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Le théorie astronomique du climat

Issue de la théorie proposée en 1924 par le yougoslave Milankovitch, théorie qui explique les variations de l’ensoleillement des différentes régions sur Terre suite à l’évolution du mouvement de la Terre autour du Soleil.

L’alternance des époques glaciaires et interglaciaires qui se sont succédé sur les hautes latitudes de l’hémisphère nord (HN) depuis deux millions d’années est initiée par la combinaison des paramètres orbitaux qui définissent la position de la Terre dans l’espace par rapport au soleil. Une fois déclenchée, la construction (ou la fusion) de calottes de glace conduit à une diminution (ou une augmentation) des gaz à effet de serre dans l’atmosphère, ce qui amplifie le refroidissement (ou le réchauffement) du climat.

Nous présentons ci-dessous la définition et l’évolution des différents paramètres orbitaux, dont les cycles et leur relation avec les glaciations ont été en particulier étudiés par Milankovitch. Afin d’appréhender, de façon simple, comment les situations deviennent, de façon cyclique, favorables à la construction (ou la diminution) des calottes glaciaires, nous nous baserons sur le raisonnement simplifié suivant : plus les étés sont chauds plus la situation est favorable à la fusion progressive d’une calotte sur l’H.N, lorsque celle-ci existe, car la fusion des glaces a lieu l’été. Inversement, plus les étés sont frais, plus la situation est favorable à l’installation ou à la croissance de la calotte (si celle-ci existe déjà). La réalité est plus subtile, mais ce mécanisme est majeur et permet d’appréhender comment les cycles, liés à l’influence des différentes planètes sur le mouvement de la Terre, vont conduire le ballet des glaciations durant le quaternaire.

Pourquoi, pour expliquer les glaciations, s’intéresse-t-on à l’ensoleillement de l’hémisphère nord et non pas à celui de l’hémisphère sud ?

Parce que, lors des périodes glaciaires/interglaciaires, peu de choses changent dans l’hémisphère sud, excepté l’extension de la banquise autour de l’Antarctique, mince pellicule de glace de 3 m d’épaisseur. La calotte antarctique, qui recouvre le continent antarctique centré sur le pôle sud, reste quasiment inchangée entre ces deux climats : elle persiste. Autour de ce continent, entre 60°S et 30°S, aucun grand continent n’existe pouvant servir de support à l’établissement d’une grande calotte glaciaire. Par contre dans l’hémisphère nord (HN) une ceinture de continents existe à ces latitudes en Amérique et en Eurasie. C’est donc dans ces régions que vont pouvoir se construire puis disparaître les grandes calottes glaciaires. Une fois établies dans l’hémisphère nord ces calottes glaciaires vont modifier le climat de la Terre dans son ensemble, refroidissant toute la planète, y compris l’hémisphère sud.

Les trois paramètres orbitaux
Trois paramètres indépendants caractérisent la position de la Terre par rapport au Soleil, et donc définissent l’énergie solaire reçue selon les différentes saisons. Chacun de ces paramètres varie au cours du temps avec des périodes indépendantes; leur conjonction va rendre plus ou moins favorable la construction (ou disparition) des calottes glaciaires de l’hémisphère nord.

l’excentricité, « e », qui caractérise la forme de l’orbite décrite par la Terre en un an autour du Soleil, orbite qui n’est pas circulaire mais elliptique et dont le soleil occupe l’un des foyers (voir la figure Théorie astronomique du climat/excentricité).

La distance Terre-Soleil , qui est en moyenne de 149 millions de km, varie donc au cours de l’année, la Terre passant tous les 12 mois au périhélie (point le plus près du soleil) puis à l’aphélie, (point le plus loin). L’écart entre ces deux distances est fixé par l’excentricité. Si celle-ci est nulle, l’ellipse devient un cercle; si elle est de 0,015 (valeur proche de la valeur actuelle) la distance Terre-Soleil varie de 3% (2 fois l’excentricité) entre la position la plus proche et la position la plus éloignée. L’énergie solaire qui parvient à la Terre (1367 w/m2 en moyenne au cours de l’année) varie alors de 6% (4 fois l’excentricité) passant de 1408 W/m2 au point le plus proche à 1326 W/m2 au point le plus éloigné.

Cette excentricité évolue au cours du temps avec comme principales périodes 412 800 ans et un ensemble de périodes proches de 100 000 ans (voir la figure Théorie astronomique du climat/excentricité). Par exemple, lors de la précédente période interglaciaire, il y a 128 000 ans, l’excentricité était proche de 4%, (l’ellipse s’éloignait plus d’un cercle qu’à l’époque actuelle) et l’énergie reçue par la Terre entre le périhélie et l’aphélie variait d’environ 16%.

l’inclinaison (actuellement proche de 23°) de l’axe de rotation de la Terre sur l’écliptique, plan dans lequel se déplace la Terre autour du Soleil au cours de l’année (voir la figure Théorie astronomique du climat/inclinaison).

