THEME 1:
LES VARIATIONS DU CLIMAT ET
LES VARIATIONS DU NIVEAU MOYEN DES MERS
****
LES CHANGEMENTS CLIMATIQUES
DU QUATERNAIRE
- Les manifestations
climatiques de ces dernières années (tempêtes de
1999, sécheresses, inondations,...) inclinent à penser
que la Terre se réchauffe. Nous nous interrogerons pour savoir
si ces changements sont naturels ou la conséquence des
activités humaines. C'est l'étude des climats du
passé qui guidera notre recherche et nous essaierons de savoir
s'il est possible d'en tirer des leçons pour l'avenir.
-
- Thèmes traités
et activités
pédagogiques
(durée: 2 semaines):
Les archives climatiques
Les
indices
recueillis
Les mécanismes
à l'origine des cycles climatiques
1
Les archives climatiques
1.1 LES GLACES POLAIRES
- 1.1.1 Classement des archives
glaciaires
-
- La glace résulte du tassement de la neige, assemblage
de cristaux et d'air. La glace ainsi compactée piège,
fossilise l'air ambiant. Dans les régions polaires, des couches
annuelles successives de glace, parfois bien visibles, constituent des
archives classées que le carottage permet d'analyser.
-
- 1.1.2 Les indices contenus dans les
glaces
-
- L'analyse du contenu gazeux des bulles d'air
piégées - qui peut représenter 10% du volume de la
glace - permet d'avoir une idée de la composition de cet air
fossile: teneur en O2, en gaz à effet
de serre (CO2, CH4).
La teneur en isotopes lourds de l'eau de la glace (18O
et 2H ou D, deutérium) varie en fonction
de la température régnant dans l'air au moment de la
chute de neige. Les rapports 18O/16O
ou 2H/1H constituent
donc de véritables paléothermomètres.
-
-
Etude de
documents
- Couches de glace dans un glacier
- Carottage de la glace
- Neige observée au microscope
- Observation de glace au microscope polarisant -
- Le
18O de la glace
- Le dioxygène est un mélange isotopique de
99,8% d'16O et 0,2% d'18O,
les mêmes proportions règnent dans l'eau (H218O et H216O).
- On constate que la concentration en 18O
dans les glaces polaires est inférieure à celle des eaux
océaniques et que la concentration en 18O
dans les glaces est fonction de la température de
précipitation de la neige.
- L'accumulation d'inlandsis sur les continents, lors des
périodes glaciaires s'est traduite par un enrichissement relatif
de l'eau océanique en 18O.
- Les variations du rapport 18O/16O dans les glaces et les océans au cours du
temps constituent des paléothermomètres permettant de
connaître l'évolution du climat.
- Pour étalonner le thermomètre isotopique, on
évalue le rapport 18O/16O
dans des échantillons de neige en fonction de la
température de précipitation, par rapport au standard
de l'eau océanique, en utilisant la formule conventionnelle:
-
- Le 18O s'exprime
en °/oo et varie dans le même sens
que 18O/16O.
- A partir de documents relatifs aux corrélations
entre 18O et températures (rubrique "les isotopes de
l'oxygène dans l'eau"):
-
-
http://www.inrp.fr/Acces/biotic/environ/paleoclimats/html/demvardo18.htm
-
- - vous analyserez les variations de 18O en fonction des températures moyennes
annuelles de l'air,
- - que signifie une augmentation de 18O? une diminution?
1.2 LES SEDIMENTS OCEANIQUES
- 1.2.1 Les tests de
foraminifères
-
- Les restes des animaux et des végétaux marins
morts contenus dans les sédiments déposés au fond
des océans ont aussi enregistré des traces des
paléoclimats. Parmi eux les Foraminifères,
Protozoaires planctoniques, ont un test (=coquille) carbonaté
(CaCO3) qui contient 18O
et 16O, dont la composition varie avec la
température de l'eau de mer environnante et la quantité
de glace accumulée sur les continents. En période
glaciaire, l'immobilisation de grandes quantités de glace aux
pôles réduit le stock d'eau océanique; ainsi la
glace est appauvrie en isotopes lourds, les eaux océaniques
sont, elles, enrichies en 18O.
