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| Les causes des glaciations |
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La théorie astronomique  Lorsque la théorie glaciaire a été pour les premières fois évoquée, une des raisons de la résistance des savants face à ce qui paraît aujourd’hui une évidence était la difficulté d’expliquer la raison des changements climatiques qu’elle impliquait : à tel point que nombre d'interprétations étaient basées sur l’altitude, les glaciations n’ayant, dans cette hypothèse, pris fin qu’en raison de l’érosion ou de l’abaissement des terres pour quelque autre raison. Par la suite, à peu près toutes les hypothèses ont été émises. Dès 1839, l’activité des tâches solaires était soupçonnée d’être à l’origine des changements climatiques. Trois ans plus tard, le mathématicien Jean Adhémar (1797-1852) est persuadé que les glaciations sont périodiques — idée tout à fait nouvelle — et incrimine la précession des équinoxes. En 1844, Félix de Boucheporn invoque les déplacements de l’axe de la terre. En 1847, Henri Lecocq émet l’hypothèse étrange que les glaciations sont dues à une température plus élevée que de nos jours ! Jacques Joseph Ebelmen (1814-1852) est le premier à relier au comportement de l’atmosphère, en 1845, la teneur en dioxine de carbone. En 1863, William Hopkins invoque la déviation du Gulf Stream. En 1875, James Croll prend en compte la précession, mais aussi l’obliquité de l’axe terrestre et l’excentricité de l’orbite. Il y eut aussi des hypothèses plus étranges. Dans La face de la terre (1909), le grand géographe Hans Suess lance l’hypothèse que les glaciations seraient dues à la chute de l’Atlantide, continent qui aurait relié les Antilles à l’Espagne. Citons encore, pour mémoire, la Glazialcosmogonie de l’Autrichien Hans Hörbiger (1860-1931), en 1913 : selon lui, les glaciations auraient pour cause la chute, sur la terre, de quatre lunes successives.
Faute de datations suffisamment précises, la théorie de Milanković sera longtemps suspecte ; sa validité sera démontrée, un quart de siècle plus tard, au fond des océans, mais également au cœur de l’Antarctique et du Groënland. Le graphique ci-dessous illustre les variations passées ou futures de l'excentricité de l'orbite de la Terre (ligne du haut), de l'insolation à la latitude 65° Nord (ligne du milieu) pour calculer, selon les principes de la théorie de Milankovitch, le volume de glace dans l'hémisphère nord (ligne du bas). Il y a 400 000 ans, tout comme aujourd'hui, l'orbite de la Terre autour du Soleil était quasi circulaire et l'excentricité quasi nulle, ce qui affaiblit considérablement les variations à long terme de l'insolation journalière. Nous sommes rentrés dans une période stable où l'insolation moyenne ne varie guère. La révolution isotopique  Les calottes polaires recèlent en effet, dans leurs milliers de mètres d’épaisseur, des données précieuses sur l’histoire du climat. La glace s’y est accumulée durant des millions d’années. Les bulles d’air qu’elles renferment, mais aussi l’eau « fossile » que représente la glace elle-même, y sont riches en indications inestimables. Certes, ces données ne sont pas les seules à nous renseigner. Les méthodes de la paléoclimatologie sont nombreuses et s’intéressent à tous les milieux : le fond de l’océan, les varves des lacs, les tourbières, les stalactites et autres spéléothèmes, les cernes des arbres (dendrochronologie), les lichens (lichenométrie), les pollens (palynologie), le carbone, etc., tout cela à des échelles temporelles variables. Il n’entre pas dans notre cadre de les détailler. Mais les carottages groenlandais et antarctiques représentent, quant à eux, une évolution majeure. Que le Groenland soit entièrement recouvert de glace a longtemps paru incroyable, même après que Fritjof Nansen l'ait traversé à ski (mettant, au passage, l’accent sur la valeur de ce moyen de transport jusqu’alors à peu près inconnu) en 1888. C’est en 1912 que le jeune météorologue Alfred Wegener (1880-1930) mène les premières études scientifiques de l’inlandsis. Après avoir inventé la théorie de la dérive des continents, il meurt en 1930, non sans avoir achevé la première mesure de l’épaisseur de glace en analysant l'écho provoqué sur le fond rocheux par des explosions de dynamite : 1800 mètres de glace ! Mais, pour découvrir toute la valeur de ces archives glacées, il a fallu d’abord s’intéresser aux sédiments des Bahamas.