La Terre tourne en 24 heures autour de cet axe. La direction de cet axe est facilement matérialisable car, lorsqu’on regarde la voûte céleste la nuit, une étoile située dessus doit rester immobile au cours des 24 heures de rotation de la Terre : c’est actuellement le cas de l’étoile polaire. Cette direction ne bouge quasiment pas au cours de l’année (l’étoile polaire reste l’étoile fixe sur la voûte céleste). L’inclinaison de cet axe est responsable de l’existence des saisons : pas de saisons si l’inclinaison est nulle, et plus l’axe est incliné, plus l’écart est fort entre l’été et l’hiver. La position de cet axe oscille entre 21° et 24,5°, avec une période principale de 41 000 ans. Plus l’axe est incliné, plus les étés sont chauds, en particulier aux hautes latitudes où les jours sont longs. Inversement, moins il est incliné, plus les étés sont frais.

Par exemple, passer d’une inclinaison de 21 à 24,5° entraîne en été à la latitude de 70° une augmentation de l’insolation reçue:
elle passe de E x cosin (70-21), soit E x 0,6561, à E x cosin (70-24,5), soit E x 0,7010 ( E étant l’énergie solaire incidente, soit le flux d’énergie reçu par une surface frappée perpendiculairement par les rayons solaires).

Le flux d’énergie solaire reçu augmente ainsi de la quantité
E x 0,0449, c’est-à-dire une augmentation de (E x 0,0449/E x 0,6561), soit 6,8%.

Ceci conduit, environ tous les 20 000 ans, soit à une situation favorable à la fusion de calottes glaciaires aux hautes latitudes de l’H.N. (inclinaison forte, étés chauds) soit à une situation favorable à la croissance des calottes (inclinaison faible, été frais). Mais ce paramètre n’est pas le seul à influer sur l’établissement des époques glaciaires / interglaciaires : l’influence de la précession est au moins aussi importante.

la précession de l’axe de rotation de la Terre (voir la figure Théorie astronomique du climat/précession)

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Tout en gardant son inclinaison proche de 23° au cours des milliers d‘années, l’axe de rotation précesse autour de l’axe de l’écliptique (il décrit un cône) avec un cycle de l’ordre de 22 000 ans (en fait les principales périodes de précession sont proches de 19 000 et 23 000 ans). La conséquence de cette précession est que le solstice d’été dans un hémisphère donné (moment où l’hémisphère reçoit le maximum de chaleur), aura lieu alternativement tous les 11 000 ans soit au périhélie (c’est-à-dire près du Soleil), soit à l’aphélie (loin du soleil). Donc, dans cet hémisphère, les étés seront tous les 11 000 ans soit plus chauds soit plus frais, l’écart d’énergie reçue étant fixé par l’excentricité de l’ellipse (soit 4xe, voir 1er paragraphe).

Si la Terre décrivait un cercle autour du Soleil (e = 0), la distance Terre-Soleil étant alors constante, la précession n’aurait alors aucune influence sur les saisons. Ceci conduit tous les 11 000 ans, soit à une situation favorable à la fusion de calottes glaciaires aux hautes latitudes de l’H.N. (étés chauds) soit à une situation favorable à la croissance de ces calottes (été frais).
On caractérise l’évolution de cette situation par la distance Terre-Soleil au 21 juin (solstice d’été de l’hémisphère nord), représenté sur la figure Théorie astronomique du climat/précession. Ainsi, il y a 11 000 ans dans l’hémisphère nord, nous recevions en été 6% de plus d’énergie solaire qu’à l’heure actuelle. Inversement, en hiver il y a 11 000 ans, nous recevions 6% de moins d’énergie solaire qu’à l’heure actuelle.

La combinaison des deux paramètres (distance Terre-Soleil le 21 juin et inclinaison de l’axe de rotation de la Terre) vont conduire à des situations plus ou moins favorables à la dynamique des calottes dans les hautes latitudes de l’hémisphère nord. Cette dynamique est enregistrée dans l’évolution du niveau marin dont la baisse caractérise le volume des glaces stockées dans les calottes glaciaires. On constate que les enregistrements des niveaux marins dans les sédiments océaniques sur les deux derniers millions d’années présentent bien les 3 périodes clés (19 et 23 000, 41 000 et 100 000 ans) des trois paramètres astronomiques décrits ci-dessus (voir la figure Variation des paramètres orbitaux de la Terre).

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Ce fait a été la première confirmation éclatante de la validité de la théorie astronomique du climat. La combinaison de l’ensemble des fréquences conduit à l’émergence en moyenne environ tous les 100 000 ans d’un interglaciaire marqué suivant une glaciation importante. De la même manière, en moyenne, les périodes interglaciaires (dont les durées peuvent s’étendre de quelques milliers d’années à plusieurs dizaines de milliers d’années, selon la conjoncture astronomique) durent en moyenne une dizaine de milliers d’années.

extrait et source de http://www.cnrs.fr/

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