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Le climat, que connait-on ? Apport des sédiments marins. Elisabeth Michel

jeudi 12 nov. 2009, Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement

lundi 7 décembre 2009, par Séverine

Jeudi 12 novembre 2009, le premier jeudi de la recherche de la saison 2009-2010 s’est déroulé le soir sur le campus du CNRS de Gif sur Yvette au Laboratoire des Sciences du Climat et l’Environnement (LSCE) et…dans les caves du Château du CNRS. Elisabeth Michel, chercheuse en paléo-océanologie, nous a accueillis pour nous montrer comment ses collègues et elle étudient les changements du climat dans le passé, ce qui les aide à envisager les variations climatiques dans le futur !

Au sein du Laboratoire des Sciences du Climat et l’Environnement, près de 250 personnes travaillent en collaboration dans le but de comprendre les variations du climat au cours du temps et de prévoir son évolution future. Toutes les compétences (physiciens, chimistes, géologues, biologistes, informaticiens,…) sont réunies pour traquer les informations sur les climats du passé - les paléo climats - à partir de sédiments et coraux marins, de glaces polaires, d’éléments continentaux. Un des buts : déterminer les différents mécanismes à prendre en compte dans une modélisation numérique permettant de reproduire les changements climatiques passés et présents et utiliser ces modèles numériques pour simuler le climat futur.

Qu’est-ce que le climat ?

Le mot « climat » vient du mot grec klima, qui désigne l’inclinaison. En effet, c’est parce que l’axe de rotation de la Terre est incliné qu’il existe des saisons. Et cette inclinaison varie avec le mouvement de rotation de la Terre autour de son axe. Petite démonstration avec la toupie qu’Elisabeth Michel a apportée avec elle ! L’incidence avec laquelle les rayons du Soleil atteignent la surface du globe terrestre change en fonction de l’inclinaison de la Terre. Lorsque les rayons solaires arrivent perpendiculairement à la surface terrestre, l’échauffement est maximal et cette partie de la planète sera en période estivale. À l’inverse, lorsque les rayons arrivent obliquement à la surface de la Terre, c’est l’hiver.

Avec ses 6000°C en surface, le Soleil est une boule de feu qui fournit de l’énergie à la Terre et a donc un rôle fondamental dans son climat. Cependant, si la planète ne possédait pas d’atmosphère, la température moyenne de la Terre serait que -18°C ! Heureusement pour un grand nombre d’êtres vivants, la température terrestre est en moyenne +15°C grâce à l’effet de serre provoqué par la présence de l’atmosphère. Eh oui, l’effet de serre est indispensable pour garder la chaleur à la surface de la Terre, ce qui a permis à divers organismes, dont les Hommes, de se développer. Mais qu’est-ce que c’est l’effet de serre ?

Principe de l’effet de serre
La lumière visible du Soleil est réémise sous forme d’infrarouge par la Terre. L’atmosphère en réabsorbe une partie © Ademe-Guyane

De façon simplifiée, le rayonnement solaire est composé principalement de lumière visible. L’atmosphère est transparente pour cette chaleur « visible » qui atteint donc la surface de la Terre. Une bonne partie de ce rayonnement incident est absorbée (30% seulement réfléchis vers l’espace). La Terre, corps beaucoup plus froid, rayonne, elle, dans l’infrarouge. Les gaz à effet de serre de l’atmosphère absorbent une partie de cette chaleur rayonnée, et la re-émettent dans toutes les directions : une moitié vers l’espace, une moitié vers la Terre, contribuant ainsi au réchauffement de sa surface. Quand la teneur en gaz à effet de serre augmente, une plus grande partie du rayonnement IR de la Terre est donc piégée, et la température de la planète augmente. J. Fourier (1786-1830) l’expliquait ainsi à ses contemporains : « La température de la Terre est augmentée par l’interposition de l’atmosphère car la chaleur trouve moins d’obstacle pour pénétrer l’air, étant à l’état de lumière, qu’elle n’en trouve pour repasser dans l’air lorsqu’elle est convertie en chaleur obscure ».

