Thème 1 - Du passé géologique à l'évolution future de la planète (7 semaines)

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Plan de la page

• Introduction
• 1. Le climat des derniers 700.000 ans (du Quaternaire)
  • 1.1 Des outils et des modèles
    • 1.1.1 Les données paléontologiques
    • 1.1.2 Les données géologiques et lithologiques: des reliefs et sédiments glaciaires et périglaciaires
    • 1.1.3 Des thermomètres aux paléothermomètres (¹⁸O glace, ¹⁸O carbonates, deutérium, géotherme)
  • 1.2 Des résultats présentés autour d'un modèle explicatif
  • 1.3 Des modèles explicatifs aux modèles prédictifs
• 2. Le climat aux grandes échelles de temps (à l'échelle de l'histoire de la terre)
  • 2.1 Des indices géologiques de changements climatiques
  • 2.2 Les variations du CO₂ atmosphérique
• 3. Les variations du niveau de la mer
  • 3.1 Les marges continentales enregistrent les variations des lignes de rivage et donc du niveau marin
  • 3.2 Les variations de niveau marin seraient d'abord dues aux volumes des bassins océaniques, ensuite aux volumes des glaces et secondairement à la dilatation thermique de l'eau
  • TD - Histoire et niveau de la mer
• 4. Bilan et futur

Résumé scolaire de la première partie (en bas de page) : ce qu'on attend comme connaissances de la part d'un bon élève

Un cours tout à fait dans la ligne du programme est disponible sur internet sous le titre Introduction à l'Environnement et au Développement Durable; voir la chapitre 2 : Climats et changements climatiques : http://venus.uvsq.fr/uved/2-climat.html

ce sigle signifie "attention dada"

Cette partie présente une originalité qui conduit à plusieurs difficultés, certaines insurmontables :

1 - elle étudie des faits du passé, inaccessibles à l'expérience, ce qui implique que les modèles que l'on fait fonctionner vers le passé ne sont pas falsifiables (ou testables) au moyen de l'expérience.
Les modèles physiques sont basés sur un temps réversible à la différence des modèles biologiques pour lesquels le temps n'est pas un paramètre comme les autres (voir page sur la science).

2 - les modèles complexes de la climatologie ne sont pas accessibles à l'enseignant du secondaire (et donc aux élèves). Je n'ai aucun moyen de valider les résultats présentés ni surtout les scénarios envisagés et donc je ne perdrai pas mon temps à me faire l'écho de polémiques sur les résultats de telle ou telle équipe. Il est évident que mes sources ne peuvent être qu'institutionnelles même si elles sont manipulées.

3 - on est dans un domaine où science, politique et économie sont étroitement imbriqués. L'enseignant de SVT est chargé de la présentation scientifique des fondements des inquiétudes et de la juste préoccupation de l'homme au sujet de l'avenir de son environnement. Mais je crains que l'objectif scientifico-pratique de l'enseignant de SVT ne se limite à une mise en garde des élèves devant le manque de précaution lors de l'utilisation de certains paramètres ou certains indices de corrélation.

En paléontologie (du grec paleo = ancien et logos = parler) l'expérience ne sert qu'à recueillir des informations sur l'archive, pas sur le fait passé. Dans les modèles le principe raisonnable utilisé par les paléontologues est l'actualisme (ou principe des causes actuelles) selon lequel "les lois expérimentales actuelles étaient valables par le passé".

Une datation n'est pas une mesure comme une autre.
La relation logique établie entre des paramètres mesurables et le temps fait partie d'un modèle. Mais le temps n'est pas un paramètre ordinaire, il ne peut pas s'inverser. Le temps est fondamentalement irréversible (je fais partie de ceux qui pensent que cette irréversibilité est due à sa nature continue). Et c'est probablement là une différence essentielle entre la physique et la biologie. Les physiciens ont construit des lois qu'ils pensent réversibles dans le temps. Les explications mécaniques, chimiques sont toujours fondées sur un temps réversible (au sujet de cette réversibilité, que Thom relie à l'intersubjectivité, on relira Paraboles et Catastrophes; voir notamment para_cata.pdf, p 28...). Il existe aussi un courant actuel qui construit une physique non déterministe (voir page sur la science).

Mais le biologiste, qui étudie l'être vivant et qui est garde une vision anthropomorphique (la biologie est une connaissance tout en étant une science) sait bien que la vie se déroule, que le temps passe, que la mort survient, que ce qui était n'est plus, et que ce qui n'est pas encore n'est rien ni nulle part. Il faut rendre hommage ici aux concepteurs du programme de TS qui nous demandent de traiter du temps dans un petit chapitre (voir page sur le temps).

Je ne crois pas qu'il existe beaucoup de biologistes (et de paléontologues) qui croient que l'état actuel d'un système vivant est un phénomène dont la dynamique est réversible. Une dynamique déterministe conditionne le phénomène à un ensemble de causes non seulement en nombre fini mais surtout qui agissent toujours (nécessaires) (voir page sur les 4 causes d'Aristote en SVT). Elle peut donc être rembobinée dans le passé afin de connaître un état antérieur du système. C'est faire fi de la vie "jaillissement incessant de nouveauté" (avec les mots de Bergson).
Lorsque l'on date un fossile par une méthode radiochronologique, c'est l'âge de la roche ou des résidus organiques que l'on estime, avec une incertitude due à la méthode (le système peut s'être ouvert et le radiochronomètre faussé) dans un modèle physique où la vie est absente comme phénomène (spontané et irréversible). L'être vivant a disparu; il n'est pas accessible à l'expérience. La matière qui l'a constitué est peut-être présente mais le phénomène est inaccessible. Ce n'est jamais l'âge de l'être vivant ni l'époque à laquelle il a vécu qui est accessible à l'expérience. C'est en fait le phénomène physique qui sert de chronomètre qui est le seul daté puisque l'on pense qu'il est réversible. (Mais comme je pense aussi que tout phénomène réel est irréversible, en physique comme en biologie, c'est à mon avis le phénomène subjectif de la décomposition radioactive rembobiné dans le temps, qui est invoqué).

* les paramètres expérimentaux, mesurés (avec des valeurs actuelles) ou extrapolés dans le passé (puisque les modèles physiques sont considérés comme réversibles); par exemple la température de l'air à un instant donné en un lieu donné.

* et les paramètres des modèles, indirects ou calculés, interprétés ou prédictifs; par exemple la température moyenne du globe dans un hémisphère à un instant donné (cette valeur ne peut être une somme infinie de valeurs expérimentales, c'est une valeur théorique liée à un modèle); ou encore le temps dans une carotte de glace qui est un paramètre indirect déduit à partir d'une loi de corrélation, le paramètre mesuré étant la profondeur du prélèvement de la glace.

Nous ferons ainsi la différence entre des liaisons expérimentales formalisées par des lois expérimentales et des liaisons logiques formalisées par des lois de corrélation. Les lois expérimentales établissent des relations déterministes entre des paramètres mesurables (par exemple la température de l'atmosphère mesurée à partir du ¹⁸O de la glace). On parle parfois de relation empirique lorsque la réalité expérimentale échappe à toute formalisation théorique.
Les lois de corrélation établissent des relations logiques entre paramètres expérimentaux et/ou logiques (par exemple le volume moyen des mers et la température moyenne de l'atmosphère).

