Quelles causes sont à l'origine des climats sur Terre ?

CAPSULE ÉNERGÉTIQUE

Mesures du climat du passé

Déterminer la température d’un lointain passé n’est pas chose facile, mais des traces de ce passé sont emprisonnées dans la glace.  La calotte de l’Antarctique se compose de glace qui est de plus en plus ancienne au fur et à mesure que l’on creuse plus profondément.  Cette glace enferme de l’air sous forme de microbulles qui datent de la même époque que la formation de la glace.  Cette situation ouvre la voie à retracer la composition de l’atmosphère archaïque par l’intermédiaire des gaz chimiquement stables, comme le CO2, car une fois que celui-ci est emprisonné dans la glace, il ne subit pas de modification de concentration.

En 1958 une mission russe (à l’époque l’URSS) s’installe sur le site de Vostok en Antarctique, un peu à l’est du Pôle Sud, car les premières évaluations indiquent que l’épaisseur de la glace y est une des plus importantes du continent.  En 1985 une équipe française, puis une équipe américaine, rejoignent l’équipe russe pour aider à l’avancement des travaux de creusage et d’analyse des carottes de glace.  En 2003 le forage a atteint une profondeur de 3600 m, juste en deçà du lac souterrain Vostok.  Les travaux ont été interrompus jusqu’en 2012 année où le creusage final a permis d’atteindre le lac et d’en commencer l’étude.  L’analyse chimique des carottes de glace permet de reculer dans le passé jusqu’à environ 400 000 ans.

Variation de la température et de la concentration du CO2 dans le passé

À partir des données du CO2 et des isotopes de l’oxygène et de l’hydrogène a été construit le graphique qui précède représentant l’évolution de la température et de la concentration du gaz carbonique pour une période allant jusqu’à 400 000 ans dans le passé.

Une correspondance très claire apparaît à la figure précédente entre la concentration de CO2 atmosphérique et l’évolution de la température.  Les pics de température espacés d’environ 125 000 ans, correspondent aux périodes de plus grande intensité du rayonnement solaire, ainsi que des pics de concentration de CO2.  Les périodes où le flux solaire augmentait, la température terrestre allait dans le même sens et naturellement l’activité biologique augmentait également, ce qui faisait s’élever la concentration de CO2, principalement due à la décomposition de matière organique.

Sur les derniers 400 000 ans, seule la période moderne (derniers 150 ans) semble dissocier la concentration de CO2 et les paramètres astronomiques.

Autre constat important, la concentration la plus élevée de CO2 pour toute cette longue période a été d’environ 300 ppm, on en est actuellement à 400 ppm, c’est tout à fait hors-norme.

La figure à droite présente les concentrations du CO2, de méthane (CH4) et du protoxyde d’azote (N2O) pour une période plus courte, soit de -10 000 ans à aujourd’hui.  On voit que la concentration du CO2 s’est maintenue entre 260 et 280 ppm durant toute cette période et que le changement brusque est un phénomène très récent.  Un changement similaire s’est produit pour les eux autres gaz, et ce dans la même période de 150 ans.

Facteurs qui influencent le climat

Comme il a été présenté plus haut, le climat terrestre a varié de tout temps, et ce, depuis la formation de la planète, ce n’est donc pas un événement nouveau.  De nombreux phénomènes participent à ces changements, on en fera ici une description rapide pour mieux comprendre où intervient l’influence humaine. Certains phénomènes sont de courte durée, d’autres de longue et de très longue durée, certains processus font augmenter la température et d’autres la font baisser. Plusieurs phénomènes agissent en parallèle, parfois opposés, et c’est le cumul de tous ces phénomènes qui imposera une température à un moment donné de l’histoire de la Terre.  Il faut prendre en compte également qu’une inertie importante existe pour un système aussi imposant qu’une planète.  Inertie provenant des masses de sols et des océans, qui amortis tout changement et décale dans le temps l’effet de la cause.

Les lignes qui suivent présentent une synthèse de l’ensemble des phénomènes qui influencent le climat et chacun d’eux sera analysé plus bas.