-
- 1.2.2 Un autre
paléothermomètre
-
-
-
Etude de
documents
- Lame mince de calcaire à foraminifères
- Foraminifères
observés au MEB (microscope
électronique à balayage)
-
- Le 18O des tests carbonatés de
Foraminifères
- Il est possible de traduire l'évolution du 18O des tests carbonatés de
Foraminifères en fonction de la température moyenne de
l'eau.
- Le rapport 18O/16O,
qui sert ici de référence, est celui de tests fossiles
datant du Crétacé, époque où les inlandsis
étaient absents:
-
- En utilisant le même document que dans le
§1.1.2 (rubrique "Les isotopes de l'oxygène dans les
carbonates"):
- - Analysez les variations de 18O des tests carbonatés de
Foraminifères en fonction des températures moyennes
annuelles de l'eau.
- - Que signifie une augmentation de 18O ? une diminution?
-
1.3 LES SEDIMENTS DES TOURBIERES ET LACS
CONTINENTAUX
- 1.3.1 Les conditions de
sédimentation lacustre
-
- Elles changent lors des variations climatiques:
- si le froid est intense (glaciation), la
végétation se raréfie, les précipitations
ravinent les sols, les apports du bassin versant augmentent: de grandes
quantités de sédiments détritiques (graviers,
sables, argiles) se déposent, la précipitation des
carbonates s'arrête.
- En période plus chaude l'évaporation l'emporte
sur les précipitations, le niveau du lac baisse (régression).
La précipitation de CaCO3 sous l'effet de
la chaleur et des végétaux (photosynthèse)
entraîne la formation de calcaire (craie lacustre par exemple).
Des débris végétaux peuvent s'accumuler et se
transformer par décomposition en tourbe (roche combustible).
-
- 1.3.2 La flore des tourbières
-
- Certains lacs peuvent se combler lorsque la
sédimentation devient importante: la végétation
colonise les bords, la sédimentation organique progresse, il y a
acidification du milieu qui favorise le développement d'une
végétation caractéristique (sphaignes). Le lac se
comble et se transforme en tourbière.
A la belle saison, les végétaux terrestres avoisinants y
disséminent des quantités considérables de pollens
(Plantes à fleurs) ou de spores (Champignons, Mousses,
Fougères,...).
Ces cellules reproductrices sont entourées d'une enveloppe
protectrice résistante contenant une substance imputrescible, la sporopollenine,
qui assure une fossilisation d'autant
plus efficace que le milieu est peu oxydant.
Ces grains de pollen et ces spores sont caractéristiques des
végétaux qui les produisent: la forme, la taille,
l'aspect peuvent être reconnus (palynologie). Leur analyse
statistique aux différents niveaux d'une carotte permet donc
d'établir un spectre pollinique et d'avoir une
idée précise de l'environnement végétal
à un moment donné. Ce dernier étant
étroitement lié au climat, la palynologie permet donc de
reconstituer les variations climatiques.
-
-
-
Etude de
documents
- Photographie de lac de montagne
- Schéma de coupes transversales de lac à
différents stades de la sédimentation
- Site internet: http://svt.ac-bordeaux.fr/Res-Peda/Prog-Lyc/Spe-Term/Dupasse/Polchouz/Palyno/Pollens/pollens.htm
- Observation microscopique de quelques spores et grains de pollen
- Préférences climatiques de quelques
végétaux:
- Le noisetier demande une température
relativement douce.
- Le hêtre et le sapin
témoignent d'un climat froid et humide.
- Le chêne, le tilleul et l'orme
composent la chênaie mixte. Ce type de formation traduit
un climat tempéré doux et humide.
- L'aulne est un arbre de milieu humide (bord des
ruisseaux).
- Les Ericacées, les bruyères
sont de petits arbustes qui aiment la sécheresse (landes).
- Le bouleau préfère le froid
(répandu en Scandinavie, en Sibérie, il demeure marginal
dans nos régions).
-
2
Les indices recueillis
- On se propose de reconstruire les signaux atmosphériques
et climatiques à partir des archives présentées
ci-dessus.