Cette différence ce retrouve dans l'opposition entre météorologie (qui repose sur des relations déterministes) et climatologie (qui utilise des modèles avec des corrélations permettant de trouver des lois comportementales ou statistiques mais pas forcément déterministes). Voir ci-dessous une analogie lumineuse due à Christophe Cassou.

 1. Le climat des derniers 700.000 ans (du Quaternaire)

Objectifs de ce paragraphe

Se situer dans l'échelle des temps géologiques. 700.000 c'est très peu de temps à l'échelle des temps géologiques. Mais c'est une période très longue à l'échelle de notre siècle, des méthodes d'instigation en climatologie et même surtout des modèles climatologiques.

Le terme «Quaternaire» a été créé en 1829 par le géologue français Jules Desnoyers. Le Quaternaire comprend un terme inférieur, ou Pléistocène, établi en 1939 par le géologue anglais Charles Lyell, qui a aussi énoncé le principe des causes actuelles, et un terme supérieur, ou Holocène, créé en 1867 par le Français Paul Gervais. Par convention et pour la plupart des quaternaristes, le Pléistocène est compris entre 1,806 million d'années (Ma) et 11 800 ans et l'Holocène entre 11 800 ans et le présent (chiffres d'après l'échelle de 2008 de l'ISC, voir ci-dessous).

Les géologues ont tendance maintenant (G. S. Odin, IUGS, 2000) à faire entrer le Quaternaire dans l'ère Cénozoïque en en faisant une période (pour les divisions de l'échelle stratigraphique, voir l'ancien cours de TS). Dans l'ancienne mouture de l'échelle stratigraphique internationale (2004, pour une mise à jour tous les 4 ans) le Pléistocène et l'Holocène étaient deux époques au sein de la période Néogène, dernière de l'ère Cénozoïque, le terme quaternaire était alors totalement abandonné. Mais la dernière édition (2008) reprend à nouveau le terme Quaternaire (Quaternary) qui redevient une période qui fait suite au Néogène, mais c'est la limite Pléistocène/Pliocène qui fluctue (1,8 ou 2,6 Ma).

Les quaternaristes utilisent une origine des temps géologiques placée arbitrairement en 1950, pour la chronologie du carbone 14 et qualifiée de "present". L'âge d'un échantillon est alors noté par un chiffre suivi de B.P. (before present) , signifiant "avant 1950". À la fin du XIXe siècle, le Quaternaire a été considéré comme la période de l'apparition de l'homme et de celle des plantes et faunes actuelles; son étude portait essentiellement sur l'histoire des glaciations. En y associant les travaux aux basses latitudes, sur les lignes de rivages marins, une première échelle stratigraphique du Quaternaire a été proposée. Avec l'obtention, dès les années 1970, des carottes océaniques, une stratigraphie cohérente avec les glaciations est établie; le rôle des variations des radiations solaires est précisé. Les termes stratigraphiques comme Würm, Riss, Mindel et Günz n'ont qu'une valeur régionale, ici pour les glaciations d'Europe occidentale.

Objectifs de ce paragraphe

Les outils du "quaternariste" sont pour certains classiques et pour certains originaux. Il faut non seulement connaître le principe de chaque outil mais surtout son champ d'application et les incertitudes liées à son utilisation.

1.1.1 - Les données paléontologiques

L'homme fournit d'abord les plus recherchés des fossiles. Le plus ancien fossile français attribué au genre fossile Homo (voir l'ancien cours de terminale pour une discussion sur la paléoanthropologie) est une mandibule datée de -450.000 à -400.000 ans (Montmaurin, Pyrénées Orientales). Vers -300.000 c'est l'homme de Tautavel dont on a retrouvé les deux pariétaux (grotte de la Caune d'Arago, Pyrénées Orientales). Les plus anciennes traces de foyers (domestication du feu) datent en France de -400.000 ans (cabane de Terra Amata près de Nice: http://www.musee-terra-amata.org/ choisir Expositions et Foyers et structures d'habitat...). Les néandertaliens disparaîtront vers -30.000 ans, laissant la place aux sapiens, déjà apparus depuis plusieurs dizaines de milliers d'années.

Actuellement l'hypothèse la plus attirante serait d'associer l'espèce sapiens (au sein du genre Homo) ou le genre Sapiens, à l'homme au sens anthropologique (pleinement homme au sens ontologique et non plus paléontologique; mais l'association n'est pas forcément datée du tout début de l'apparition de l'espèce fossile : on peut exiger des caractéristiques culturelles ou sociales tardives avant de parler d'homme - voir cours de 1èreL-ES). Le genre fossile Sapiens serait apparu vers -100.000 ans probablement au Moyen-Orient et aurait envahi le monde en chassant les Homo neandertalensis qui y habitaient encore. L'art "explosera" entre -34.000 et -10.000 ans. L'agriculture arrivera en Europe vers -6.000 ans, en provenance du croissant fertile.

Les grands mammifères (mammouths et éléphants, hippopotames, rhinocéros de Merck et laineux, ours, renards, loups, hyènes, lions des cavernes, bisons, aurochs, chevaux, rennes et cerfs, chevreuils, mouflons, élans et bouquetins, sangliers...) tous connus en France sont autant d'indicateurs du climat (tableau de A Thévenin (1978) d'évolution de la faune dans Les premiers habitants de l'Europe, 1.500.000-100.000 ans, Laboratoire de préhistoire du musée de l'homme, Muséum d'Histoire naturelle, 1981; p 50-51); par leur abondance (estimée par le nombre de fossiles), leur répartition en latitude....; l'interprétation des fossiles reste cependant une science historique basée sur l'actualisme et la connaissance de l'écologie des organismes les ayant laissé est susceptible de sans cesse s'améliorer.

Les rongeurs forment un deuxième groupe très étudié étant donné notamment les régimes alimentaires variés et les fossiles de dents et d'os crâniens retrouvés en grand nombre.

Cours de 1èreL-ES sur l'évolution de l'homme

Exemple d'exercice: Didier, n°4 p29 (attention les âges sont donnés avec le nom des épisodes glaciaires et interglaciaires (se référer à la p 25)

Les diagrammes polliniques permettent parfois de reconstituer les associations végétales estivales.

En effet, cette méthode repose sur un postulat paradoxal: les espèces dont on utilise le pollen ou les spores n'ont pas évolué (ni au niveau de leur pollen, ni au niveau de leur écologie...) il y a une analogie forte avec la notion de fossile de faciès...

D'autre part, cette méthode présente 2 limites:

* lorsque l'on sait que la répartition actuelle des pollens est la même entre une station d'Omiakon ou Verkhoïansk en Sibérie et une station située au pied des Vosges, on comprend que le spectre pollinique ne permet d'apprécier les associations végétales qu'en saison chaude, la période hivernale semblant peu affecter la diversité des espèces;

* la méthode des diagrammes polliniques nécessite une végétation diversifiée, et non désertique par exemple; en pratique elle est essentiellement limitée aux régions continentales européennes.

L'exemple le plus courant est donné par les Foraminifères (Protistes dont certaines espèces sont planctoniques et d'autres benthiques).