A cause de l’inclinaison de la Terre, la chaleur reçue du Soleil est différente en fonction de la période de l’année et de la région de la planète où l’on se trouve. De plus, l’absorption de cette chaleur n’est pas identique au sein d’une même bande de latitude : la nature de la surface de la Terre (désert, neige, océan,…) ainsi que son relief influent sur l’absorption de chaleur. Elisabeth Michel nous donne un exemple. Quand on met un t-shirt blanc ou noir, on a respectivement moins et plus chaud, car le blanc réfléchit la lumière alors que le noir l’absorbe. C’est pareil pour la surface du globe ! Par ailleurs, une fois la chaleur solaire absorbée, elle est distribuée à travers la surface de la planète par les océans et l’atmosphère. Les circulations océaniques et les vents vont eux aussi faire varier la chaleur apportée à des régions se trouvant à une même latitude. Par exemple, il fait beaucoup plus froid en hiver en Amérique du Nord qu’en Europe (et pourtant Montréal et Bordeaux se trouvent à la même latitude) à cause de la circulation océanique, et plus précisément du courant de surface : en Europe, le Gulf Stream réchauffe l’atmosphère près de nos côtes. Ensuite, lorsque cette eau de surface monte vers le nord, elle se refroidit et comme elle est salée, elle devient plus dense et plonge. Elle forme ainsi le courant de profondeur.

Elisabeth Michel nous fait vite comprendre que de nombreux et divers paramètres interviennent dans l’évolution et dans la mise en place du climat à un moment donné et qu’il faut en prendre le maximum en compte si on veut comprendre ce qui s’est passé.

Comment étudier les climats passés ?

Afin de déterminer la nature du climat à une époque donnée, il faut savoir comment arrivait la chaleur du Soleil à la surface de la Terre, quelle était la composition de l’atmosphère en gaz à effets de serre, comment était le transport de chaleur par les océans et l’atmosphère et comment cette chaleur était absorbée. Dans ce but, les scientifiques ont différents terrains de recherche : les océans, les glaciers, les continents et, pour la période récente, les archives d’historiens !

En effet, le travail avec les historiens est intense car la connaissance de l’évolution du comportement des habitants d’un village ou d’une ville peut aider dans la détermination de différents paramètres d’une époque précise. Par exemple, la maturation du raisin dépend de façon très étroite du climat (température) et si on connaît les dates de vendanges locales, on peut en déduire les conditions climatiques !

Par ailleurs, la détermination de l’âge et de la composition d’éléments continentaux comme les arbres, les roches, le pollen constitue un outil précieux pour la climatologie. En étudiant un arbre par exemple, on peut connaître son âge en comptant ses cernes, ses conditions climatiques idéales de croissance, la composition en carbone de sa cellulose,… L’identification de grains de pollen permet de déterminer s’il s’agit d’une époque propice à la croissance de plantes « chaudes » ou « froides ». Par contre, l’étude des pollens présente une limite…, l’agriculture existant depuis près de 5000ans, c’est l’Homme qui choisit les plantations et non pas les conditions climatiques !

Lame mince de glace (en noir des bulles d’air)
© Volodia Lipenkov

Les glaciers constituent un autre objet d’étude très important. Année après année, la neige se dépose en couches enfermant des bulles d’air, des poussières,… qui conservent une trace des conditions climatiques de leur époque. Une analyse, cm par cm, d’un échantillon cylindrique prélevé depuis la surface permet de déterminer la composition de l’atmosphère, la température au-dessus de la calotte aux époques où se sont déposées les couches de neige. Les scientifiques partent en missions internationales de terrain en Antarctique, au Groenland, où ils participent à la logistique des forages, des découpes des échantillons avant de les ramener en France pour finir de les découper et les analyser. Actuellement, grâce à cette stratégie, la plus ancienne datation d’un échantillon provenant d’un glacier est presque de 120 000 ans pour le Groenland et 1 millions d’années pour l’Antarctique !