1) Variabilité naturelle externe :    Astronomique
Liée aux variations des forçages externes d’origine naturelle

1. Puissance de rayonnement solaire (très long terme)
2. Relation Terre – Soleil :    Distance  –  Angle  (variable)
3. Taches solaires (courte période)

2) Variabilité naturelle interne :   Géologique
Liée aux rétroactions entre les différentes composantes géographiques du système
climatique

1. Position des masses terrestres (temps géologique très long)
2. Volcanisme (courte période)

3) Changements climatiques anthropiques :    Humain
Liés aux variations des forçages anthropiques

1. Utilisation des combustibles fossiles
2. Déforestation et agriculture intensive

1) Variabilité naturelle externe :    Astronomique

Au moment de sa formation, il y a 4.5 milliards d’années, notre étoile, le soleil, rayonnait au 3/4 de sa puissance actuelle, puis son énergie a augmenté lentement en raison de l’accroissement des réactions de fusion qui transforment l’hydrogène en hélium, ensuite en éléments plus lourds.  Mais au cours du dernier million d’années, on note relativement peu de changement de la puissance solaire. Seule une variation périodique d’environ 11 ans fait augmenter et diminuer le nombre de taches foncées à la surface de l’astre.  À noter que plus il y a de taches solaires et plus l’intensité lumineuse augmente.

La constante solaire représente le flux solaire incident perpendiculaire à une surface de 1 m2 située à l’extérieur de l’atmosphère terrestre.  Cette constante n’est pas tout à fait constante, mais  varie en fonction du nombre de taches solaires; plus il y a un grand nombre de taches, plus le flux augmente.  L’amplitude de cette variation est d’environ 0.15 %, ce qui est faible.  La valeur de la constante solaire actuelle est de 1365 W/m2.  C’est une valeur mesurée par satellite.

Le schéma qui suit montre la variation du nombre de taches solaires, la variation de la concentration de CO2 dans l’atmosphère terrestre et l’augmentation de la température moyenne de la Terre entre 1850 et 2010.  L’analyse de ces courbes indique qu’il ne semble pas y avoir de relation directe entre le nombre de taches solaires et la température terrestre.  Ceux qui prétendent que le soleil est la cause des changements climatiques font fausse route.  Mais un lien évident existe entre la  température et la concentration atmosphérique de CO2.  Nous y reviendrons.

Paramètre de Milankovitch :

Au cours des années 1930, un ingénieur et astronome serbe du nom de Milutin Milankovitch a étudié les variations astronomiques liant la Terre et le soleil.  Il en a déduit que 3 variations cycliques se combinent et peuvent expliquer les cycles de glaciation et de réchauffement du passé.

Premier paramètre :  Excentricité de l’orbite terrestre
La Terre décrit une ellipse dont le Soleil occupe l’un des foyers.  Cette excentricité est due aux attractions gravitationnelles qui s’exercent par le soleil et les autres planètes du système solaire sur la Terre, les lois de Newton décrivant bien ce phénomène.  L’excentricité de l’ellipse est une mesure de la différence entre cette ellipse et un cercle parfait.  La forme de l’orbite terrestre varie dans le temps entre une forme quasi circulaire (excentricité faible de 0.005) et une forme plus elliptique (excentricité élevée de 0.058).  L’excentricité actuelle de la terre est de 0.017.

Du fait que les autres planètes de notre système n’ont pas la même masse ni la même durée de rotation autour du soleil, l’influence gravitationnelle combinée de l’ensemble varie dans le temps.  La principale composante de cette variation fluctue sur une période de 413 000 ans.  D’autres composants de cette variation fluctuent sur des périodes variant entre 95 000 et 125 000 ans.

L’excentricité est l’un des facteurs les plus importants dans les changements climatiques naturels puisque la Terre peut recevoir de 20 à 30 % plus d’énergie émise par le Soleil au périhélie (lorsque la Terre est la plus proche du soleil) qu’à l‘aphélie (lorsque la Terre en est la plus éloignée).  Étant donné que l’excentricité n’est pas liée aux changements de saisons, cela peut avoir deux conséquences différentes :

• Si l’été correspond au périhélie et l’hiver à l’aphélie alors la Terre reçoit beaucoup d’énergie en été et moins en hiver, donc il y a des étés «chauds» et des hivers «froids».
• Si par contre l’été correspond à l’aphélie et l’hiver au périhélie (comme actuellement dans l’hémisphère nord), la Terre reçoit un peu moins d’énergie en été, mais plus en hiver, donc les étés sont plus «frais» et les hivers sont plus «doux».