Certains Foraminifères à test trochospiralé sont des bio-indicateurs de température. En effet, le test (ou coquille interne car recouverte partiellement d'un cytoplasme à l'extérieur) s'enroule sur lui-même en spirale (dans la mesure ou chaque nouvelle loge englobe partiellement la loge précédente en tournant autour de la première loge ou proloculus) dans un sens qui dépend de la température de l'eau de mer où vit l'animal (c'est une loi expérimentale établie pour quelques espèces). L'organisme occupe toutes les loges. Son cytoplasme sort par d'innombrables pores (perforations) du test par lesquels il pointe des filaments de cytoplasme anastomosés (filopodes reliées entre eux par des ponts ou anastomoses).

L'enroulement est senestre (lorsque l'on se déplace sur la spirale dans le sens d'enroulement, on tourne vers la gauche (sinistra en latin), c'est-à-dire dans le sens opposé aux aiguilles d'une montre, vu d'au-dessus) dans les eaux les plus chaudes et l'enroulement est dextre (on tourne vers la droite (dextera en latin), c'est-à-dire dans le sens des aiguilles d'une montre) dans les eaux plus froides.

Exemple d'exercice: Belin n°8 p 236 (doc b) et Didier doc 1 p 12

1.1.2 - Les données géologiques et lithologiques: des reliefs et sédiments glaciaires et périglaciaires

Les variations climatiques induisent des changements dans l'érosion, dans la sédimentation, dans le niveau des mers, dans le développement des glaciers....

En voici deux exemples parmi les plus courants:

* les reliefs et sédiments glaciaires et périglaciaires se retrouvent partout en France: les reliefs glaciaires sont ceux laissés par la présence de glaciers sur des continents aujourd'hui libres de glaces (voir carte Belin p 263): moraines (frontale et latérale), vallées en U, alluvions glaciaires... Les reliefs périglaciaires sont ceux des zones soumises à des alternances importantes de gel et de dégel, on y trouve des sols polygonaux, des galets usés par des vents violents chargés en matière solide...Les lœss sont des sédiments éoliens glaciaires.

Remarques:
les masses glaciaires continentales sont très sensibles au climat (on pourrait dire à la température moyenne). Si la température augmente le cycle de l'eau s'intensifie (évaporation, précipitation) et donc les masses glaciaires en haute altitude s'épaississent (par exemple le Groenland à haute altitude qui gonfle) alors que les masses glaciaires à basse altitude fondent (mer de glace, Groenland au niveau de la côte)...Localement la situation peut être plus complexe (il y a 160.000 glaciers continentaux...). Par exemple , le Kilimandjaro "assoifé" souffre, comme toute l'Afrique, d'un manque de précipitations. De plus les vitesse de réactions aux changements climatiques dépendent fortement du volume des glaces: quelques années pour une banquise, 10-30 ans pour un petit glacier comme la mer de glace, des milliers d'années pour le Groenland et des durées encore nettement plus longues (10.000 à 100.000 ans ?) pour un glacier comme l'Antarctique pour lequel les températures semblent stables (ce massif représente 90% des glaces mondiales; on aurait 60m d'augmentation du niveau marin si sa glace fondait)...Au contraire l'Arctique voit sa glace de mer diminuer très fortement (voir ci-dessous les références de la conférence sur Canal Académie). On comprend donc que l'interprétation des traces géologiques des variations des masses glaciaires soit subtile.

* les terrasses alluviales emboîtées sont fréquentes au Nord de l'Europe. Elles sont interprétées (difficilement) en fonction des variations du niveau de la mer et des changements climatiques. Voici 6 points à considérer:
- une rivière alluvionne ou creuse en fonction de son profil d'équilibre
- en période froide (glaciaire) le débit de la rivière est moindre et il y a tendance à l'alluvionnement si la pente n'est pas trop forte (on peut aussi trouver des blocs démesurés transportés par des radeaux de glace)
- en période chaude (interglaciaire) le débit de la rivière est maximal et il y tendance au creusement dans les zones les plus pentues et l'alluvionnement est assez faible sauf si la pente est très faible
- si le niveau de la mer s'abaisse le profil d'équilibre de la rivière est déplacé vers le bas et il y a un creusement moyen
- à l'opposé, si le niveau moyen de la mer s'élève, la pente moyenne diminue et le profil d'équilibre est déplacé vers le haut, ce qui conduit à un alluvionnement fort dans les zones à faible pente (il peut ainsi y avoir des terrasses qui recouvrent d'autres terrasses)
- le niveau moyen des mers s'est abaissé d'environ 120 m entre -120.000 ans et -20.000 ans et est remonté depuis d'environ 80m.
On remarquera que ces éléments sont particulièrement importants puisque les fossiles (et notamment d'hominidés) se retrouvent dans les sédiments de ces terrasses et la compréhension des mécanismes géologiques qui leur ont donné naissance est essentielle à la datation correcte des fossiles et à l'interprétation des données paléoenvironnementales.

Une vue artistique des limites des glaces (tant marines que continentales) au Nord du globe (latitudes boréales) actuelles par comparaison avec celles estimées pour la fin de la dernière glaciation (vers -12.700 ans, voir plus bas les mesures fines réalisées à l'aide des méthodes isotopiques). (d'après E.U.)
Pour les latitudes australes (pour l'hémisphère Sud) il n'y aurait quasiment pas de changement.

Objectifs
de ce paragraphe

Devant la complexité des outils il faut revenir à des questions simples: quelle grandeur du passé cet outil permet-il de connaître et quelle confiance peut-on lui accorder ?

Un thermomètre mesure une température. Les climatologues, glaciologues et quaternaristes utilisent principalement les isotopes non radiogéniques de l'oxygène comme thermomètre. Mais le plus difficile est souvent de dater l'échantillon dont on a approché la température.

Le tableau ci-dessous présente les méthodes et résultats obtenus dans la recherche de la température et dans la recherche du temps

à la recherche de la température (T) actuelle et fossile

¹⁸O glace = f (T)

Une loi de fractionnement isotopique de l'oxygène en fonction de la température...

Le ¹⁸O correspond à la différence entre le rapport entre l'abondance de l'isotope lourd (¹⁸O) sur celle de l'isotope léger (¹⁶O) MESURÉE DANS L'ÉCHANTILLON et celle d'un STANDARD par rapport à l'unité, multipliée par 1000 pour avoir une valeur en ‰.
Pour l'eau de mer le rapport ¹⁸O/¹⁶O est celui d'une "eau de mer moyenne" appelée SMOW (Standard Mid Ocean Water) dont la valeur est 0,00193. Pour une eau de mer qui aurait la même valeur de rapport ¹⁸O/¹⁶O , le ¹⁸O aurait donc une valeur nulle.

18O = [(18O/16O de l'échantillon / 18O/16O du SMOW ) - 1 ] x 1000

Du point de vue général, lors des changements de phase (solide < - > liquide < - > gazeux), l'isotope le plus lourd (¹⁸O) est concentré dans la phase la plus dense (par exemple dans l'eau liquide par rapport à la vapeur d'eau, gazeuse) et l'isotope le plus léger (¹⁶O) dans la phase la moins dense (vapeur d'eau gazeuse par exemple par rapport à l'eau liquide). Le rapport isotopique (¹⁸O/¹⁶O) peut être relié expérimentalement à la température régnant lors du changement d'état.
Les isotopes sont des éléments de mêmes propriétés chimiques générales mais de masse différente (nombre de neutrons). Actuellement l'oxygène de l'air contient un mélange isotopique de 99,758% d'¹⁶O; 0,0374% d'¹⁷O et de 0,2039% d'¹⁸O. Les êtres vivants consomment préférentiellement l'¹⁶O. On notera qu'on sait aussi fabriquer artificiellement 3 isotopes radioactifs ¹⁴O, ¹⁵O et ¹⁹O (et peut-être deux autres) de demi-vie très courte (moins de 120s).