Carottes de sédiments marins
© Graham Tullah, BGS

Dans le cas de l’étude des océans, les sédiments marins provenant de profondeurs variables sont analysés. Elisabeth Michel propose au public un petit détour par les anciennes caves du château du CNRS où, à la place des bonnes bouteilles, on trouve aujourd’hui des carottes ! Pas les ombellifères orange de nos marchés… mais des cylindres de sédiments marins issus de « carottages », conservés par centaines dans ces caves dont l’humidité les préserve du dessèchement. Elles proviennent d’à peu près tous les bassins océaniques du monde et sont des archives des climats du passé, que viennent étudier les chercheurs du LSCE mais aussi d’autres laboratoires du monde entier. Elles portent les initiales du bateau qui les a prélevées : MD comme Marion-Dufresnes, par exemple qui peut rapporter des carottes de 65 m d’un seul tenant.

navire Marion Dufresnes
© Wikimediacommons

Sur le plancher océanique, croûte terrestre en basalte, les sédiments se déposent inlassablement cm par cm, millénaire après millénaire. Ils renferment de précieuses informations sur l’époque à laquelle ils se sont déposés et permettent de déterminer le niveau des mers, miroir de la taille des calottes de glace qui stockait l’eau sur les continents. Ainsi une carotte est une succession de zones claires, du calcaire fabriqué par des organismes vivants, signe de températures clémentes ou de zones plus foncées, de l’argile seul par exemple quand il faisait trop froid pour que la vie foisonne. On y trouve aussi des cailloux, rapportés par les icebergs. La carotte qu’Elisabeth Michel montre au public a beaucoup servi… de carotte-témoin ! Les lycéens des environs sont venus en étudier des petits morceaux et les prélèvements qu’ils ont faits ont été rebouchés par du polystyrène pour éviter que les sédiments ne se mélangent avec les couches inférieures car c’est bien cela le secret de la carotte : chaque tranche représente une époque. Quand la vitesse de sédimentation est lente (1 ou 2 cm par millier d’années), on remonte aux conditions climatiques d’époques vieilles de quelques millions d’années. Au contraire, quand les sédiments s’accumulent plus vite (plus de 30cm par millier d’années par exemple), on voyage moins loin dans le temps mais on obtient plus de détails, bien utiles notamment pour étudier les variations rapides du climat. Pour remonter à des époques encore plus reculées, le simple carottage - qui consiste à enfoncer un cylindre creux dans le sédiment en chassant l’eau avec un piston se maintenant à l’interface eau-sédiment, tel une seringue dont on maintiendrait le piston en place et enfoncerait le corps - ne suffit plus. Il faut de réelles machines de forage, comme celle des pétroliers qui peuvent descendre jusqu’à 2 km. On peut retrouver ainsi des archives vieilles de 200 millions d’années sur les plus vieux planchers océaniques (Nord-ouest Pacifique). Cette frontière dans le temps est lié à l’âge même du plancher océanique : à cause du mouvement des plaques sur le manteau terrestre, elles finissent toujours par plonger sous une autre, perdant à jamais les sédiments accumulés.

Les scientifiques, comme les chercheurs d’or, tamisent les sédiments marins et se partagent le précieux butin selon leur spécialité. On y trouve par exemple des squelettes ou microfossiles de différentes espèces et de formes variées comme les foraminifères. Le scientifique choisit alors une espèce dont il va étudier l’habitat naturel, faire des analyses de composition chimique (en regardant les isotopes du carbone qui permettent d’appréhender la circulation océanique de l’époque, ou ceux de l’oxygène qui donnent une indication du niveau marin par exemple) à partir de nombreuses toutes petites coquilles (de l’ordre du 10ème de millimètre !).

Comment expliquer les changements climatiques ?

Pingouins de la grotte Cosquer
© Ministère de la Culture

En travaillant avec les historiens, les scientifiques se sont rendu compte que les dessins faits par les hommes des cavernes sont des archives précieuses pour comprendre l’évolution du climat. Par exemple, dans la Grotte Cosquer qui se trouve au bord de la Méditerranée, des archéologues ont repéré des dessins de pingouins. Or, cette grotte se trouve de nos jours 37 mètres en dessous du niveau de la mer ! Nos ancêtres d’il y a 20 000 ans plongeaient-ils pour aller faire ces dessins ? Probablement pas ! Grâce aux études de carottes de glace et de sédiments marins, les scientifiques peuvent affirmer qu’à ce moment là, il y avait une calotte de glace, telle celle du Groenland sur l’Amérique du Nord et sur le Nord de l’Europe. Plus de glace, moins d’eau, le niveau de la mer était 120 mètres plus bas que ce qu’il est à nos jours. L’accès à la grotte était donc libre et le climat favorable aux pingouins !

