage climatique océan-atmosphère à courte échelle de temps, de l'interannuel au multidécennal.

Le mécanisme repose sur un contraste thermique. L'eau de mer a une capacité thermique massique élevée et brasse la chaleur sur toute la couche de mélange, de quelques dizaines de mètres, alors qu'un continent chauffe et refroidit dans les premiers décimètres de sol. Pour un même apport solaire, l'amplitude thermique saisonnière est donc bien plus forte sur le continent. Ce contraste est amplifié par la géographie, masse continentale asiatique et relief himalayen qui chauffe fortement en altitude au printemps.

En été boréal, le continent asiatique surchauffe. Une zone de basses pressions s'y installe et l'équateur météorologique, c'est-à-dire la zone de convergence intertropicale, migre nettement vers le nord. L'air humide venu de l'océan Indien est aspiré vers le continent, dévié vers la droite après le passage de l'équateur, et devient un flux de sud-ouest. Cet air converge, s'élève, se refroidit, l'eau se condense et les précipitations sont intenses. C'est la mousson d'été, humide.

En hiver boréal, le continent se refroidit plus vite que l'océan. Un anticyclone thermique s'installe sur l'Asie centrale. Le gradient de pression s'inverse, les vents soufflent du continent vers l'océan, secs, de nord-est. C'est la mousson d'hiver.

Le couplage avec l'océan est double. Les vents de surface entraînent les courants et modifient les remontées d'eau froide, ce qui rétroagit sur la température de surface de la mer et donc sur l'évaporation. En retour, cette température conditionne la vapeur d'eau disponible, donc l'intensité des pluies. La mousson présente ainsi une forte variabilité interannuelle.

Marqueurs climatiques et archives

Pour reconstituer les climats passés, on utilise des archives, c'est-à-dire des objets géologiques ou biologiques qui ont enregistré une information sur leur environnement de formation.

Les archives sédimentaires donnent des indicateurs de milieu. Une évaporite signe un bilan évaporation moins précipitation positif, donc un climat chaud et sec en contexte confiné. Un charbon signe une forte production végétale en milieu palustre, donc un climat humide. Une bauxite ou une latérite signent une altération chimique intense, donc un climat chaud et humide. Une tillite et des surfaces striées signent un englacement. Un récif à coraux hermatypiques signe une eau claire, peu profonde et chaude.

Les archives fossiles complètent. Les fossiles de faciès renseignent sur le milieu de dépôt, contrairement aux fossiles stratigraphiques utilisés pour dater. Les assemblages polliniques donnent la végétation régionale, donc les températures et les précipitations.

Les marqueurs géochimiques sont les plus quantitatifs. Le delta 18O mesure l'écart relatif du rapport 18O sur 16O par rapport à une référence, en pour mille. Dans un test carbonaté de foraminifère, il dépend de la température de l'eau et de la composition isotopique de l'eau de mer, elle-même liée au volume des glaces : l'eau légère s'évapore préférentiellement, les précipitations qui alimentent les calottes sont appauvries en 18O, donc quand les calottes grossissent l'océan s'enrichit en 18O et le delta 18O des carbonates marins augmente. Dans la glace polaire la logique est inversée, un delta 18O bas signant une température de condensation basse. Le delta 13C renseigne sur le cycle du carbone, la photosynthèse discriminant fortement contre le 13C.

À l'échelle locale, une carte géologique au 1/50 000 et sa notice permettent de reconstituer un paléoenvironnement, par la nature des formations, leur géométrie et leur succession. À l'échelle globale, la compilation de ces reconstitutions sur des cartes paléogéographiques donne une paléozonéographie climatique, c'est-à-dire la répartition des ceintures climatiques pour un intervalle de temps donné.

Les facteurs des variations aux temps géologiques

Les facteurs se distinguent par leur temps caractéristique, ce qui est le critère de tri à retenir.