En 1955, l'Italo-Américain Cesare Emiliani (1922-1995) est à l'origine d’une révolution. Suivant une intuition lancée par Harold Urey en 1947, il a l’idée de comparer le rapport des isotopes de l’oxygène présents dans les tests fossiles de foraminifères des fonds marins. L’eau comprend, en effet, différents isotopes de l’oxygène, 16O, 17O, 18O, dont le premier est beaucoup plus fréquent : la proportion entre les isotopes 16O et 18O est en rapport avec la température de l’eau de mer au moment où ces animaux étaient vivants. Emiliani met en relation les cycles repérés avec les périodes glaciaires. Ce « thermomètre isotopique » a depuis quelque peu bouleversé la recherche en paléoclimatologie. Il a donné naissance à une chronologie nouvelle, qui tend aujourd’hui à supplanter celle des glaciations comme celle issue de la stratigraphie : toutes deux ont en effet pour défaut d’être locales (au Würm correspond en Amérique le Wisconsin, en Grande-Bretagne le Devenson et en Scandinavie le Weichsel, et il en est de même pour les niveaux stratigraphiques), tandis que la chronologie isotopique est universelle : les données isotopiques marines ne varient pas trop avec leur localisation, démontrant une réponse globale de l’Océan. Emiliani divisa ses données en stades (connus plutôt sous leur nom anglais, marine isotopic stade ou MIS), les pairs correspondant aux périodes froides (et en partie aux glaciations), les impairs aux périodes chaudes. On compte aujourd’hui 62 stades isotopiques dans les deux derniers millions d'années, parfois divisés en sous-stages. L’Holocène (notre période actuelle) correspond au stade 1, le Würm et ses interglaciaires aux stades 2 à 5d, l’interglaciaire Riss-Würm (ou Éémien) au stade 5e. L'interglaciaire du stade 11, il y a 420 000 ans, intéresse beaucoup les savants pour une double raison : d’une part une durée exceptionnellement longue (28 000 ans), d’autre part la proximité de ses conditions astronomiques avec notre Holocène. Il a contribué à atténuer l’idée, courante jusque là, que notre interglaciaire (10 000 ans) serait condamné à se terminer bientôt. En 1976, Nick Shackleton (1937-2006) reprend la méthode d’Emiliani pour démontrer enfin que les variations climatiques correspondent bien aux cycles de Milanković, sans qu'on puisse expliquer pourquoi, depuis 400 000 ans, ce sont les cycles liés à l’excentricité qui paraissent commander les glaciations, alors qu’avant c’est plutôt l’inclinaison de l’axe. Des calottes polaires devaient sortir d’autres révélations. La découverte de Willi Dansgaard, né en 1922, doit un peu au hasard... et à la météo. Chargé à Copenhage de l’installation d’un spectromètre de masse, il a l’idée, un matin particulièrement pluvieux de juin 1952, de mesurer la composition isotopique de l’eau de pluie. Résultat : celle-ci était plus riche en 18O lors d’un front chaud ; la teneur variait avec la température. Il n’était pas difficile d’en conclure qu’il était possible, ainsi, de dévoiler un peu plus le climat du passé : « le delta 16O-18O dans de l’eau ancienne doit refléter le climat qui régnait à l’époque de la formation de cette eau, explique Dansgaard. Mais où trouver de l’eau ancienne ? Dans la glace de glacier. Et où trouver de la vieille glace de glacier ? Au Groenland ! » En 1966, Dansgaard prend part au premier carottage profond et ne cessera, par la suite, de retourner dans l’île glacée. En 1984, avec le Suisse Hans Hoeschger (né en 1927), les données recueillies lui font mettre en évidence, au cours de la dernière période glaciaire, des réchauffements climatiques extrêmement brusques, pouvant aller jusqu’à 16 degrés en quelques décennies, suivis d’un refroidissement graduel, se répétant selon un cycle de 1470 ans en moyenne, ce qui ne correspond à aucun cycle solaire ou astronomique connu. Cependant une étude récente (2005) y voit tout de même la conséquence d’un forçage solaire, correspondant à la combinaison de plusieurs cycles de durée plus courte et entrant en résonnance. Cette découverte de modifications violentes est une nouvelle révolution en climatologie, où l’on avait tendance à penser que les changements étaient graduels, malgré quelques indices du contraire découverts depuis 1956. Aujourd’hui, on connaît 25 événements de Dansgaard-Hoeschger, et les études ont montré un autre fait surprenant : le