2.1 DANS LES GLACES CONTINENTALES
A l'heure actuelle le
carottage le plus profond a été réalisé en
Antarctique, sur le site de Vostok où l'on a pu accéder
à des glaces vieilles de 420 000 ans. -
- Les recherches portent sur les poussières de la glace,
la composition des bulles d'air (CO2, CH4), les isotopes stables de l'eau (18O,
16O, 1H et D),
permettant de déterminer 18O et D.
-
-
- Etude de
documents
- Résultats obtenus à partir de l'analyse de carottes de
Vostok (laboratoire de Saint-Martin d'Hères - université
de Grenoble):
-
"Notre atmosphère depuis 400 000 ans"
-
http://www.inrp.fr/Acces/biotic/environ/paleoclimats/html/telechar.htm
Résultats obtenus à partir de forages de la
calotte glaciaire Arctique au Groenland par une équipe
européenne -GIRP- et une équipe américaine -GISP
-): -
http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/paleo.html
-
http://www.inrp.fr/Acces/biotic/environ/paleoclimats/html/telechar.htm
-
- Décrivez les variations de la température par
l'intermédiaire de celles du 18O et de la composition de l'atmosphère au
cours des périodes proposées (- 420 000 ans à
actuel).
Quel est l'intérêt d'établir une comparaison entre
les résultats obtenus en Arctique et en Antarctique?
-
2.2
DANS LES SEDIMENTS OCEANIQUES
- Des campagnes de forages comme le programme international ODP
(Ocean Drilling Program) ont permis de récolter des informations
intéressantes:
-
-
- Etude de
documents
- - Résultats obtenus à partir de l'analyse de
carottes de sédiments océaniques: 18O, CO2,D.
-
-
http://www.inrp.fr/Acces/biotic/environ/paleoclimats/html/telechar.htm
-
- Déduisez de l'analyse de ces carottages des
informations climatiques.
L'analyse du 18O
des tests de Foraminifères peut-elle rendre compte des
variations de volume des glaces continentales?
Là encore, la comparaison entre différents sites et entre
différents paramètres apporte-t-elle des indications
intéressantes? Lesquelles?
-
2.3 DANS LA SEDIMENTATION ET LES VARIATIONS
DE NIVEAU DES LACS
-
- Etude de
documents
- Reconstitution du niveau des lacs jurassiens et
périalpins et des oscillations climatiques en Europe au cours de
l'Holocène à partir de différents indicateurs:
-
http://www.cnrs.fr/dossiers/dosclim/rechfran/4theme/paleo/paleocontdomtemp.html
-
- Sur quel principe est basée la méthode mise au
point en 1998 (Michel Magny) au laboratoire de Chrono-Ecologie de
Besançon?
Que peut-on conclure de l'analyse des courbes moyennes des variations
du niveau des lacs jurassiens et péri-alpins depuis 14 500 ans?
2.4 DANS LES SEDIMENTS DES TOURBIERES
-
-
Etude
de documents
Un exemple d'utilisation des microfossiles: les grains de pollen d'une
tourbière du Champ du Feu (Massif des Vosges du Nord - Bas-Rhin).
- On a procédé à l'analyse statistique de
grains de pollen à différents niveau de la
tourbière:
-
-
- Sur un tableur-grapheur (Excel) vous construirez le
diagramme pollinique de cette tourbière en utilisant comme type
de graphique "aires" et en portant le dénombrement des pollens
en ordonnée et les profondeurs en abscisse. Vous choisirez pour
chaque végétal une couleur conventionnelle correspondant
à ses préférences climatiques.
Dans un tableau vous résumerez l'évolution de la
végétation de la région sachant que les
correspondances profondeurs-> âges s'établissent ainsi:
200cm: -9 000ans, 175cm: -7 000ans, 150 cm: -5 500ans, 75cm: - 2
800ans, 25cm: -600ans).
-
2.5 LECONS TIREES
- Il y a ainsi une grande concordance entre les données
recueillies.
Le climat, au cours des 400 000 dernières années , a
connu une grande instabilité marquée par:
- des périodes froides (diminution des taux de CO2
et CH4),
- des périodes chaudes (augmentation des taux de gaz à
effet de serre).
Les variations climatiques enregistrées au pôle Nord et au
pôle Sud sont synchronisées et sont
corrélées avec celles enregistrées dans les tests
de Foraminifères et la sédimentation lacustre.