Les paramètres orbitaux agissent de 10 ka à 400 ka. L'excentricité varie avec des périodicités proches de 100 ka et 400 ka. L'obliquité, angle de l'axe de rotation sur l'écliptique, oscille entre environ 22 et 24,5 degrés avec une période proche de 41 ka. La précession des équinoxes a des périodes proches de 19 ka et 23 ka. Ces paramètres ne modifient quasiment pas l'énergie totale reçue mais sa répartition selon la saison et la latitude. L'insolation d'été aux hautes latitudes de l'hémisphère nord contrôle la fonte estivale des neiges, donc la survie d'une calotte d'une année sur l'autre. Ces périodicités se lisent dans les archives sédimentaires.

L'interprétation a des limites. Le forçage orbital est faible en énergie et la réponse est amplifiée par des rétroactions. Le signal des 100 ka domine les derniers 800 ka alors que le forçage associé est le plus faible. Enfin, une périodicité identifiée dépend du modèle d'âge adopté, avec un risque de raisonnement circulaire.

Un facteur complémentaire est l'apport éolien de fer à l'océan. En période froide et sèche, déserts et épandages glaciaires livrent plus de poussières. Le fer limitant la production primaire dans certaines régions océaniques, son apport stimule la pompe biologique, abaisse encore le dioxyde de carbone atmosphérique et favorise l'entrée en glaciation. Forçage orbital et apport de fer agissent donc en synergie.

Les facteurs géologiques agissent sur plusieurs dizaines de millions d'années. La position des continents modifie l'albédo planétaire, un continent placé sur un pôle permettant l'installation d'une calotte. L'ouverture ou la fermeture de passages océaniques réorganise la circulation. Le volcanisme, en particulier les grandes provinces basaltiques, injecte du dioxyde de carbone. La surrection d'une chaîne expose des silicates fraîchement fracturés à l'altération, qui consomme du dioxyde de carbone, libère calcium et hydrogénocarbonate, et aboutit à un piégeage sous forme de carbonate marin. Une orogenèse majeure refroidit donc le climat sur le long terme, d'autant plus qu'elle se place en zone intertropicale humide et renforce le régime de mousson.

Les facteurs biologiques comptent également. L'enfouissement de matière organique soustrait durablement du carbone. La conquête des continents par les plantes vasculaires, puis les forêts du Dévonien et du Carbonifère, ont accru la production primaire, l'altération des roches par les racines et les acides organiques, et l'enfouissement de carbone.

Les deux glaciations paléozoïques exigibles illustrent ces contributions. Celle de l'Ordovicien terminal, autour de 445 Ma, est brève et se produit alors que le Gondwana est centré sur le pôle Sud, avec un rôle attribué à la baisse du dioxyde de carbone par altération et à l'expansion des premiers végétaux terrestres. Celle du Permo-Carbonifère, sur plusieurs dizaines de millions d'années entre environ 360 et 260 Ma, associe une contribution biologique forte, l'enfouissement de carbone organique dans les bassins houillers, et une contribution géologique, l'orogenèse hercynienne.

Rétroactions et temps de retour à l'équilibre

Une perturbation du système climatique ne se propage pas seule. Elle déclenche des rétroactions qui l'amplifient ou l'atténuent.

La rétroaction albédo-glace est positive. Un refroidissement étend la banquise et les calottes, donc augmente l'albédo, donc diminue l'énergie absorbée, donc refroidit davantage.

La rétroaction par la solubilité du dioxyde de carbone est positive. La solubilité d'un gaz diminue quand la température augmente. Un réchauffement réduit donc le dioxyde de carbone dissous, affaiblit la pompe physique du carbone dans l'océan et laisse davantage de gaz dans l'atmosphère. Un refroidissement renforce au contraire le pompage océanique.

La rétroaction par la vapeur d'eau est positive, un air plus chaud contenant plus de vapeur d'eau, elle-même gaz à effet de serre.

La rétroaction par l'altération des silicates est négative et constitue un thermostat à long terme. Un réchauffement accélère l'altération, qui consomme du dioxyde de carbone, ce qui refroidit. Son temps caractéristique se compte en centaines de milliers d'années.

La hiérarchie de ces temps fixe le retour à l'équilibre après une perturbation. Une éruption explosive injectant des aérosols sulfatés dans la stratosphère refroidit de quelques dixièmes de degré pendant un à trois ans, le temps que les aérosols sédimentent. Une injection de dioxyde de carbone, naturelle ou anthropique, agit bien plus longtemps, l'excès étant éliminé sur des siècles par l'océan et sur des centaines de milliers d'années par l'altération.