réchauffement dont ils témoignent au Groenland paraît couplé avec un refroidissement conjoint de l’Antarctique, sans doute par des modifications de la circulation océanique. Comme avec la découverte des débâcles du lac Missoula, c’est une renaissance du catastrophisme, cette fois en paléoclimatologie. Quatre ans plus tard, en 1988, Hartmut Heinrich (né en 1952) identifie dans les sédiments de l’Atlantique nord des niveaux, très étendus, comprenant des sables grossiers qui ne sauraient, par leur hétérométrie notamment, être que d’origine glaciaire, et dont la lithologie indique qu’ils proviennent de la baie de Baffin ; il les attribue aux débris transportés par des armadas d’icebergs provenant de la calotte laurentide ; la raison de ces fontes brusques de la calotte est inconnue. Mais d’autres phénomènes sont rapidement mis en rapport, induisant une modification de la circulation thermohaline de l’océan, provoquée par le refroidissement apporté dans l’océan par l’énorme masse de glace. Le paléoclimatologue repère ainsi six « événements de Heinrich », numérotés de H1 (le plus récent) à H6, au cours des glaciations quaternaires ; mais l’on soupçonne rapidement que la vidange du lac Agassiz pourrait être de nature similaire, ce pourquoi il est parfois considéré comme l’événement H0. Les indices trouvés dans les glaces du Groenland montrent que ces événements s’accompagnent d’un changement extrêmement brutal des températures. Paradoxalement, donc, la déglaciation (et par conséquent le réchauffement) peut amener à une péjoration climatique violente ! Claude Lorius (né en 1932), est à l’origine de la coopération internationale qui a permis les forages au dôme C et à la station russe de Vostok, tous deux en Antarctique, analysant notamment le méthane et le dioxide de carbone piégé dans les bulles d’air. Outre les températures du passé, ce n’est pas la seule donnée que recueillent les carottes : la taille des bulles d’air, relatives à la pression atmosphérique, donne l’altitude de la calotte, l’épaisseur des couches indique le montant des chutes de neige annuelles, la taille des grains de poussière renseigne sur la force des vents, les pollens emprisonnés sur leur origine. Le carottage de Vostok en Antarctique a atteint une profondeur de 3330 m. Il a permis de remonter dans le passé climatique jusqu’à 420 000 ans, soit dans une période antérieure aux glaciations du Riss. Plus récemment, la carotte qui vient d’être obtenue au Dome C, dans le cadre du programme EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica) couvre une période de l’ordre de 800 000 ans et offre la possibilité d’explorer la variabilité du climat et de la composition de l’atmosphère sur une période vierge du quaternaire récent. Grâce à toutes ces recherches, la paléoclimatologie a, en quelques dizaines d’années, totalement changé d’aspect. Le coupable : le soleil !
En 1993, Bond a mis en relief les cycles reliant oscillations de Dansgaard-Oeschger et événements d’Heinrich : chaque oscillation D-O est un peu plus froide que la précédente ; au bout de quatre ou cinq se produit un événement d’Heinrich, marqué par un refroidissement brutal et long, suivi d’un réchauffement aussi brusque que marqué. Bond démontra enfin que les événements qu’il avait découverts étaient conduits par une infime modification de l’activité solaire : 0,01 %. C’était une nouvelle preuve que des changements apparemment négligeables pouvaient conduire à des bouleversements climatiques immenses, mettant en jeu des paramètres aussi intriqués que variés (activité solaire, atmosphère, circulation océanique profonde, fonte de trains d’icebergs, comportement des inlandsis, etc.) et souvent encore mal connus. Les recherches sont toujours en cours et mobilisent les chercheurs du monde entier. Pour Édouard Bard, professeur au Collège de France, la clé en est la circulation thermohaline de l’Océan, véritable talon d’Achille du climat. Mais, souligne-t-il, « la modélisation du couple océan-atmosphère est encore dans l’enfance. Toutes les études menées jusqu’à présent n’ont pas réussi à répondre à la question cruciale : « est-ce que la prochaine bifurcation est proche ? » Telle est, en effet, la question. Le réchauffement actuel est préoccupant. Une péjoration climatique brusque serait catastrophique. Ce que nous enseigne cette histoire