L'étude palynologique révèle aussi à une
échelle de temps plus courte une alternance de refroidissements
lents et de réchauffements plus brutaux.
- Les variations sont périodiques et l'analyse des
courbes isotopiques montre des cycles de 100 000 ans entre deux maxima
glaciaires.
3 Les mécanismes à
l'origine des cycles climatiques
3.1 UNE INFLUENCE ASTRONOMIQUE
- 3.1.1 la théorie astronomique
du climat
- C'est un mathématicien serbe du début du XXe
siècle, Milutin MILANKOVITCH, qui propose le premier, une
explication astronomique aux changements climatiques du quaternaire,
caractérisés par une alternance de périodes
glaciaires et de périodes inter-glaciaires.
- Sa théorie est basée sur le fait que les
variations périodiques saisonnières du climat sont
directement liées aux caractéristiques du mouvement de
rotation de la Terre autour du Soleil.
- Or les paramètres orbitaux de la Terre ne sont pas
constants à cause de l'attraction lunaire et des autres
planètes proches. MILANKOVITCH, à partir des lois de la mécanique
céleste,
calcule l'effet de ces différentes attractions et met en
évidence 3 types de perturbations périodiques:
Vous
pouvez voir des animations qui illustrent ces trois types de
perturbations
sur le site de "PLANET-TERRE" de l'Ecole Normale Supérieure
de Lyon:
-
http://www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/Infosciences/Histoire/Paleoclimats/Animations/milankovitch.html#
-
- Ces perturbations sont toutes susceptibles de faire varier le
flux de chaleur reçu à la surface de la Terre.
- Rappelons ce que nous avions pu constater dans le cours de
2e: ... Le globe terrestre, au cours de
sa révolution
annuelle autour du soleil, tourne sur lui-même autour d'un axe
presque perpendiculaire à la direction du soleil.
La cause première des variations climatiques est donc une
inégale répartition de l'énergie solaire à
la surface de la sphère terrestre: au niveau du sol, un m2
de surface reçoit beaucoup plus
d'énergie solaire à l'équateur qu'au pôle.
Par ailleurs le bilan énergétique est
déséquilibré: les zones intertropicales
reçoivent plus d'énergie qu'elles n'en émettent,
à la différence des pôles.
Vous pouvez
vous
refamiliariser avec ces notions de la classe de 2e en faisant
l'exercice proposé à l'adresse ci-dessous:
-
- L'ampleur des variations ne peut
être expliquée par la seule théorie. D'autres
facteurs amplificateurs interviennent.
-
3.2 LES MECANISMES AMPLIFICATEURS
- 3.2.1 Le CO2 et l'effet
de serre:
- Rappelons ce que l'on entend par effet de serre.
- Les longueurs d'ondes des radiations reçues par la
Terre (0,2 à 2 µm) diffèrent de celles des
radiations réémises par elle (3 à 50 µm)
dans le domaine des infrarouges. Différents constituants de
l'atmosphère (divers gaz, particules en suspension)
piègent les infrarouges réémis par notre
planète. L'échauffement atmosphérique qui en
résulte est qualifié d'effet de serre.
L'atmosphère actuelle absorbe avec une efficacité
inégale les infrarouges de certains domaines de longueur d'onde
qualifiés de fenêtres. Ces pertes sont à l'origine
d'une température globale actuelle inférieure à la
température théorique. Si la concentration en
molécules à effet de serre augmente, ces fenêtres
se ferment et la température globale augmente.
- Ainsi le CO2 joue un rôle
fondamental en absorbant le rayonnement infrarouge émis par la
Terre: il empêche une fuite d'énergie vers l'espace et
contribue à échauffer l'atmosphère.
- Voyons quelles sont les corrélations entre la
température et le taux de CO2 des bulles
d'air fossiles dans une carotte de Vostok.
-
-
- Etude de
documents
- Comparons les variations des teneurs en CO2
fossile et celles des températures:
-
-
http://www.inrp.fr/Acces/Biogeo/themes/evolenvi/html/vostok13.htm
-
- Quelle conclusion peut-on dégager en confrontant
les valeurs de la concentration en CO2 il y a 7
000 ans et celle au moment du maximum de la dernière
période chaude (il y a 130 000 ans)?