Le changement climatique anthropique

Le réchauffement observé est attribué à l'augmentation des gaz à effet de serre liée aux activités humaines, combustion de matières fossiles et production de ciment, et à la modification de l'usage des terres. L'attribution repose sur la concordance d'observations indépendantes et sur la cohérence avec la physique du système, non sur une corrélation unique.

Les projections sont construites à partir de scénarios d'émission. Un scénario n'est pas une prévision, c'est une hypothèse socio-économique donnant une trajectoire d'émissions, que l'on fait tourner dans des modèles. L'amplitude du réchauffement dépend fortement du scénario retenu, et l'incertitude affichée combine incertitude de scénario et incertitude de réponse du système.

Les effets sur la biodiversité s'observent à trois échelles. Chez l'individu, des ajustements physiologiques, donc des accommodations, dans la tolérance thermique ou la gestion de l'eau. Chez les populations et les espèces, des déplacements d'aire de répartition vers les hautes latitudes et les altitudes plus élevées, des décalages de phénologie comme l'avancée des floraisons ou des migrations, et des variations d'abondance. Dans les communautés, des modifications du nombre d'individus par espèce, de la richesse spécifique et des relations interspécifiques, notamment des désynchronisations entre un consommateur et sa ressource.

Une adaptation évolutive suppose une variabilité génétique préexistante et assez de générations. La capacité d'une espèce à suivre le changement dépend donc de la vitesse de ce changement comparée au temps de génération et à la vitesse de déplacement de l'aire. Le changement climatique est ainsi un facteur de vulnérabilité, en interaction avec la fragmentation des habitats qui bloque les déplacements.

Exemples et ordres de grandeur

La teneur atmosphérique en dioxyde de carbone était proche de 280 ppm avant l'industrialisation et dépasse aujourd'hui 420 ppm. Au dernier maximum glaciaire, il y a environ 21 ka, elle était proche de 180 ppm. Les carottes de glace d'Antarctique couvrent plus de 800 ka et montrent une corrélation étroite entre delta 18O de la glace, dioxyde de carbone et méthane.

Le réchauffement moyen de surface depuis 1850-1900 est de l'ordre de 1,1 à 1,3 degré, avec un rythme récent proche de 0,2 degré par décennie. Le dernier maximum glaciaire était plus froid d'environ 4 à 6 degrés en moyenne globale et le niveau marin y était 120 m plus bas, ce qui donne l'échelle : quelques degrés de moyenne globale correspondent à un changement complet d'état de la planète. Les cycles glaciaire-interglaciaire récents ont une périodicité dominante proche de 100 ka, avec entrée en glaciation lente et déglaciation rapide, de l'ordre de 10 ka.

Trois figures sont à savoir décrire. La mousson en deux volets, été et hiver, avec continent, océan, position de l'équateur météorologique, centres de pression et flèches de vent. Le graphique superposant sur 800 ka le delta 18O des foraminifères benthiques et la teneur en dioxyde de carbone des bulles de glace. Le schéma en boucle d'une rétroaction, avec le signe de chaque flèche et le signe global.

Méthodes et savoir-faire

Exploiter des données reliant circulation atmosphérique, circulation océanique et mousson. On lit d'abord les températures de surface, puis les pressions, puis les vents, puis l'humidité transportée et les précipitations, et l'on boucle sur l'océan.

Reconstituer un paléoenvironnement local sur une carte au 1/50 000 : identifier les formations, lire la notice, établir la succession verticale, traduire chaque faciès en milieu de dépôt puis en climat.

Comparer les glaciations ordovicienne et permo-carbonifère en séparant les contributions biologiques et géologiques, et en donnant le sens de l'effet sur la teneur en dioxyde de carbone.

Identifier l'effet des paramètres orbitaux dans une série sédimentaire, par alternances régulières ou par analyse spectrale, puis discuter les limites de l'interprétation.

