Les mécanismes à l’origine de deux périodes glaciaires
Au cours de son histoire, notre planète a connu plusieurs périodes glaciaires, comme l’importante glaciation du Carbonifère-Permien (de −360 à −260 millions d’années) ou encore la dernière période glaciaire du Quaternaire s’étendant entre -120 000 et 11 000 ans.
Comment expliquer les phases de refroidissement global ayant entraîné les glaciations du Permo-Carbonifère et de la dernière période glaciaire du Quaternaire ?
I Le refroidissement du Permo-Carbonifère.
Le Permo-Carbonifère est la période couvrant la fin du Paléozoïque: périodes Carbonifère (-358 Ma à -298 Ma) et Permien (-298 Ma à -251 Ma).
Du Dévonien au Carbonifère la chaîne de montagnes varisque (ou chaîne hercynienne) s’est mise en place suite à la collision du Gondwana (Afrique, Amérique du Sud, Antarctique, Australie et Inde) avec le Laurentia (Amérique du Nord et Eurasie) pour former un super continent unique: la Pangée, principalement située dans la zone intertropicale et s’étendant vers le pôle Sud.
L’altération de la chaîne Hercynienne piège du CO2
Il y a 320 Ma, suite à la collision entre le Gondwana et le Laurentia, une immense chaîne de montagnes se met en place. Cette chaîne, dite hercynienne, sera totalement érodée 50 Ma plus tard. Le Massif Central, la Bretagne et les Vosges en sont les vestiges actuels. Les rivières transportent des particules solides et des ions résultant de l’altération des roches par l’eau. Pour quasiment toutes les rivières du monde, même celles qui drainent des régions granitiques ou basaltiques, l’anion hydrogénocarbonate HCO3 est le plus abondant. Cet ion provient du CO2 atmosphérique. Dissous dans l’eau de pluie, il forme l’acide carbonique H2CO3 en réalité dissocié en HCO3 et protons. Ces protons attaquent les réseaux cristallins des minéraux silicatés (Feldspaths, pyroxènes…). Pour un pyroxène calcique, cette réaction s’écrit :
La précipitation des carbonates libère du CO2 et la dissolution des carbonates consomme du CO2. Ces 2 réactions se compensent (il y a autant de CO2 consommé que de CO2 rejeté): le bilan est nul tant qu’il n’y a pas d’apport ni de départ d’ion calcium.
Au cours du Carbonifère, lors de l’érosion de la chaine Hercynienne, l’altération des silicates consomme du CO2 et libère du calcium. Cet excès de calcium décale l’équilibre précédent dans le sens de la précipitation.
Ainsi, pour 2 CO2 consommés lors de l’altération des silicates, un seul est libéré lors de la précipitation des carbonates; l’autre CO2 est piégé dans le CaCO3.
La formation du charbon piège du CO2
La position intertropicale d’une grande partie des terres émergées permet le développement d’une forêt dense de type intertropicale / équatoriale , avec une très forte productivité primaire (production de matière organique).
La photosynthèse (flux de carbone atmosphère → biosphère) et la respiration (flux de carbone biosphère → atmosphère) sont normalement équilibrées. Les rejets de CO2 liés à la respiration de la plante ou des organismes qui décomposent la matière organique de la plante compensent normalement la consommation de CO2 liée à la photosynthèse.
Cependant, au Carbonifère, la croissance importante (forte productivité primaire) de la forêt couvrant la zone inter-tropicale consomme du CO2 prélevé dans l’atmosphère. Une partie de la matière organique produite se retrouve enfouie et se retrouve en condition d’anoxie, échappant alors à la décomposition. Avec le temps, et l’augmentation de la pression et de la température liée à l’enfouissement, cette matière organique partiellement décomposée se transforme en charbon. Le carbone atmosphérique se retrouve donc piégé durablement dans le charbon (flux de carbone atmosphère → biosphère → lithosphère) induisant ainsi une diminution de la concentration en CO2 atmosphérique.
L’altération de la chaîne Hercynienne a certainement contribué à l’enfouissement de la matière organique du fait de la grande quantité de sédiments libérés.
Le fait que les végétaux aient acquis la lignine (mécanisme créateur de diversité = innovation évolutive devenue adaptation évolutive car conférant un avantage) et que les décomposeurs ne possèdent pas encore d’enzyme capable de la dégrader, a aussi contribué grandement à ce piégeage du CO2 atmosphérique dans le charbon.
La formation massive de charbon et l’érosion rapide de la chaine Hercynienne au Carbonifère piège le CO2 atmosphérique ce qui induit une baisse de l’effet de serre et une baisse des températures avec développement d’une calotte glaciaire dans l’hémisphère Sud.
II Le refroidissement de la dernière période glaciaire du Quaternaire.
Le quaternaire (-2,5 Ma à l’actuel) est la dernière période du Cénozoïque (Ère tertiaire)
Le δ18O des glaces polaires témoigne d’une alternance de périodes glaciaires (au cours desquelles la surface des calottes polaires augmente) et interglaciaires (au cours desquelles la surface des calottes polaires diminue) durant Quaternaire, avec une périodicité d’environ 100 000 ans entre deux périodes glaciaires.
La teneur en CO2 atmosphérique et l’albédo amplifient les variations climatiques selon un mécanisme de rétroaction positive; ce qui devrait s’opposer à l’alternance de périodes glaciaires et interglaciaires observée au cours des 700 000 dernières années; il existerait donc un mécanisme initiateur des variations climatiques.