-
- Mais les relations entre les deux phénomènes ne
s'arrêtent pas là et nous allons tenter d'élucider
le mécanisme d'amplification évoqué plus haut.
-
-
-
Equilibre
dans les
échanges de CO2 entre atmosphère
et hydrosphère en fonction de la température
Matériel:
cristallisoir rempli à moitié d'eau bouillie (ne
contenant plus de gaz dissous) fermé hermétiquement,
plaque chauffante, capteurs thermométrique et à CO2,
tube en verre. - Dispositif expérimental: ----->
- Protocole: la manipulation se fait sur 10 min.
Avant de lancer, on enrichit l'eau du cristallisoir en CO2
en y expirant plusieurs fois. Après 2 minutes, on allume la
plaque chauffante.
- Résultats:
-
- Interprétez les résultats obtenus.
-
-
- Lors d'une période de plus grande insolation (effet
astronomique), le CO2 de l'hydrosphère
(océans) diffuse davantage dans l'air, ce qui augmente l'effet
de serre: le réchauffement climatique est amplifié.
-
- 3.2.2 L'albedo
- Nous savons que plus une surface est
réfléchissante, moins elle s'échauffe. L'albédo
est le rapport entre l'énergie que réfléchit une
surface et l'énergie incidente qu'elle reçoit.
- Mesuré en % ce rapport
dépend de la longueur d'onde du rayonnement reçu: par
exemple un végétal chlorophyllien absorbe la
lumière rouge, mais réfléchit la lumière
verte (fluorescence).
- Des radiomètres permettent de
mesurer l'albédo d'un objet donné. Embarqués
à bord de satellites, ceux-ci peuvent évaluer
l'albédo des différentes régions du globe de
façon très précise.
-
-
-
NATURE DE LA SURFACE
|
ALBEDO (%)
|
| Neige |
> 90
|
| Glaces océaniques |
60 à 85
|
| Déserts sableux |
30 à 50
|
| Végétation |
10 à 25
|
| Sol nu ou rocheux |
10 à 20
|
| Forêts |
10 à 15
|
| Océan |
5 à 10
|
-
- Existe-t-il une corrélation
entre l'ensoleillement et la formation des calottes glaciaires?
-
-
- Etude de
documents
- On a l'habitude d'utiliser
l'insolation d'été aux hautes latitudes (65°N) pour
établir ces corrélations.
-
-
http://www.inrp.fr/Acces/biotic/environ/paleoclimats/html/datation-comment.htm
-
- Quelle analyse pouvez-vous faire?
-
-
- D'autres documents peuvent être
exploités sur le site:
-
-
http://www.inrp.fr/Acces/biotic/environ/paleoclimats/html/telechar.htm
-
- L'albédo des différentes
régions du globe peut être mesuré au cours d'une
année: c'est ainsi que l'on assure la surveillance du bilan
radiatif de la Terre.
-
-
- Etude de
documents
SCARAB
est un programme de coopération franco-russe destiné
à l'étude du bilan radiatif de la Terre en relation avec
les variations du climat. - Vous analyserez les moyennes
mensuelles de l'albédo au sommet de l'atmosphère pour les
mois de septembre (été) et décembre 1994 (hiver)
en utilisant les données ci-contre.
-
- Autre adresse possible pour une telle étude:
-
http://www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/Infosciences/Climats/Rayonnement/Bilan-radiatif/bilan-energie.htm#FSA
-
-
- Comparez les albédos
observés au cours de ces deux mois d'été et
d'hiver. Quel rôle les glaces ont-elles pu jouer vis-à-vis
de l'effet astronomique?
-
-
- Ainsi lors des périodes de forte
insolation, l'effet astronomique est amplifié par la diffusion
accélérée du CO2 des océans vers
l'atmosphère, ce qui augmente l'effet de serre.
- Lors des périodes de faible
insolation, l'effet astronomique est amplifié par le
développement des calottes glaciaires qui, en augmentant
l'albédo global de la Terre, contribue à son
refroidissement.
SCARAB
est un programme de coopération franco-russe destiné
à l'étude du bilan radiatif de la Terre en relation avec
les variations du climat.