Des explications et une courbe EXPÉRIMENTALE (avec des points réels de mesure) sont disponibles à l'adresse: http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-delta-temperature.xml

source image: http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/objets/Images/delta-temperature/delta-temperature-fig02.gif

Remarque:
une petite question qui a du inquiéter comme moi nombre de collègues enseignants: sous quelles formes moléculaires les isotopes de l'oxygène sont-ils présents et dans quelle proportion ?
Dans cette page on parle souvent de l'oxygène, ce qui signifie l'espèce atomique. Et pourtant les fractionnements isotopiques se font entre des phases de l'eau (H₂O) et du dioxygène (O₂), éventuellement du CO₂. En phase liquide il y a en plus OH^- et H₃O⁺ et pour les espèces carbonatées H₂CO₃, HCO₃^- et CO₃^2-. Les équilibres chimiques étant complexes, les réservoirs différents, il est probable que les compositions isotopiques diffèrent selon les espèces moléculaires. Et pourtant, je n'ai trouvé aucune réponse dans mes sources.

¹⁸O du CaCO₃ des tests de Foraminifères benthiques = f (¹⁸O eau de mer)

(¹⁸O du CaCO₃ - ¹⁸O de l'eau de mer) = f (T eau de mer)

Les Foraminifères benthiques vivent au fond de l'océan, où la température ACTUELLE est peu variable est voisine de 1 à 2°C.

On connaît alors une variation expérimentalement démontrée du ¹⁸O des carbonates des tests des Foraminifères en fonction du ¹⁸O de l'eau de mer dans laquelle on les place en culture (Nathan doc 2 p 113), la température étant fixée ici à 1°C.

Remarques:

* la question de l'origine moléculaire des isotopes resurgit ici. La réponse est probablement très complexe. Je renvoie à une page sur les carbonates où quelques équilibres sont précisés, mais j'ignore totalement la composition isotopique de ces espèces en solution;

* la différence principale entre le mécanisme de précipitation invoqué ici et la formation de neige puis de glace aux pôles est que l'on est ici dans un mécanisme VIVANT. D'abord il est mal connu (les espèces chimiques, les équilibres, les complexes moléculaires qui orientent la formation de la calcite ou de l'aragonite selon les espèces d'organismes...). Ensuite, le fractionnement isotopique n'est plus ici une simple loi physique correspondant à un seul changement d'état. Voici quelques exemples de raisonnements qui sont loin de me satisfaire.

Habituellement les mécanismes biologiques sont très discriminants;
- on sait par exemple que la respiration consomme préférentiellement l'¹⁶O, donc dans l'espèce moléculaire dioxygène (O₂ ) - comme accepteur d'électrons de la chaîne respiratoire. L'organisme rejetterait donc préférentiellement de l'H₂¹⁶O. Sous forme gazeuse ou liquide ? L'¹⁸O se trouverait ainsi concentré, biologiquement, dans l'air ou dans l'eau, selon le milieu de vie de l'organisme.
- La photosynthèse produirait au contraire préférentiellement de l'¹⁶O₂ (espèce moléculaire gazeuse) par photo-oxydation de l'eau (liquide), ce qui revient à dire que la photosynthèse consomme aussi préférentiellement l'H₂¹⁶O. L'eau se trouverait ainsi concentrée, biologiquement, en espèce isotopique H₂¹⁸O.
- Il est d'usage de considérer que ces deux mécanismes (consommation de dioxygène par respiration et production de dioxygène par photosynthèse) s'équilibrent en masse, alors que les milieux aériens et aquatiques forment deux réservoirs distincts et que l'on n'a pas affaire aux mêmes espèces moléculaires ni aux mêmes phases moléculaires de l'eau.

Les paléoclimatologues utilisent alors une courbe empirique (déterminée point à point de façon expérimentale puis formulée mathématiquement mais non théoriquement du fait de la complexité du vivant, voir remarque ci-dessus) qu'ils appellent "formule des paléotempératures" qui n'est utilisable que si l'on connaît le ¹⁸O de l'eau de mer. Cette courbe est expérimentale car elle relie des paramètres mesurables mais la causalité expérimentale échappe à la formulation théorique, du fait de sa complexité. Elle présente bien sûr une fiabilité assez moyenne du fait du nombre de paramètres inconnus plus ou moins cachés.

* la notation ¹⁸O est bien évidemment une forme abrégée mais ce qui est TRÈS GÊNANT est que certains utilisent aussi la notation ¹⁸O au lieu de ¹⁸O en ajoutant que c'est le "¹⁸O de l'eau de mer fossile dans les carbonates" (?) ou, pire encore, le "¹⁸O des carbonates" ou le "¹⁸O de l'eau de mer fossile" sans autre explication... une belle pagaille. Cependant il me semble que la confusion vient du fait que les variations du ¹⁸O de l'eau de mer vont, dans le milieu naturel, DANS LE MÊME SENS que celles du ¹⁸O des carbonates. D'autre part les variations du ¹⁸O des carbonates sont beaucoup plus rapides que celles du ¹⁸O de l'eau de mer. Ce qui fait que une augmentation du ¹⁸O de l'eau de mer fossile est bien corrélée à une augmentation du ¹⁸O du fait de l'augmentation conjointe du ¹⁸O des carbonates alors qu'intuitivement on considère le ¹⁸O des carbonates fixe et donc que le ¹⁸O diminue.

Courbe expérimentale de mesure des paléotempératures (de l'air) à partir de ¹⁸O de la neige et courbe empirique des paléotempératures de l'eau de mer à partir des ¹⁸O des carbonates des tests de Foraminifères et de l'eau de mer.
Les valeurs du ¹⁸O oscillant entre +3 et -3‰, on a des paléotempératures oscillant entre 11°C et 30°C.

Remarques:

* Il existe de nombreuses preuves que la valeur du ¹⁸O de l'eau mer est un paramètre HOMOGÈNE dans l'océan (identique quelque soit la localisation en surface en longitude ou en latitude ou en fonction de la profondeur), ce qui est une condition nécessaire pour en faire un indicateur de température.

* Pour l'utilisation du ¹⁸O des carbonates des tests de Foraminifères benthiques on suppose pour le lien avec le ¹⁸O de l'eau de mer que la température est fixe, ce qui semble vrai pour la période actuelle. Mais ce n'est pas vrai pour les Foraminifères planctoniques pour lesquelles la température de l'eau de mer est très variable selon la latitude principalement. Ce n'est pas non plus vrai pour les Foraminifères benthiques fossiles car il est fort possible que la température de l'eau de mer du fond des océans ait changé. Par exemple, on estime à 18-20°C la température du fond des océans vers -60 millions d'années au début de l'ère tertiaire. La température basse actuelle serait essentiellement due aux circulations d'eaux froides en provenance des inlandsis.
* Pour les carbonates fossiles on utilise le PDB (Pee Dee Belemnitella), une coquille calcaire de Belemnite du crétacé qui sert de référence pour l'¹⁸O fossile et pour le ¹³C fossile.