Discuter la synergie entre apports éoliens de fer et paramètres orbitaux dans les entrées en glaciation : poussières, fertilisation, pompe biologique, teneur atmosphérique.

Évaluer les effets d'une perturbation en amplitude et en temps de retour à l'équilibre, en comparant un forçage naturel et le forçage anthropique actuel.

Analyser des projections du GIEC, en distinguant scénario et prévision et en lisant les enveloppes d'incertitude.

Exploiter des données de répartition d'espèces selon la température et l'eau disponible, et des données d'adaptation aux trois échelles.

Ce qu'il faut savoir mobiliser en colle et à l'écrit

Le schéma de la mousson d'été et de la mousson d'hiver, avec l'argument de capacité thermique, la position de l'équateur météorologique et la déviation des flux.

Le raisonnement complet sur le delta 18O dans les deux supports, carbonate marin et glace polaire, avec le sens de variation associé à une glaciation. L'inversion du sens entre les deux supports est le piège le plus classique du chapitre.

Le tri des facteurs climatiques par temps caractéristique, de l'interannuel aux dizaines de millions d'années, avec un exemple pour chaque gamme.

Le mécanisme du thermostat par altération des silicates, consommation de dioxyde de carbone puis précipitation de carbonate, et le rôle d'une orogenèse.

Les boucles de rétroaction schématisées avec leur signe : albédo-glace, solubilité du dioxyde de carbone et vapeur d'eau, positives, altération des silicates, négative.

La lecture d'une figure de scénarios du GIEC, avec la distinction entre incertitude de scénario et incertitude de réponse.

L'argumentaire d'attribution du réchauffement actuel, fondé sur la convergence d'observations indépendantes, et les quatre types de réponse de la biodiversité, aire de répartition, phénologie, abondance, relations interspécifiques, avec la distinction entre accommodation physiologique et adaptation évolutive.

Deux pièges. Ne pas confondre corrélation et causalité entre dioxyde de carbone et température dans les carottes de glace, la relation étant une boucle où le gaz est à la fois amplificateur et amplifié. Ne pas présenter un événement météorologique isolé comme une preuve de changement climatique.

Notions et mécanismes clés

• Climat et météo : le climat est la statistique du temps qu'il fait dans une région sur au moins trente ans. La météo est l'état de l'atmosphère à un instant donné.
• Forçage : perturbation imposée au système climatique qui modifie son bilan radiatif, comme l'orbite, les aérosols volcaniques ou les gaz à effet de serre ajoutés. On l'exprime en watts par mètre carré.
• Rétroaction : réponse interne du système qui modifie l'effet du forçage. Elle est positive si elle l'amplifie, négative si elle l'atténue.
• Temps caractéristique : durée typique de variation d'un facteur ou de réponse d'un réservoir. C'est le critère de tri des causes.
• Sensibilité climatique : réchauffement à l'équilibre pour un doublement du dioxyde de carbone. Le GIEC la juge probablement comprise entre 2,5 et 4 degrés.
• Inertie thermique : capacité thermique de la couche qui échange la chaleur, soit la capacité thermique massique multipliée par la masse de cette couche. Elle est forte pour l'océan et faible pour un continent.
• Équateur météorologique : zone de convergence des alizés et d'ascendance, qui suit le maximum de chauffage avec retard et s'écarte fortement de l'équateur au-dessus des grands continents.
• Archive et marqueur : l'archive est le support, par exemple une carotte de glace ou une série sédimentaire. Le marqueur est la grandeur mesurée, par exemple un rapport isotopique ou un assemblage pollinique.
• Fractionnement isotopique : répartition inégale des isotopes entre deux phases ou deux composés, lors d'un changement d'état ou d'une réaction.
• Delta 18O : écart relatif en pour mille entre le rapport 18O sur 16O de l'échantillon et celui d'une référence, soit (R échantillon sur R référence moins 1) multiplié par 1000.
• Delta 13C : même définition pour le rapport 13C sur 12C. La matière organique est appauvrie en 13C.
• Pompe physique : dissolution du dioxyde de carbone dans les eaux froides de surface puis plongée de ces eaux. Pompe biologique : fixation par le phytoplancton puis export de matière organique vers le fond.
• Paléozonéographie : répartition des ceintures climatiques à une époque, reconstituée à partir de marqueurs placés sur une carte paléogéographique.
• Incertitudes du GIEC : variabilité interne du climat, incertitude de modèle sur la réponse du système, incertitude de scénario sur les émissions. S'y ajoute un vocabulaire calibré, par exemple « probable » pour au moins 66 % de chances et « très probable » pour au moins 90 %.
• Accommodation et adaptation : l'accommodation est un ajustement physiologique réversible d'un individu. L'adaptation évolutive est un changement de fréquences alléliques dans une population, sous l'effet de la sélection.
• Phénologie : calendrier des événements saisonniers du cycle de vie, comme la floraison, la ponte ou la migration.

