Cycles de Milankovitch et variations climatiques

Cyril Langlois

Laboratoire Paléoenvironnements et Paléobiosphère - Université Claude Bernard Lyon 1

Benoît Urgelli

École Normale Supérieure de Lyon

Emmanuelle Cecchi

Florence Kalfoun

ENS Lyon / DGESCO

01/10/2004

Résumé

Les différents cycles de Milankovitch et leurs effets sur les climats.

Pour comprendre les variations climatiques glaciaires-interglaciaires, il faut comprendre comment les isotopes de l'oxygène dans l'eau de mer permettent de reconstituer les changements de volume glaciaire, comment des changements de l'orbite de la terre (paramètres de Milankovitch) peuvent causer des changements dans la distribution saisonnière du rayonnement solaire, stimulateur des variations climatiques, et comment les données paléoclimatiques extraites des carottages de glace de Vostok (Antarctique) et du Groenland peuvent être employées pour contraindre les variations passées du climat. On peut alors faire le lien entre les variations climatiques mesurées et les variations de l'orbite de la terre...


D'après Climate Archives, the climate record of the distant past. James D. Hays et Peter B. de Menocal . Lamont-Doherty Earth Observatory of Columbia University

Le Quaternaire est caractérisé par des cycles climatiques rapides et de grande amplitude liés aux paramètres de Milankovitch, avec une période de 100 000 ans très marquée. Ces cycles sont associés à une variation du volume des glaces polaires et donc à une variation du niveau de la mer.

Figure 1. Variation de température lors du quaternaire

Variation de température lors du quaternaire

La théorie de Milankovitch (ou théorie astronomique des changements climatiques) permet d'expliquer des changements des saisons en relation avec des changements de l'orbite de la terre autour du soleil. La théorie a été formulée par l'astronome serbe Milutin Milankovitch. Il a estimé les changements lents de l'orbite de la terre dus aux interactions avec les autres planètes du système solaire.

Il y a trois composantes principales qui expliquent la variabilité orbitale de la Terre :

Les périodes ont été déterminées par un traitement spectral des signaux de la figure 2 ci-dessous.

Figure 2. Variations de l'excentricité (E), de l'inclinaison (T) et de la précession (P) sur les 800 000 dernières années, d'après les travaux de Berger en 1978

Variations de l'excentricité (E), de l'inclinaison (T) et de la précession (P) sur les 800 000 dernières années, d'après les travaux de Berger en 1978

Figure 3. Variations orbitales de l'excentricité, de l'inclinaison (en degré) et de la précession (représentée par un index de précession) sur les derniers 800 000 ans

Variations orbitales de l'excentricité, de l'inclinaison (en degré) et de la précession (représentée par un index de précession) sur les derniers 800 000 ans

L'orbite verte est quasi-circulaire (excentricité faible), l'orbite bleue est elliptique (excentricité forte).


La figure 4 ci-dessous montre les variations du rayonnement solaire dans l'hémisphère Nord entre -25 000 à -10 000 ans, durant le solstice de juin. Ces changements orbitaux causent de grandes variations de la quantité de lumière du soleil reçue pendant une saison donnée (jusqu'à ±15%). Dans ce cas, seules les variations de l'inclinaison (période de 41 000 ans) et les précessions orbitales (période de 19 000 et 23 000 ans) affectent de manière significative la quantité de rayonnement reçue pour une saison donnée.

Figure 4. Variation du rayonnement solaire entre -25 000 et -10 000 ans

Variation du rayonnement solaire entre -25 000 et -10 000 ans

On peut reconstituer les variations du volume de glace en employant des mesures des isotopes de l'oxygène dans la calcite (le "O" dans CaCO3) des coquilles de foraminifères. En effet, les variations en 18O de l'eau de mer peuvent être corrélées aux variations de volume des glaces. Pendant la période glaciaire, le niveau de la mer était de - 130m. En conséquence le 18O de l'océan était à +1.5 pour mille qu'il est aujourd'hui. La mesure du 18O dans les coquilles de foraminifères permet donc de reconstruire les variations du volume de glace à l'échelle des millions d'années.


Le schéma ci-dessous montre les relations entre les changements du volume des glaces et les variations cumulées (ETP) de l'excentricité (E), de l'inclinaison (T), et de la précession (P).

Pour comprendre les origines de variations glaciaires-interglaciaires, deux cas extrêmes, parmi de nombreuses configurations possibles, sont représentés :

  • Pour la période glaciaire , l'orbite de la Terre est quasi circulaire (excentricité faible) et on a choisi d'y ajouter une faible inclinaison et une grande distance Terre-Soleil en été. Il en résulte un faible contraste saisonnier et une configuration favorable à l'apparition d'une période glaciaire.
  • Pour l'apparition d'une période interglaciaire , une configuration orbitale extrême est de considérer une forte excentricité (l'orbite de la Terre est une ellipse), une inclinaison forte et une faible distance Terre-Soleil en été. Il en résulterait des saisons très contrastées.

La variable principale est la quantité de rayonnement reçue en été aux hautes latitudes de l'hémisphère Nord.

La variabilité de l'oxygène 18O est liée aux variations du rayonnement direct en relation avec les paramètres de Milankovitch.

Les variations périodiques de l'orbite de la Terre sont donc le stimulateur de périodes glaciaires. Au cours du dernier million d'année, il y a eu une dizaine de périodes glaciaires.


Voir aussi...

Des variations climatiques cycliques avant le Quaternaire

Origine des cycles glaciaires-interglaciaires