Deuxième paramètre : Obliquité de la Terre 
Cette obliquité, aussi appelée inclinaison terrestre, qui correspond à l’angle entre l’axe de rotation de la Terre et un axe perpendiculaire sur le plan de son orbite (écliptique).  L’obliquité terrestre varie entre 22.1° et 24.5° approximativement tous les 41 000 ans. Quand l’obliquité croit, les deux hémisphères reçoivent plus de radiation du soleil en été et moins en hiver.  Cette obliquité est due elle aussi aux interactions gravitationnelles que la Terre subit de la part des autres planètes.

Troisième paramètre : Précession des équinoxes 
La Terre ne tourne pas sur elle-même comme un ballon parfaitement sphérique, mais plutôt comme une toupie, car elle est soumise à la précession des équinoxes.  Cette précession provient du fait que les attractions du Soleil et de la Lune ne sont pas uniformes sur la Terre à cause du bourrelet équatorial de la Terre.  Ceci a comme première conséquence d’influencer l’indication du pôle Nord céleste et comme deuxième effet de modifier lentement les saisons astronomiques, donc de changer légèrement la date d’arrivée des solstices d’été et d’hiver.

Effet combiné :  
Effet combiné de ces trois paramètres est complexe, car la longueur de la période de chacune d’entre elles est différente et que pour chacune d’entre elles il y a des différences d’amplitude dans le temps.  La figure suivante présente l’effet combiné de ces 3 paramètres pour le mois de juin au 65° de latitude Nord.  Cette latitude est choisie, car elle correspond à la zone où la surface émergée de la Terre est la plus importante.  Les courbes vont de la période actuelle jusqu’à 400 000 ans dans le passé.

Les trois courbes du haut indiquent la variation individuelle de chaque paramètre et la courbe du bas présente l’effet combiné de ces 3 paramètres en termes de puissance d’insolation (W/m2).  Il est remarquable que cette courbe (rouge) soit tout à fait en phase avec la courbe de température obtenue par l’analyse des glaces de l’Antarctique.

Variabilité de l’ensoleillement due à des causes astronomiques.

2) Variabilité naturelle interne :    Géologique

Au fil des millénaires, le déplacement de continents, résultante de la tectonique des plaques, a modifié considérablement la position des masses terrestres, ainsi que les courants marins.  Par exemple il y a 250 millions d’années était formé Pangea, le dernier des super continents qui englobait l’ensemble des terres émergées.  Même si ce paramètre a une importance considérable, la variation du climat due à la tectonique des plaques ne sera pas couverte dans le cadre de cette capsule, car c’est un processus qui se déroule sur des périodes très longues, des centaines de millions d’années.

Par contre, un autre phénomène géologique doit être mentionné, car lui à une incidence sur le climat sur des périodes beaucoup plus courtes : le volcanisme.  Certains volcans ont la particularité de mettre en suspension dans l’atmosphère des masses importantes de poussières et de fumées composées de multiples matériaux.

Les magmas contiennent de grandes quantités de gaz volcanique dissous.  Ces gaz sont composés principalement de : vapeur d’eau (teneur de 50 à 90 %), de CO2 (de 5 à 25 %), et de SO2  (de 3 à 25 %).  Puis viennent d’autres éléments volatils comme le CO, HCl, H2 , H2S, etc.  Des poussières et des cendres font également partie des émissions volcaniques, et parfois en quantité importante.  Ces éléments peuvent être de toutes dimensions, mais les plus petites particules solides peuvent atteindre des hauteurs de plusieurs kilomètres d’altitude si l’éjection se fait à haute vitesse, ce qui leur permet aux particules de rester en suspension durant plusieurs jours et même plusieurs mois dans l’atmosphère et de faire le tour de la Terre plusieurs fois avant de retomber au sol.

Ces poussières sont composées de différents minéraux, principalement de silice, phosphates et sulfates.  La particularité de ces poussières c’est leur capacité de réfléchir le rayonnement solaire et ainsi de faire baisser le flux solaire incident au sol.  Elles ont donc un effet de refroidissement, mais cet effet ne dure que quelque mois, ou au plus quelques années.  Certains volcans ont, par le passé, entraîné des baisses de production agricole notables de par le monde, à titre d’exemple, l’éruption en 1883 du Krakatoa, volcan indonésien,  déstabilisa la température du globe et entraîna des baisses de température en Europe durant plusieurs années.