Chaînes de raisonnement

Du contraste thermique à la pluie de mousson. Au printemps, le continent et le plateau tibétain s'échauffent beaucoup plus vite que l'océan, dont l'inertie est forte. Une dépression thermique se creuse sur le continent et l'équateur météorologique remonte vers le nord. Le flux humide qui traverse l'équateur est dévié vers la droite, devient un flux de sud-ouest, converge, s'élève et se condense, et la chaleur latente libérée entretient l'ascendance.

Pourquoi le delta 18O des carbonates augmente en glaciation. La vapeur qui alimente les calottes est appauvrie en 18O, donc le stockage de glace enrichit l'océan en 18O. Par ailleurs, le fractionnement entre l'eau et la calcite est plus fort dans une eau plus froide. Les deux effets poussent le delta 18O des foraminifères dans le même sens, vers le haut, ce qui rend le signal net mais difficile à décomposer entre température et volume de glace.

Pourquoi le delta 18O de la glace baisse quand il fait froid. Au fil du trajet de la masse d'air vers le pôle, les précipitations successives emportent préférentiellement l'isotope lourd. Plus la masse d'air est froide au site de condensation, plus elle a perdu de 18O. La glace formée est donc d'autant plus appauvrie que la température est basse.

Du forçage orbital à l'entrée en glaciation. Une insolation d'été faible aux hautes latitudes nord laisse subsister la neige d'un été à l'autre, et une calotte s'amorce. L'albédo augmente, l'océan refroidi dissout plus de dioxyde de carbone, et les poussières riches en fer fertilisent l'océan austral, ce qui renforce la pompe biologique. Le forçage initial, faible, est ainsi amplifié par trois rétroactions qui abaissent la température et la teneur atmosphérique en dioxyde de carbone.

De la chaîne de montagnes au refroidissement. La surrection fracture les roches, crée des pentes, accélère l'érosion et expose des silicates frais. Leur altération consomme deux molécules de dioxyde de carbone par cation calcium libéré, puis la précipitation du carbonate en mer en restitue une. Le bilan net est la soustraction d'une molécule par cation, d'où un refroidissement sur des millions d'années.

Pourquoi le climat ne dérive pas indéfiniment. Si le dioxyde de carbone volcanique s'accumule, la température et les précipitations augmentent, donc l'altération des silicates accélère. L'altération consomme alors plus de dioxyde de carbone jusqu'à égaler le flux volcanique. Cette boucle négative stabilise le climat, mais avec un temps caractéristique de plusieurs centaines de milliers d'années.

De la vitesse du changement au risque pour une espèce. Une espèce peut persister par accommodation, par déplacement de son aire ou par adaptation évolutive. Le déplacement exige que la vitesse de migration égale la vitesse de déplacement des isothermes, et l'adaptation exige une variabilité génétique et assez de générations. Plus le changement est rapide et plus l'habitat est fragmenté, plus ces trois voies échouent.

