Séminaire « Les sciences de la vie et de la Terre au XXIème siècle »

Climats et risques

Jean-Claude Duplessy, directeur de recherche au CNRS-CEA

L'examen du passé révèle tout d'abord que nous vivons dans un climat non représentatif du climat de la Terre. Durant les trois quarts des derniers 540 millions d'années, notre planète a essentiellement vécu dans un contexte climatique chaud. Bien que des glaciations aient eu lieu, le climat est essentiellement chaud, avec une détérioration relativement lente depuis une cinquantaine de millions d'années, marqué par une succession de glaciations. Du point de vue du géologue, nous nous trouvons actuellement dans un climat glaciaire. Du point de vue des oscillations, qui est le mien, nous nous trouvons dans un climat de type interglaciaire, dans la mesure où certaines régions critiques telles que le Canada et la Scandinavie ne comportent pas de glace.

L'examen des vicissitudes du climat de la planète révèle que de nombreux éléments doivent être pris en compte. Ainsi, il y a 95 millions d'années, l'océan Atlantique était de taille beaucoup plus réduite qu'aujourd'hui. En outre, le morcellement des continents signifie qu'il existait un ensemble de mers peu profondes qui occupaient les zones actuellement émergées. Le climat chaud de ces périodes se trouve déjà associé à une configuration différente des continents, et à une extension de mers peu profondes au voisinage des continents sur la quasi-totalité de la planète.

Nous avons l'habitude de considérer le Crétacé comme une période de référence chaude. Le plus curieux est que nous disposons de preuves certaines selon lesquelles, sur une île se situant au nord du cercle polaire où les nuits polaires durent plusieurs semaines, se développaient de nombreux animaux et plantes caractéristiques de climats chauds. Nous constatons donc qu'à ladite période, les niches écologiques avaient migré de la bagatelle de 2 000 kilomètres

Quand on reconstitue la température de l'air au niveau du sol sur un profil Nord-Sud, la situation actuelle révèle des zones polaires extrêmement froides, où les températures peuvent atteindre -50° C, voire au-delà en Antarctique, et des tropiques globalement chauds où la température atteint environ 25° C. Une analyse similaire du Crétacé montre que les températures étaient plus élevées et qu'au sein des zones polaires les plus froides, les températures les plus basses se maintenaient au-dessus de 0° C.

Un deuxième point à prendre en considération, lorsque l'on étudie les climats d'un point de vue géologique, est la concentration en gaz carbonique. Il s'agit d'un gaz à effet de serre, incolore, inodore, que la lumière traverse sans aucune difficulté. L'effet de serre réside dans le fait que le rayonnement infrarouge réfléchi par la surface des continents et des océans est absorbé par le gaz carbonique, qui l'émet à nouveau. Cette émission provoque, au niveau du sol, un accroissement de flux d'énergie, entretenu par le gaz carbonique. De même, dans une serre, le rayonnement solaire traverse le vitrage, et le rayonnement infrarouge émis par le sol est bloqué par le vitrage de la serre. La température d'une serre est nettement plus élevée que la température extérieure. Les géologues se sont longuement intéressés au gaz carbonique et ils constatent des évolutions considérables de la concentration en gaz carbonique de l'air. Si les incertitudes restent très importantes, il n'en demeure pas moins qu'à la fin du Crétacé et au tertiaire, périodes que nous connaissons le mieux, nous constatons une nette tendance à la diminution des concentrations en gaz carbonique, que nous sommes tentés de mettre en relation avec la tendance au refroidissement que j'ai indiquée plus haut.

À une échelle géologique brève, au cours du dernier million d'années, la tectonique des plaques n'entre pas en ligne de compte, dans la mesure où les déplacements des continents sont tout à fait minimes. Il y a 20 000 ans, le Canada et la Scandinavie étaient recouverts de glace, fabriquée à partir de l'eau évaporée de l'océan. Le niveau de la mer étant plus bas qu'aujourd'hui, il s'était abaissé d'environ 120 mètres. Des modifications importantes du climat sont donc intervenues.

Nous disposons d'un moyen relativement précis pour évaluer ce changement de climat. En effet, la thermodynamique isotopique nous montre que les glaces sont extrêmement pauvres en isotopes lourds. Ceci s'explique par le fait qu'une molécule d'eau contenant un isotope lourd s'évapore moins facilement qu'une molécule d'eau contenant un isotope léger. Inversement, en cas de précipitations, la molécule lourde a tendance à se condenser plus rapidement. Par conséquent, au fur et à mesure que nous montons en latitude et en altitude, la pluie est de plus en plus pauvre en isotopes lourds. Ainsi, au niveau de l'Equateur, les précipitations ont la composition isotopique de l'eau de mer, tandis qu'elle sera appauvrie de 7 pour 1 000 à Paris, de 15 pour 1 000 à la pointe sud du Groenland et de 40 pour 1 000 en Antarctique. L'océan est donc enrichi en oxygène 18 lorsque les calottes glaciaires grossissent, ce qui est enregistré par les fossiles. L'examen des fossiles révèle que les glaciations ont démarré entre 3 et 4 millions d'années dans l'hémisphère nord, avec une série d'oscillations correspondant à des phénomènes périodiques. L'analyse spectrale des oscillations fait apparaître des composantes périodiques. Pour le dernier million d'années, trois périodicités dominantes apparaissent : l'une il y a 100 000 ans, une autre il y a 41 000 ans et enfin une dernière il y a environ 23 000 ans. Cette composante périodique se retrouve dans les périodes plus anciennes, essentiellement celles de 41 000 et 23 000 ans.