Par le principe de l'actualisme les mesures de ¹⁸O réalisées sur des fossiles sont considérées, avec des hypothèses supplémentaires, comme indicatrices des paléotempératures en extrapolant les lois expérimentales mise en évidence ci-dessus (fractionnement isotopique de l'oxygène lors du changement de phase en fonction de la température).

En effet; comme pour toute mesure isotopique, même avec des isotopes stables (non radiogéniques), le thermomètre et surtout le paléothermomètre ne fonctionne que si l'échantillon piège dans sa structure solide les rapports isotopiques extérieurs qui existaient lors de la formation du solide. Ensuite ces rapports ne doivent plus évoluer, le système doit rester fermé. Il y a donc toujours une incertitude "absolue" liée à la méthode.

Je rappelle encore une fois que l'actualisme ne doit pas être confondu avec l'uniformitarisme (qui s'oppose au catastrophisme) selon lesquelles les conditions physiques et chimiques ne changent pas au cours des temps géologiques. Certains parlent aussi d'une loi de continuité biologique qui s'oppose au catastrophisme appliqué à l'évolution biologique.

• le ¹⁸O de la glace "fossile" permet d'estimer, pour les températures négatives, la température de formation de la neige qui s'est déposée en cet endroit et s'est compactée pour donner la glace des inlandsis polaires.
• le ¹⁸O des carbonates des tests de Foraminifères benthiques fossiles permet de calculer le ¹⁸O de l'eau de mer, à température connue constante.
• Enfin la formule des paléotempératures permet d'accéder directement, pour les températures positives, à la température de l'eau mer à partir du entre le ¹⁸O des carbonates des tests de Foraminifères benthiques et planctoniques et le ¹⁸O de l'eau de mer passée, si cette dernière est connue. La loi étant qu'une augmentation de +1‰ du correspond à une diminution de température de -4°C. Pratiquement on peut utiliser aussi directement le ¹⁸O de l'eau de mer ou des carbonates (en tenant compte de la remarque ci-dessus)

Remarque:
Il va sans dire que pour pouvoir utiliser le SMOW comme valeur de référence pour le passé il faut que celui-ci n'ait pas varié, ce qui n'est bien sûr pas vrai. On applique donc des correctifs en fonction des modèles.

Des mesures expérimentales du ¹⁸O de la glace ou du CaCo3 des fossiles à un estimation INDIRECTE d'autres paramètres par corrélation

Les paramètres des modèles climatiques qui suivent sont déduits ou CALCULÉS à partir des données précédentes sur le ¹⁸O des glaces et des carbonates; on établit alors des corrélations entre paramètres mesurés (expérimentaux) et les paramètres des modèles:

le volume des glaces peut être relié d'une façon intuitive à la température moyenne annuelle: plus il fait chaud moins le volume des glaces continentales des pôles (inlandsis) est élevé et inversement. De la même manière que précédemment on peut corréler le ¹⁸O des glaces à la température moyenne de l'atmosphère puis au volume des glaces.

LA loi de corrélation est donc : le volume des glaces augmente lorsque le 18O de la glace des calottes polaires diminue ou lorsque le 18O de l'eau de mer augmente ou encore lorsque que le 18O des carbonates des tests de Foraminifères benthiques augmente aussi.

le niveau moyen des mers de la même façon évolue de façon intuitive avec la température moyenne et donc avec le volume des précipitations neigeuses s'accumulant sur l'inlandsis. Donc on peut aussi corréler le niveau moyen des mers avec les paramètres précédents.

LA loi de corrélation est donc : le niveau moyen des mers baisse donc lorsque le 18O de l'eau de mer augmente, ou lorsque le 18O des carbonates des tests des Foraminifères benthiques augmente ou lorsque le 18O des glaces diminue.

à la recherche du temps (t) = dater les échantillons de glace ou de carbonates

CAROTTES DE GLACE

(les carottes de glace des pôles peuvent mesurer plus de trois milles mètres de long ce qui permettra probablement d'atteindre presque le million d'années sachant qu'il tombe environ 10 cm d'eau en moyenne par an sur le plateau central du Groenland, et que la neige déposée se compacte de plus en plus avec l'enfouissement)

Les échantillons de glace récoltés par des carottages sont datés par plusieurs techniques utilisées conjointement:

• des mesures fines du ¹⁸O tout au long de la carotte permettent de trouver des cycles annuels de variation de température, même si le signal est légèrement lissé par des fontes et recristallisations de la glace. Il suffit ensuite de compter les couches. Par exemple on a réalisé 67.000 analyses isotopiques le long de la carotte du site Dye3 au Groenland ce qui a permis de remonter avec une excellente précision à -8.600 ans.
• On peut aussi utiliser des variations de densité de la glace et de conductivité électrique qui présentent aussi des cycles annuels plus ou moins lissés. On étudie ainsi actuellement (2004) une carotte qui devrait permettre de remonter à -120.000 ans.
• L'estimation de l'épaisseur annuelle de la couche neigeuse compactée (on parle d'amincissement de la couche) qui a été la principale méthode utilisée par le passé mais qui donne des résultats assez peu fiables (50% de sous-estimation pour les âges de -30.000 ans de la carotte du Dôme C au Groenland par exemple (en 1978) ; ou 3.000 à 8.000 ans d'erreur pour la carotte de Vostok qui atteignait -160.000 ans en 1983).
• La comparaison de couches repères comme les couches de cendre volcaniques insérées dans les couches de glace et datées avec d'autres méthodes - à l'aide par exemple du pic de Béryllium 10 - ce qui a permis de faire des corrections de 15.000 ans sur des dates anciennes situées vers -300.000 ans.

CAROTTES DE SÉDIMENTS

(les carottes sédimentaires marines sont couramment d'une longueur de 20 m (mais peuvent être plusieurs fois plus longues) et atteignent entre 100.000 ans et 1.000.000 d'années de dépôts sédimentaires plus ou moins compactés sachant que l'épaisseur de l'accumulation sédimentaire varie d'environ 0,1 à 10 cm par millier d'années selon les apports)

Les échantillons de carbonates biogéniques (d'origine biologique) sont soit des sédiments (milieu de vie contenant beaucoup d'eau) plus ou moins compactés soit des roches sédimentaires marines. Ces dépôts contiennent de nombreux fossiles de coquilles calcaires d'invertébrés en milieu peu profond, mais sont majoritairement composés de tests de Foraminifères (principalement planctoniques, même si ce sont les espèces connues comme benthiques sur lesquelles on fait des mesure de ¹⁸O sur le CaCo3) et de plaques du test de Coccolithophoridés dès que l'on s'éloigne de la ligne de rivage jusqu'à la limite correspondant à la profondeur de dissolution de la calcite (CCD: calcite compensation depth - vers 5.000 m). Les carottes les plus aisément exploitables sont récoltées sur les pentes des dorsales lentes.