Ce phénomène de baisse de la température par des particules aéroportées a été repris par certains scientifiques qui ont élaboré des méthodes de réduction artificielles de la température par l’ensemencement de l’atmosphère par de grandes quantités de particules composées de nitrates ou sulfates.  C’est ce qui a été appelé la « Geoengineering », ou plus justement nommé « Climate engineering ».  Méthodes très décriées, car il est presque impossible d’évaluer l’effet global réel de ce type d’intervention et d’en prédire les effets non désirés.

3) Changements climatiques anthropiques :    Humain

Depuis 1750, la concentration de CO2 augmente régulièrement dans l’atmosphère, passant de 280 ppm avant l’ère industrielle à 400 ppm en 2014, soit 42% d’augmentation.  Cette augmentation s’est accélérée depuis le milieu des années 1960 et continue d’accélérer.  Elle était en moyenne de l’ordre de 1 ppm par année dans les années 1960, elle a atteint la valeur de près de 2 ppm par année actuellement.  L’augmentation de la population et l’augmentation de la consommation per capita correspondent tout à fait à ce comportement.  La figure qui suit présente les émissions mondiales de CO2 selon trois critères :  les émissions uniquement dues à la combustion d’énergie fossile (ligne noire), les émissions qui cumulent l’ensemble des énergies fossiles en plus de ceux de l’agriculture et de la foresterie (rouge), et les émissions dues aux énergies fossiles, mais par personne (bleu).

Depuis 1957 des mesures journalières de la quantité de CO2 dans l’atmosphère ont été faites en divers endroits du globe, le premier d’entre eux, et encore aujourd’hui le plus célèbre étant Mauna Loa, sur l’île d’Hawaï, laboratoire mis en place sous les auspices du climatologue américain Charles Davis Keeling  (1928 – 2005).  Cet endroit a été choisi pour assurer des mesures non perturbées par la présence de source locale importante, comme une ville.  Les résultats de ce lieu (niché à 3300 m d’altitude) assurent donc d’obtenir une mesure pour une atmosphère homogène et représentant bien une moyenne globale de l’atmosphère terrestre.  Les observatoires qui sont venus s’ajouter à Mauna Loa sont également situés sur des îles perdues au milieu de l’océan ou sur des bateaux.  La concentration de CO2 est calculée en rapportant les valeurs pour de l’air sec, ce qui permet d’éliminer un terme variable.

La figure qui suit présente les résultats de Keeling.  En mettant en rapport cette courbe et les courbes  de la figure précédente, il est indéniable que l’accroissement des émissions dues aux humains fait croître la concentration du CO2 atmosphérique.

Depuis le début de ces mesures, les relevés ont montré que la concentration en gaz carbonique dans l’air augmentait un peu chaque année, avec une légère variation saisonnière due aux périodes de croissance et de décomposition des végétaux; et récemment d’autres mesures ont permis de voir que la quantité d’oxygène présente dans l’air diminuait de manière remarquablement symétrique à l’augmentation du CO2.  Pour une molécule de CO2 apparaissant dans l’atmosphère, il disparaît une molécule d’O2, ce qui accrédite l’idée que le CO2 injecté provient d’un processus de combustion.

La différence entre les émissions annuelles de CO2 par les humains et l’augmentation de la concentration de ce gaz dans l’atmosphère, indique qu’une part du CO2 libérée par les activités industrielles et agricoles est absorbée par la nature.  Environ 30 % de l’absorption est due à la photosynthèse de la végétation terrestre, et environ 24% est due à la dilution du CO2 dans l’eau des océans; ce sont les puits naturels de CO2.  Donc la nature réabsorbe actuellement environ 54% du CO2 émis.  Cependant, ces capacités d’absorption de la nature semblent diminuer avec le temps, ce qui n’est pas une bonne nouvelle.  Les effets complexes de l’augmentation du CO2 sont traités dans une autre capsule.

Nous avons traité dans cette capsule que du gaz carbonique, mais ce n’est pas le seul gaz à effet de serre (GES) émis par les activités humaines.  Plusieurs autres gaz ont leur importance, mais seront traités dans une autre capsule dédiée aux GES.

Conclusions

La présentation des faits dans cette capsule démontre que les changements climatiques en cours actuellement découlent sans équivoque des activités humaines.  Certaines personnes refusent cette évidence, mais les faits sont têtus.

Site web à consulter :  Animation montrant l’évolution du climat observé et calculé à partir de l’effet combiné de plusieurs facteurs pour la période 1880 à 2014 :   Bloomberg