Milutin Milankovitch a publié en 1924 un article dans lequel il expliquait que l'orbite que la Terre décrit autour du soleil n'est pas constante, dans la mesure où les autres planètes du système solaire tentent d'attirer la Terre. Les astronomes sont tout à fait à même de calculer cette variation.

L'ellipse décrite par la Terre autour du soleil peut plus ou moins s'étirer. Plus l'excentricité est grande, plus la Terre reste proche du soleil. Par ailleurs, plus la Terre pointe vers le soleil, plus les températures seront chaudes. En revanche, plus la Terre se redresse, moins elle reçoit d'énergie dans les zones polaires, ce qui diminue le contraste saisonnier entre l'été et l'hiver. L'effet de précession est dû au fait qu'à cause de la précession des équinoxes et de la déformation de l'excentricité de l'orbite terrestre, le moment où la Terre est au plus près du soleil varie au cours du temps. Aujourd'hui, la Terre est au plus près du soleil le 3 janvier. En revanche, il y a 11 000 ans, la Terre était au plus près du soleil en juillet. Lorsque la Terre est au plus près du soleil en juillet, les étés sont chauds et les hivers froids. Si la Terre est plus près du soleil en hiver, le contraste saisonnier est en revanche diminué. Les enregistrements géologiques montrent ces périodicités, ce qui démontre que le climat de la Terre est véritablement sensible à des perturbations mineures du budget radiatif. Un bilan sur un an met simplement en évidence les variations saisonnières de l'énergie sans changement significatif de la valeur moyenne.

Un enregistrement sur 450 000 ans des variations du niveau de la mer montre ces périodicités. Pendant cette même période, l'analyse des glaces polaires met en évidence des variations de températures de l'air et montre aussi que les gaz à effet de serre - le gaz carbonique et le méthane - varient. La géologie nous apprend à nouveau qu'en période chaude, la concentration en gaz carbonique augmente et qu'elle diminue plus ou moins parallèlement à la baisse des températures.

À notre grande surprise, l'examen de carottes de glace au Groenland et des carottes de sédiment dans l'océan atlantique fait apparaître des variations extrêmement brutales pendant la glaciation. Pendant les épisodes les plus froids, la circulation océanique ralentit et la salinité des eaux superficielles de l'océan Atlantique Nord chute.

De manière tout aussi surprenante, le sédiment est complètement différent pendant la chute de la salinité océanique. Pendant cette période, les fossiles deviennent extrêmement rares au Nord de 40°N, seule la présence de cailloux a été notée. Ceci s'explique par le fait que les calottes glaciaires relâchaient des icebergs pendant ces événements extrêmes de la glaciation. En fondant, elles perdaient leurs cailloux ; c'est la marque du fait que les icebergs introduisaient d'énormes quantités d'eau douce, qui perturbait la circulation de l'océan. Cette perturbation majeure tient au fait que la circulation océanique est dissymétrique : en surface circule un courant chaud qui passe de l'océan Pacifique à l'océan Indien, puis à l'océan Atlantique et remonte jusqu'au Cap Nord. Les eaux chaudes transportent donc la chaleur de l'hémisphère sud vers l'hémisphère nord. Nous vivons donc aujourd'hui dans un climat largement favorisé par un transfert de chaleur venant de l'hémisphère sud et se dirigeant vers l'hémisphère nord. Cette eau chaude relâche sa chaleur dans l'atmosphère, et lorsqu'elle arrive dans la mer de Norvège, ayant perdu sa chaleur, elle devient très dense et plonge. La circulation océanique continue de se développer en profondeur, le courant profond passant de l'océan Atlantique à l'océan Indien et au Pacifique : il s'agit du tapis roulant océanique. Quand ce système se ralentit, le transfert de chaleur se fait plus difficilement, ce qui induit un coup de froid d'une grande brutalité.

Le réchauffement, qui le suit s'élève à environ 8° C. L'un d'eux s'est produit au large de l'Europe et est enregistré dans le sédiment marin, où nous avons mesuré qu'il s'est développé en moins de 400 ans. Les couches de glace nous permettant de compter les dépôts annuels, nous avons pu en déduire que le réchauffement s'est développé en soixante-dix ans. Nous apprenons donc que le système climatique est susceptible de perturbations extrêmement brutales, qui sont des réorganisations internes capables de nous faire passer de conditions froides à des conditions chaudes - ou l'inverse - dans des temps extrêmement brefs.

En conclusion, du point de vue d'un géologue, j'indiquerai que le climat de la Terre a beaucoup varié dans le passé. Les accidents climatiques abrupts témoignent de la capacité du système de passer en quelques années d'un état à un autre. Il s'agit d'une découverte datant de moins de dix ans, qui montre que le système climatique ne se comporte pas comme un oscillateur répondant de façon linéaire. Son comportement est plus difficile à évaluer qu'on ne le croyait il y a seulement vingt ans. Comme vous le savez, les activités humaines sont susceptibles de perturber le climat, du fait notamment des émissions de gaz à effet de serre. Les interrogations attachées au changement climatique constituent donc un défi pour les hommes, non pour la planète. J'ajoute que les hommes devront vivre dans un contexte climatique notoirement différent de celui qu'ils ont connu, ce qui constitue une difficulté avec toutes ses conséquences environnementales et économiques.


Actes du séminaire national - Les sciences de la vie et de la Terre au XXIème siècle : enjeux et implications 15 et 16 décembre 2004

Mis à jour le 15 avril 2011
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