• La datation des tests calcaires se fait d'abord par des méthode paléontologiques (biostratigraphie). Chaque taxon (on nomme ainsi un élément de la classification évolutive sans faire référence à la notion d'espèce) est rapporté à une biozone (épaisseur de roche sédimentaire dont le contenu paléontologique est clairement défini - par exemple on parle de biozone de distribution pour l'épaisseur de roche où l'on peut rencontrer un taxon) qui est ensuite placée dans la chronologie de l'échelle stratigraphique internationale (qui regroupe des biozones de référence définies à partir d'au moins trois taxons par biozone - on par le de biozone d'Oppel en mémoire du stratigraphe allemand qui a introduit cette notion en 1856). Les biozones sont regroupées en étage, puis en séries, puis en systèmes (voir ancien cours de paléontologie).
• Des méthodes radio-isotopiques peuvent éventuellement venir s'ajouter. Le carbone 14 par exemple est devenu ces dernières années une méthode fiable pour les 50.000 dernières années (avec des incertitudes variables de quelques dizaines à quelques centaines d'années) étant donné que l'on pense avoir identifié la plupart des causes de fluctuation de la teneur en ¹⁴C de l'atmosphère passée (voir l'article du n°42 des Dossiers de Pour la Science référencé plus haut).
• Le paléomagnétisme est aussi un bon outil pour recalibrer les roches sédimentaires marines. La méthode est basée sur les inversions magnétiques (changement de sens du dipôle magnétique terrestre) qui sont enregistrés par les minéraux ferromagnétiques contenus dans les roches sédimentaires ou volcaniques.

Les âges sont donnés avec des fourchettes variables mais qui sont plus souvent de l'ordre du million d'années pour les ères antequaternaire et de quelques milliers d'années pour le Quaternaire.

Le rapport deutérium/hydrogène léger est un thermomètre isotopique 8 fois plus sensible que le thermomètre ¹⁸O.

Il a été intensivement utilisé pour la carotte de Vostok (Antarctique). C'est aussi sur ce site (3.500 m d'altitude, température annuelle moyenne de -55°C et température minimale enregistrée de -89,7°C) qu'ont été prélevées des carottes de glace dans lesquelles on a pu retrouver d'innombrables inclusions fluides (bulles de fluides) ayant emprisonné l'atmosphère fossile entourant la neige lors de son dépôt.

Les mesures fines réalisées de la teneur en CO₂ de ces inclusions fluides ont donné des résultats en accord avec les paramètres déduits des variations de température estimées: plus la température est supposée élevée, plus la teneur en CO₂ était élevée dans l'inclusion.

Une utilisation conjointe des méthodes isotopiques ¹⁸O et D/H a permis d'atteindre une résolution temporelle inhabituelle et de se focaliser sur la dernière glaciation à partir des données récupérées avec les carottes du forage NorthGRIP au Groenland. Les premiers résultats publiés en juin 2008 montrent des phénomènes de refroidissement/réchauffement beaucoup plus rapides que ce qui était attendu (de l'ordre de quelques années) voir les références sur la page de Valérie Masson-Delmotte.
Résumé de l'article en français:
« Le premier réchauffement rapide s'est produit voici 14.700 ans, lorsque la température du Groenland a augmenté de plus de 10°C : pendant cette période douce, appelée le Bølling, les premiers peuples de l'Âge de Pierre se sont installés en Europe du Nord et en Scandinavie. Mais les réjouissances ont été brèves. Il y a 12.900 ans, un retour à des conditions glaciaires s'est traduit par des températures extrêmement froides, avant un réchauffement final, il y a 11.700 ans. Celui-ci a marqué la fin de la dernière glaciation. Les carottes de glace du Groenland, qui reflètent l'évolution du climat de l'hémisphère Nord, révèlent que ces bouleversements climatiques se sont produits de façon extrêmement rapide.»

On s'est aperçu que les changements (de forte amplitude et de longue durée) de la température du sol se propagent dans le sous-sol et conduisent à un signal thermique perturbant le géotherme (courbe de la température du sous-sol en un lieu).

Une analyse de type inverse du traitement de signal, permet de retracer l'histoire des perturbations avec une précision suffisante pour que l'on puisse déchiffrer, dans un profil de température actuel, les changements climatiques des derniers millénaires (conférence du 7/10/2004 : Histoire de la température du sol au cours des derniers millénaires, Laurent Guillou-Frottier, BRGM, Orléans sur le site Planet-terre).

Sans apporter de résultat mirobolant cette technique (qui a nécessité une calibration à partir des résultats d'autres techniques) vient renforcer l'arsenal disponible. Ses promoteurs affirment qu'elle est la seule méthode directe d'enregistrement des paléotempératures. Ceci est vrai si l'on considère la surface du sol, mais il ne faut pas oublier que toute mesure de température est celle d'un support matériel (solide: roche, neige, glace, ou fluide : eau, air, gaz...). C'est l'accès à la température du support qui est directe, alors que dans le cas d'une mesure isotopique on doit passer par une loi de fractionnement isotopique qui dépend de la température.

1.2 - Des résultats présentés autour d'un modèle explicatif

Dans le modèle présenté d'autres corrélations sont mises en évidence entre les paramètres précédents et d'autres paramètres expérimentaux ou logiques: l'énergie solaire incidente en relation avec le développement de la biomasse, le volume des glaces polaires et l'albédo, la température de l'atmosphère en relation avec l'effet de serre, la teneur en CO₂ de l'atmosphère ou de l'eau de mer et sa fixation par les êtres vivants.

Il existe aussi d'autres lois expérimentales que nous n'avons pas développé: évolution de la teneur en CO₂ de l'eau de mer en fonction de la température et de la teneur en CO₂ de l'atmosphère par exemple. Par exemple la loi d'Arrhénius (du nom du chimiste suédois Svente Arrhénius (1859-1927) qui reçut le prix Nobel de chimie en 1903) qui relie la vitesse d'une réaction chimique à la température (voir par exemple, et http://earthobservatory. nasa.gov/ Library/Giants/ Arrhenius/ arrhenius.html (en anglais) pour les liens avec le climat).

d'après Didier, p 26

Dans ce modèle, deux paramètres principaux interviennent: l'énergie solaire incidente et la teneur en CO₂ de l'atmosphère;

en période interglaciaire, la température est élevée (0) parce que l'énergie solaire incidente est élevée (1) et l'albédo est faible (2); la teneur en CO₂ élevée associée à une forte température favorise un fort développement de la biomasse continentale et marine qui fixe le CO₂ (3) et (4) ce qui conduit à une diminution (relative) de la teneur en CO₂ atmosphérique (5); cette baisse est responsable d'une diminution de l'effet de serre (6) qui modère alors la température de cette période interglaciaire (7);

en période glaciaire, la température est basse (0) parce que l'énergie solaire incidente est faible (1) et que l'albédo est forte (2); la teneur en CO₂ légèrement plus faible et la température moyenne peu élevée ne permettent qu'un faible développement de la biomasse continentale et marine qui fixe peu le CO₂ (3) et (4) ce qui conduit à une augmentation relative de la teneur en CO₂ atmosphérique (5); cette augmentation est responsable d'une augmentation de l'effet de serre (6) qui modère alors la baisse de température de cette période glaciaire (7);
(les variations du ¹⁸O sont indiquées pour la glace de l'inlandsis, l'eau de mer et les carbonates biogéniques sédimentaires).

Remarques:
ces variations sont approximatives et donnent des indications sur le sens des probables variations. Mais les conditions locales peuvent s'éloigner du modèle. Il faut garder présent à l'esprit par exemple que, pour l'instant, rien de prouve que les variations de température sont synchrones entre les hémisphères Nord et Sud...