Au début du XX° siècle, un mathématicien Serbe: Milutin Milankovitch étudie les causes des variations climatiques au cours du Pléistocène. Il émet l’hypothèse d’une influence astronomique, et il teste son hypothèse en étudiant les variations de certains paramètres orbitaux: l’excentricité, l’obliquité, et la précession des équinoxes.
L’excentricité caractérise la forme de l’orbite décrite par la Terre en un an autour du Soleil. L’excentricité de l’orbite terrestre est actuellement très faible, de l’ordre de 0.017 et les perturbations planétaires entrainent des variations lentes de celle-ci entre ~0 (excentricité nulle=cercle) et 0.06 (ellipse légèrement aplatie).
L’obliquité (inclinaison) est l’angle que fait l’axe de rotation de la Terre par rapport à la perpendiculaire au plan de rotation autour du Soleil (plan de l’écliptique). Actuellement de 23°27’ (soit 23,45°) et en diminution, elle varie entre 21,9° et 24,5°.
La précession des équinoxes est le déplacement de la position des équinoxes et des solstices le long de l’orbite de la Terre: ils se produisent en moyenne chaque année 25 minutes plus tôt (d’où le terme de «précession»). Elle résulte de deux mouvements de rotation: celui de l’axe de rotation de la Terre autour d’un axe perpendiculaire au plan de l’écliptique (comme une toupie) et celui de l’orbite de la Terre tournant autour du Soleil (comme le «houla hop»). Actuellement, la Terre est au périhélie (point de l’orbite de la Terre où elle est le plus près du soleil) en hiver de l’hémisphère nord et à l’aphélie (point de l’orbite de la Terre où elle est le plus loin du soleil) en été de l’hémisphère nord.
Deux arguments principaux permettent de valider la théorie astronomique des climats:
Les variations de l’insolation calculées en tenant compte de l’excentricité, de l’obliquité et de la précession des équinoxes au cours des 700 000 dernières années sont corrélées à celles du δ18O des carbonates: plus l’insolation est élevée, plus le δ18O est faible. Or plus le δ18O dans les carbonates est faible, plus la t° globale de la Terre était élevée. Les variations de l’insolation calculées à partir des paramètres orbitaux sont en cause dans les variations climatiques de la Terre au cours des 700 000 dernières années.
L’excentricité de la Terre varie selon des cycles de 100 000 ans, l’obliquité varie selon des cycles de 41 000 ans et la précession varie selon des cycles de 23 000 et 19 000 ans. Or les variations climatiques de la Terre ont une périodicité de 100 000, 41 000 et 23 000 et 19 000 ans.
Les variations de l’excentricité de la Terre sont responsables des variations climatiques de périodicité 100 000 ans (cycles climatiques), les variations de l’obliquité de la Terre sont responsables des variations climatiques de périodicité 41 000 ans et la précession des équinoxes est responsable des variations climatiques de périodicités 23 000 et 19 000 ans
La corrélation entre les variations des paramètres orbitaux et les variations climatiques ainsi que la similitude des périodicités plaident en faveur de la théorie astronomique des climats.
Cependant, l’impact sur l’insolation reste très modeste: les variations sont de l’ordre de 0,1% ce qui entraîne une variation de la température moyenne du globe de quelques dixièmes de degrés, or l’amplitude des variations thermiques mesurées entre les périodes glaciaires et interglaciaires est de l’ordre de 5°C à 10°C.
Les variations des paramètres orbitaux agissent comme un mécanisme initiateur des variations climatiques qui sont ensuite amplifiées par la teneur en CO2 et l’albédo.
Le passage de la dernière période interglaciaire à la période glaciaire actuelle est donc la conséquence de la variation des 3 paramètres orbitaux de Milankovitch.
De plus, les calottes polaires s’installent sur des continents or au quaternaire les continents sont majoritairement dans l’hémisphère nord. L’installation d’une calotte polaire dans l’hémisphère Nord est favorisée par un faible contraste saisonnier (hiver doux pour avoir de la neige, été pas trop chaud pour pas qu’elle fonde) dans l’hémisphère Nord. Pour cela la situation astronomique au début de la période glaciaire actuelle était idéale:
Une excentricité forte: L’orbite de la terre autour du soleil forme une ellipse légèrement aplatie, alors la distance terre–soleil varie au cours de l’année (le soleil est situé à un des foyer de l’ellipse ce qui induit moins de contrastes saisonniers dans l’hémisphère nord (terre plus proche du soleil en hiver et plus éloignée en été)
Une obliquité faible: L’angle d’incidence des rayons solaires augmente au solstice d’hiver (hiver + chaud) et diminue au solstice d’été (été + froid) dans l’hémisphère nord, ce qui induit moins de contrastes saisonniers dans l’hémisphère nord.
Une précession similaire à l’actuelle: Dans l’hémisphère nord, l’hiver coïncide avec le périhélie (terre au plus proche du soleil) ; l’été coïncide avec l’aphélie (terre au plus loin du soleil), ce qui induit moins de contrastes saisonniers dans l’hémisphère nord
Conclusion
Au permo carbonifère, le refroidissement à l’origine de la glaciation est la conséquence du piégeage du CO2dans le charbon, et de l’altération de la chaîne Hercynienne.
Au Quaternaire, le refroidissement à l’origine de la période glaciaire actuelle est la conséquence de la situation des paramètres astronomiques de Milankovitch, et de l’amplification du refroidissement du fait des rétroactions du CO2 et de l’albédo.