Cycles de Milankovitch et variations climatiques
01 - 10 - 2004
Résumé
Cet article traite des cycles de Milankovitch et de leurs effets sur les variations climatiques.
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
Source : Petit R. et al., 1999, Nature.
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 :
- Excentricité (période de 413 000 et 100 000 ans)
- Inclinaison (période de 41 000 ans)
- Précession (période de 23 000 et 19 000 ans)
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
Droits réservés - © 1991 Paloeclimatology, T.J. Crowley, G. R. North, Oxford University Press
Source : Paloeclimatology, T.J. Crowley, G. R. North, Oxford University Press, 1991
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.
Droits réservés - © 2003 Cyril Langlois, ENS Lyon. D'après T. Crowley et J. North, Paleoclimatology, 1991, Oxford University
L'orbite verte est quasi-circulaire (excentricité faible), l'orbite bleue est elliptique (excentricité forte).
Source : Cyril Langlois, ENS Lyon, Janvier 2003, d'après T. Crowley et J. North, Paleoclimatology, 1991, Oxford University
La figure 4 ci-dessous montre les variations du rayonnement solaire dans l'hémisphère nord entre -25000 à -10000 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 00 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 -25000 et -10000 ans
Droits réservés - © 2004 James D. HAYS, Peter B. de MENOCAL, d'après Climate Archives, Lamont-Doherty Earth Observatory of Columbia University
Source : James D. HAYS, Peter B. de MENOCAL, d'après Climate Archives, Lamont-Doherty Earth Observatory of Columbia University
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.
Figure 5. Variation du niveau de la mer et variation de la composition isotopique de l'eau de mer et des tests de foraminifères benthiques
Le schéma ci-dessous (Figure 6) 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.
Figure 6. Relations entre les variations du volume des glaces et les variations cumulées (ETP) de l''excentricité (E), de l'inclinaison (T), et de la précession (P)
Droits réservés - © 2004 James D. HAYS, Peter B. de MENOCAL, d'après Climate Archives, Lamont-Doherty Earth Observatory of Columbia University
Source : James D. HAYS, Peter B. de MENOCAL, d'après Climate Archives, Lamont-Doherty Earth Observatory of Columbia University
Voir aussi...
Mots clés : Cycle de Milankovitch, Variation climatique, climat, Oxygène 18, Volume de glace, Orbite, Paramètre de Milankovitch, Rayonnement solaire, Paléoclimat, Carotte glaciaire, Niveau de la mer, Excentricité, Inclinaison, Précession, Période glaciaire, Période inter-glaciaire