Conférence de Christophe Cassou sur la Physique du climat disponible pour les enseignants (après inscription) sur le site de PlanetTerre
grand public, sans physique (sauf les très sympathiques 10 dernières minutes de conférence (48ème min et s) qui mériteraient une édition à part à destination de tous)

« Le climat est parfaitement° prévisible, alors que le temps ne l'est pas »
Christophe Cassou, Formaterre 2007

J'ai cru comprendre:
Le climat est prévisible parfaitement°, alors que le temps ne l'est que très imparfaitement.

° dans ce cas, y aurait-il un peu de présomption dans un tel adverbe... ?
les physiciens sont des gens passionnés... et passionnants

Mais la prévision n'est pas le propos de l'auteur, car il ne s'agit pas de fiabilité des prévisions, mais d'une différence d'utilisation des modèles, ce qui est particulièrement clairement expliqué dans la conférence de Christophe Cassou (à partir de la 48ème minute; je vous engage à suivre ce passage).

Le météorologue et le climatologue utilisent les mêmes équations (Navier-Stokes), mais le premier s'intéresse principalement aux conditions initiales (température, humidité, force du vent...), alors que le second s'intéresse aux conditions aux limites (rayonnement solaire, albédo... et forçages). Tous les deux font des prévisions (température, humidité, vent...).

Une petite présentation modifiée qui j'espère ne change pas la teneur de ses propos:

image: http://files. myopera.com/ patrameau/ blog/ cycliste_arrivee.gif

Utilisation du modèle pour une prévision de type "météorologique"

Utilisation du modèle pour une prévision de type "climatique"

Les climatologues utilisent des moyennes statistiques* des différents paramètres.
Les climatologues ont donc une définition opératoire du climat :
« le climat est la valeur moyenne* du temps qu'il fait en un lieu donné sur une période donnée».

Le système climatique comme système complexe couplé des sous-sytèmes: atmosphère, hydrosphère, cryosphère, biosphère et lithosphère, à toutes les échelles du temps et de l'espace (in Christophe Cassou, Formaterre 2007, image 03a de la conférence); ne pas oublier l'homme dans la biosphère.

Un peu de vocabulaire:

L'approche physique du climat repose donc sur un modèle d'un système couplé en équilibre dynamique. Les variations sont donc considérées comme nées d'une contrainte (on parle de forçage) qui peut être externe ou interne au système.

forçages naturels externes (signal naturel):
* la variation du rayonnement solaire (corrélée notamment aux tâches solaires, phénomène invoqué pour le refroidissement du petit âge glaciaire entre les XVI-XVIIIèmes siècles où le nombre de tâches solaires avait diminué)
* les variations des paramètres orbitaux (excentricité, obliquité et précession) qui sont donc dépendants de la relation de la terre au soleil (son étoile)
* la tectonique des plaques dont l'exemple le mieux connu est l'activité volcanique (qui modifient la composition de l'atmosphère soit par des gaz, soit par des poussières (on parle d'effet parasol) et autres aérosols... de façon intense (1% du rayonnement solaire) mais sur une durée courte (de quelques années); voir aussi l'uplift-weathering.

forçage artificiel (anthropique) externe (signal anthropique):
par exemple la perturbation de l'effet de serre (par le dégagement de gaz à effet de serre dans l'atmosphère), la perturbation de la pénétration des rayonnements solaires dans l'atmosphère (par le dégagement d'aérosols) ou encore les modifications de la surface terrestre (par l'utilisation des sols pour l'agriculture, l'exploitation forestière ou l'urbanisation... modifiant l'albédo). Le signal anthropique est estimé à 1% du rayonnement solaire.

Le soleil est le moteur du climat
(vision un peu mécaniciste qui s'est toujours très bien appliquée aux mouvements des astres)

Pour les données simples sur le rayonnement solaire voir le cours de seconde

Les premières intuitions sur une cause astronomiques des variations climatiques sont rapportées à un mathématicien français: Joseph Alphonse Adhémar, vers 1842, qui faisait intervenir la précession des équinoxes.

Les courbes calculées par Berger (vers 1980), à la suite notamment des travaux de Milankovitch (vers 1930) constituent une théorie astronomique qui fait intervenir principalement la distance au soleil d'un point terrestre pendant une année, ce qui déterminait un ensoleillement plus ou moins intense. La période des variations envisagées est de l'ordre de plusieurs milliers d'années.

Par exemple voir la conférence Vincent Courtillot : "Le réchauffement climatique" aux Journées Scientifiques 2009 de l'Université de Nantes) dont la photo ci-dessous est extraite.

Alternances de lits de sédiments colorés (rose / blanc / gris / blanc) au niveau d'une plage du sud de la Sicile; les périodes chaudes correspondent à des sédiments rosés et les périodes plus froides à des sédiments grisés. On retrouve les cycles orbitaux avec des périodes courtes (à gauche, numérotées de 45 à 54) de l'ordre de 23.000 ans (correspondant à la précession) et des cycles de période plus longue (à droite, numérotées de 20 à 24) de l'ordre de 100.000 ans (correspondant à l'excentricité). Les maxima de concentration des sédiments en CaCO3 pouvant être corrélés aux minima de l'excentricité avec une période de l'ordre de 400.000 ans.

Plus une masse continentale est compacte (dans un cas extrême il n'y a qu'un seul continent, ou Pangée, comme cela est probablement arrivé plusieurs fois au cours de l'histoire de la terre), plus les circulations circum-équatoriales (qui longent l'équateur) sont réduites, ce qui empêche les échanges thermiques entre les eaux du globe.

Une bonne circulation équatoriale assurent l'homogénéisation des masses d'eau froides en provenance des pôles et des masses d'eau chaudes équatoriales qui ne présentent pas la même densité et qui se mélangent difficilement. Des masses continentales fragmentées et dispersées favorisent un climat moyen tempéré alors que des masses regroupées favorisent un climat moyen froid (période de glaciation avec installation d'un inlandsis sur le ou les continents placés aux pôles).

D'une manière plus complexe on peut signaler l'importance climatique des océans ou plutôt du couplage océan-atmosphère (voir par exemple: L'origine des glaciations, Wallace Broecker, in L'atmosphère, Dossier Pour la Science, Hors série juin 1996, 28-34); la circulation des masses d'air (l'air chaud monte et l'air froid descend) est corrélable (même si les modèles sont extrêmement complexes, on s'en doute, notamment du fait de la fluidité de l'atmosphère) avec la température de surface des eaux marines, elle-même sous la dépendance de sa composition chimique. Par exemple la salinité de l'eau est essentielle: une eau chaude évapore plus d'eau et à tendance à se refroidir (la chaleur latente de vaporisation mesure cette énergie nécessaire pour évaporer de l'eau) tout en augmentant sa teneur en sel (le sel ne passe pas dans la phase gazeuse, il y a distillation), ce qui augmente aussi sa densité (le sel est plus dense que l'eau), ce qui tend à la faire s'enfoncer. Une eau douce de rivière, plus légère, se mélange mal à l'eau salée mais plus facilement à l'eau chaude de surface et tend à faire diminuer la teneur en sel du mélange. Globalement on a dans l'Atlantique une circulation des eaux chaudes et moins salées depuis le sud vers le nord, le long des côtes ouest de l'Afrique et de l'Europe, un réchauffement des masses d'air arctiques au nord puis un courant de retour d'eaux froides et salées du nord vers le sud le long de la côte est des Amériques.

pour la nature du rayonnement solaire voir par exmple la page sur l'atmosphère

On dit -un peu vite- que la terre et l'atmosphère se comportent comme un corps noir qui piège le rayonnement solaire infrarouge (IR).