Exemples et références à connaître

1. Courbe de Keeling : mesures continues du dioxyde de carbone à Mauna Loa depuis 1958. On y lit l'oscillation saisonnière due à la photosynthèse boréale et la hausse régulière, passée de 315 ppm environ à plus de 420 ppm.
2. Carotte EPICA Dome C en Antarctique : plus de 800 ka d'enregistrement. Huit cycles glaciaire-interglaciaire, dioxyde de carbone oscillant entre 180 et 280 ppm environ.
3. Milutin Milankovitch : calcul de l'insolation estivale aux hautes latitudes à partir des paramètres orbitaux, première moitié du vingtième siècle. Hays, Imbrie et Shackleton, 1976 : mise en évidence des périodes proches de 23, 41 et 100 ka dans des sédiments océaniques.
4. Walker, Hays et Kasting, 1981 : le thermostat par altération des silicates. Raymo et Ruddiman, 1992 : l'hypothèse d'un refroidissement cénozoïque lié à la surrection de l'Himalaya et du Tibet.
5. John Martin, vers 1990 : hypothèse du fer comme facteur limitant de la production primaire dans l'océan austral. Des fertilisations expérimentales ont ensuite montré des efflorescences de phytoplancton.
6. Éruption du Pinatubo, 1991 : une vingtaine de mégatonnes de dioxyde de soufre dans la stratosphère, refroidissement global d'environ un demi-degré pendant un à deux ans. Tambora en 1815 et « l'année sans été » en 1816 donnent un exemple historique.
7. Ordres de grandeur du carbone : 1 ppm de dioxyde de carbone atmosphérique correspond à environ 2,1 milliards de tonnes de carbone. Les émissions humaines approchent 10 milliards de tonnes de carbone par an, le dégazage volcanique est environ cent fois plus faible.
8. Parmesan et Yohe, 2003 : synthèse de plus d'un millier d'espèces montrant un déplacement moyen des aires vers les pôles de l'ordre de 6 km par décennie et une avancée de la phénologie printanière d'environ 2 jours par décennie.
9. Gobemouche noir aux Pays-Bas : l'oiseau revient d'Afrique à date peu variable alors que le pic de chenilles avance. Dans les zones où le décalage est le plus fort, les populations ont nettement décliné. C'est l'exemple type de désynchronisation.
10. Chenille processionnaire du pin : front d'expansion progressant vers le nord et en altitude en France au rythme de quelques kilomètres par an, grâce à des hivers plus doux.

Techniques

Lire un couple de courbes paléoclimatiques

Réflexe en quatre temps. Vérifier le sens des axes, car le delta 18O des foraminifères est souvent tracé inversé pour que le froid soit en bas. Repérer la périodicité dominante et la forme des cycles. Comparer les phases entre les courbes. Conclure en termes de boucle et non de causalité simple.

Mini-exemple. Sur 400 ka, le dioxyde de carbone et le delta 18O de la glace varient ensemble, avec des cycles d'environ 100 ka en dents de scie. On conclut à un couplage étroit. Aux déglaciations, la température antarctique commence à monter avant ou avec le dioxyde de carbone, qui amplifie ensuite le réchauffement. Le gaz est donc à la fois réponse et amplificateur.

Schéma bilan d'une rétroaction

Une boîte par variable, une flèche par influence, un signe sur chaque flèche. Le signe de la boucle est le produit des signes. Un nombre pair de signes moins donne une boucle positive.

Mini-exemple. Température, flèche moins vers l'extension des glaces, flèche plus vers l'albédo, flèche moins vers l'énergie absorbée, flèche plus vers la température. Quatre flèches, dont deux signes moins, la boucle est positive.

Reconstituer un paléoenvironnement sur carte au 1/50 000

Identifier les formations dans la notice, ranger les couches de la plus ancienne à la plus récente, traduire chaque faciès en milieu de dépôt, puis le milieu en climat, et chercher les discordances qui signalent des lacunes.

Mini-exemple. Sous une série de grès à stratifications obliques et de charbons se trouve un conglomérat à galets striés, et le tout repose en discordance sur un socle. On lit un englacement puis un milieu fluviatile et palustre humide. Le climat passe de glaciaire à tempéré humide ou chaud humide, sous réserve de la latitude de l'époque.

Construire une synthèse sur le climat

Gabarit robuste : trier par échelle de temps, du court au long, ou par type de facteur, astronomique, géologique, biologique, anthropique. Chaque exemple doit porter un mécanisme, une durée et un ordre de grandeur. Terminer par les rétroactions, qui relient les parties.

Sujets classiques traités

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Erreurs fréquentes