A partir de nombreuses études des climats passés, les scientifiques ont mis en évidence des alternances entre des périodes glaciaires (comme à l’époque des dessins de la Grotte Cosquer) et interglaciaires (comme aujourd’hui) au cours du temps où la température moyenne de la Terre est passée de +15°C lors d’une période interglaciaire à + 9 à 10°C lors d’une glaciation.

Mais pourquoi le climat connait-il de telles évolutions ? Un scientifique serbe, Milutin Milankovitch, a calculé en 1924 les variations de la quantité de chaleur reçue par la Terre aux différentes latitudes, liées aux variations périodiques du mouvement de la Terre autour du Soleil : la précession de l’axe de rotation de la Terre (périodicité : 19 000 à 23 000 ans), son inclinaison (périodicité : 41 000 ans) et l’excentricité de l’orbite terrestre autour du Soleil (périodicités : 100 000, 130 000, 410 000 ans…..).

Cycles de Milankovitch
© Wikimediacommons

Dans les années 1970, les scientifiques ont constaté grâce aux carottages océaniques que les alternances glaciaires-interglaciaires sont bien en accord avec cette théorie. Il a donc fallu quelques décennies pour confirmer la théorie astronomique des paléoclimats de Milankovitch !

Comment prédire les changements climatiques dans le futur ?

Maintenant que les spécialistes comprennent de mieux en mieux les mécanismes impliqués dans l’évolution du climat dans le passé, peuvent-ils prévoir les changements dans 10, 20, 100 ans ? Elisabeth Michel nous explique que toutes les données recueillies vont servir à alimenter des modèles informatiques de climat. Il s’agit de codes informatiques dans lesquels on rentre sous forme d’équations mathématiques un certain nombre de lois physiques qui régissent par exemple la circulation de l’atmosphère, de l’océan ainsi que leur évolution au cours du temps. Ces codes permettent de calculer les caractéristiques du climat à une période donnée passée, actuelle ou future. Une des limites des modélisations en climatologie est la puissance des ordinateurs : avec autant de paramètres (atmosphère, surface continentale, océan, aérosols, chimie atmosphérique, végétation dynamique,…) les calculs sont longs et compliqués et nécessitent des machines extrêmement performantes !

Différents forçages climatiques
© Elisabeth Michel

À partir des climats passés, on peut valider le modèle en comparant avec les études d’échantillons. Par contre, il est très difficile de réaliser des prévisions à long terme car on ne peut pas affirmer avec certitude comment évolueront les différents paramètres, notamment la teneur en gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Le meilleur modèle doit donc compter les forçages naturels mais aussi les forçages d’origine humaine. Or, même s’il est déjà connu qu’une partie du CO2 émis dans l’atmosphère par les activités humaines reste dans l’atmosphère, on ne sait pas précisément comment l’autre partie est prise en charge. Les « puits de carbone » sont les océans et les végétaux, mais quelle est la part de CO2 absorbée par l’un ou l’autre ? Et comment cela va-t-il évoluer si le taux d’émission de ce gaz continue à augmenter ?

Par ailleurs, on ne sait pas non plus combien d’habitants peupleront la Terre dans quelques années, quelles seront les activités humaines, la consommation, les gaspillages,… Les scientifiques s’allient à des économistes cette fois-ci pour envisager différents scénarios. Et, ce n’est pas une nouveauté, dans le cas du scénario où la population continue à augmenter et nos productions et consommations restent aussi intenses, un réchauffement climatique important peut avoir lieu. L’entrée en période glaciaire, qui aurait pu avoir lieu dans 50 000 ans, semble déjà compromise, tellement l’Homme a modifié l’équilibre climatique. Elisabeth Michel souhaite néanmoins terminer ce « jeudi de la recherche » par une note plus optimiste : si chacun change un peu ses habitudes, évite le gaspillage, on a encore une marge de manœuvre assez importante pour faire changer les choses !

Pour voir les scientifiques dans leurs laboratoires