L'albédo (du latin albus = blanc) d'une surface est le pourcentage de la lumière solaire incidente réfléchie par cette surface.

L'albédo terrestre, c'est-à-dire de la planète terre, dépend d'une part de la composition de son atmosphère (surtout du fait des nuages et des aérosols qui réfléchissent près d'1/3 de l'énergie solaire incidente) et d'autre part de la nature des surfaces terrestres (la neige réfléchit fortement le rayonnement solaire alors que la végétation l'absorbe pour une grande part).

En période glaciaire, la présence d'inlandsis de grande taille,, augmente fortement la valeur de l'albédo de surface et donc refroidit la terre.

Les biomes sont des groupements de végétaux comme les savanes, les forêts caducifoliées tempérées ou encore les déserts ou les steppes. Les valeurs de l'albédo moyen pour ces types de végétation sont assez stables:
plus de 50% pour une surface gelée;
30-40% pour un désert;
25-30% pour des steppes et semi-déserts;
20-24% pour les savanes;
15-18% pour les forêts de conifères;
5-15% pour la mer

1.3.3 - La teneur de l'atmosphère en gaz à effet de serre est un paramètre essentiel de la régulation de la température atmosphérique

Les gaz dits à effet de serre piègent les rayonnements IR reémis par la terre (albédo).

Or, on observe un décalage dans le temps entre une période d'insolation maximale et une augmentation du rayonnement thermique reémis. On parle ainsi de phénomène d'hystérésis de l'albédo, le terme hystérésis désignant le décalage dans l'évolution d'un phénomène physique par rapport à sa cause.

La contribution de l'atmosphère à l'effet de serre peut aussi varier en fonction de sa composition (par exemple en CO₂ émis par respiration par les organismes vivants ou encore par combustion de matière organique par l'activité humaine: déforestation, carburants...).

Voici un tableau présentant quelques sources
et puits de carbone atmosphérique:

Depuis 1988, Maureen Raymo, Flip Froelich and Bill Ruddima ont développé un modèle climatique: l'uplift-weathering : «the hypothesis that the late Cenozoic cooling of climate, the Ice Age, was caused by enhanced chemical weathering and consumption of atmospheric CO₂ in the mountainous regions of the world, in particular the Himalayas (l'hypothèse selon laquelle le refroidissement climatique de la fin du Cénozoïque, l'âge glaciaire, serait du à l'augmentation de l'érosion chimique et la consommation du CO₂ atmosphérique dans les régions montagneuses du globe, en particulier dans l'Himalaya)». Ce modèle donne une place prépondérante au forçage tectonique (la chaîne de l'Himalaya étant une chaîne de collision). Il en séduit aussi beaucoup puisqu'il suppose que la teneur en CO₂ atmosphérique est un facteur majeur du climat.

On peut aussi signaler le rôle des volcans dans l'émission de poussières qui diminueraient l'ensoleillement. 

Remarque:
Les mécanismes à l'origine du CO₂ atmosphérique et de ses variations sont fort discutés. Il faut d'abord connaître le cycle du carbone avec la taille des réservoirs, les flux actuels (voir par exemple Comprendre et enseigner la planète terre, Ophrys, 2003, fig 208 p 225) et surtout les hypothèses concernant les premières étapes de l'histoire de la terre. Tous ces éléments dépassent le cadre de ce survol.

(d'après Sciences de la Terre et de l'Univers, col, Vuibert, 2000 - Fig 9,2)

Le temps de résidence moyen d'un atome de carbone dans un réservoir est déterminé en divisant la taille du réservoir par le flux d'échange. Par exemple pour l'atmosphère on obtient un temps de résidence de 4 ans (770/ 90+105). Pour la biosphère marine on trouve un chiffre de l'ordre de 4 à 5 semaines (2/14+6 ou 1/10 +3). Par contre le temps de résidence pour le réservoir des eaux intermédiaires et profondes est beaucoup plus long (38.000 / 100+0,45) soit 378 ans. On notera le faible taux d'exportation du carbone marin par sédimentation (0,45 Gt par an). Mais, comme ce phénomène semble durer depuis des milliard d'années et que le réservoir des roches carbonatées exporte très faiblement (roches sédimentaires métamorphisées puis repris dans les cycles orogéniques ou le volcanisme ou encore la fabrication de ciments par l'homme), ce réservoir constitue de loin le plus grand réservoir terrestre de carbone.

Le rôle de l'homme semble devoir être minimisé en tant qu'être vivant qui consomme environ 0,1 tonne de carbone par an soit 10^-10Gt de C.an^-1 pour sa nourriture organique, ce qui représente pour 6.10⁹ individus un rejet de l'ordre de 0,6 Gt de carbone.an^-1 (1% de la respiration des décomposeurs du sol chiffrée à 55 Gt de C.an^-1). Par contre les chiffres de la combustion des hydrocarbures fossiles et de la déforestation sont de plus grande importance.

Remarque:
La différence de taille de réservoir de CO₂ entre les eaux de surface chaudes et froides peut sembler aller à l'encontre de la loi de solubilité du CO₂ atmosphérique dans l'eau (la quantité de CO₂ dissous dans une eau froide est supérieure à celle d'une eau chaude). Mais il s'agit ici de masses de C et donc le chiffre dépend avant tout des masses d'eau. Or les masses d'eau chaudes, intertropicales et basses latitudes, sont plus importantes que les masses d'eau froides des moyennes et hautes latitudes.

Quel est le bilan des perturbations anthropiques sur le cycle du carbone ?

Voici les éléments présentés dans l'ouvrage cité ci-dessus.

On estime que le cycle du carbone est en équilibre avant les perturbations anthropiques récentes.

On considère qu'il y a 2 puits régulateurs essentiels:

* l'océan est le premier puits; si l'on injectait dans l'atmosphère une quantité de dioxyde de carbone équivalente à 100 ans d'activité humaine actuelle (700 Gt de C) et que l'océan était le seul puits, on estime que seulement 1/5 du C injecté resterait A L'ÉQUILIBRE dans l'atmosphère (ce qui provoquerait une augmentation de la concentration de l'atmosphère en CO2 de 20% soit 0,0043%) et que le reste serait absorbé par l'océan (effet Revelle). Par contre on ne sait pas chiffrer précisément le déplacement des équilibres pour les carbonates des eaux marines (CaCO3 par exemple). Il est certain que l'on déplacerait les équilibres mais chiffre ce déplacement se révèle très difficile à approcher, à l'échelle globale. Comme l'homme injecte du CO2 dans l'atmosphère en continu celui-ci n'est donc bien sûr PAS À L'ÉQUILIBRE avec l'océan. On pense qu'en fait l'océan absorberait les 2/3 du C d'origine anthropique excédentaire par rapport à sa simple respiration. Le problème de fond est bien que la production anthropique de C est trop rapide pour que les mécanismes naturels l'évacuent à l'équilibre.

* la biosphère continentale est le deuxième puits; pour l'instant on ne sait pas chiffrer précisément son apport dans l'évolution rapide de la teneur atmosphérique en dioxyde de carbone.