tient en quelques points : le climat terrestre est chaotique et susceptible d’évolutions rapides ; l’évolution climatique est aussi complexe qu’encore mal comprise ; elle met en jeu des phénomènes à priori sans grand rapport ; de nombreux effets de feed-back peuvent y survenir, accélérant les processus, mais pouvant aussi les inverser. Le réchauffement global peut très bien apporter un refroidissement paradoxal de l’Europe occidentale, rendant inhabitables la Scandinavie comme l’Écosse. New-York est à la latitude de Madrid, la Norvège à celles du Groenland... L’impact des gaz à effet de serre Alors, réchauffement ou refroidissement ? Peu de points sont aussi incertains. Mais cette incertitude n’est certainement pas une raison pour ne pas tenter de réduire au maximum l’impact des activités humaines. Il est à peu près certain que celles-ci influent sur le climat de bien d’autres manières que par l’émission des gaz à effet de serre : ainsi les surfaces bitumées ou construites modifient-elles l’albédo du sol. Néanmoins, ces gaz sont à peu près les seuls incriminés. L'atmosphère est avant tout composée d'oxygène et d'azote. Ces deux gaz laissent passer les rayonnements, visibles et infrarouges. D'autres gaz, transparents, absorbent une partie des infrarouges et les soustraient ainsi au rayonnement terrestre repartant dans l'espace. Ce sont ces gaz qui sont responsables de l'effet de serre. Certains d'entre eux sont naturellement présents dans l'air, comme la vapeur d'eau, le gaz carbonique (dioxyde de carbone, CO2), le méthane (CH4) ou le protoxyde d'azote (N2O). Le taux de gaz carbonique a naturellement tendance à augmenter durant les périodes chaudes. Mais les activités humaines produisent de plus en plus ces trois gaz, et leur concentration dans l'atmosphère augmente. D'autres gaz sont uniquement issus de nos activités industrielles (hydrofluorocarbones ou gaz fluorés, hexafluorure de soufre, hydrocarbures perfluorés). Leur participation à l'effet de serre est récente. La durée de vie dans l'atmosphère des gaz à effet de serre varie énormément : douze ans pour le méthane, une centaine d'années pour le gaz carbonique et... 50 000 ans pour l'hexafluorure de soufre ! Ceci veut dire que le gaz carbonique produit aujourd'hui fera encore effet dans un siècle. Mais, par ailleurs, le pouvoir de réchauffement de ces gaz n'est pas identique. Un kilogramme de méthane produit autant d'effet de serre que 21 kg de gaz carbonique, et un kilogramme d'hexafluorure de soufre autant que 24 tonnes de gaz carbonique : des gaz émis en très petite quantité peuvent fortement contribuer à l'accentuation de l'effet de serre. L'analyse des gaz dans la glace est un exercice qui prend du temps, et c'est plus d’un an après la publication de la courbe isotopique qu’ont été publiés les résultats relatifs aux mesures des gaz à effet de serre, permettant, en combinaison avec l’enregistrement de Vostok, de couvrir les derniers 650 000 ans. Les enseignements majeurs sont de plusieurs ordres. Les concentrations atmosphériques actuelles en CO2 et CH4, qui continuent à croître en raison des émissions anthropogéniques, dépassent déjà respectivement de 27 % et de 230 % les niveaux les plus élevés observés au cours de la période étudiée. D’autre part, les périodes interglaciaires antérieures à 430 000 ans, qui sont moins chaudes que les suivantes, présentent des concentrations en CO2 et CH4 plus faibles que celles des quatre interglaciaires les plus récents. Cette information est climatiquement importante, car elle indique que la proportionnalité entre gaz à effet de serre et température antarctique est sensiblement conservée pour des modes climatiques différents. Les concentrations actuelles ne sauraient donc passer pour naturelles ; l’homme en est bien la cause. Les prédictions du climat futur nécessitent de très longs calculs informatiques pour des modèles d’évolution très complexes, prenant en compte l’atmosphère et les courants océaniques. Autour de paramètres principaux, comme l’évolution du CO2, ils envisagent un très grand nombre d’interactions et d’effets indirects comme la « rétroaction » de la vapeur d'eau, autre puissant gaz à effet de serre, car l’air chaud en contient plus. Comment tester ces évolutions dans le futur ? En simulant des effets comme ceux induits par l’éruption du volcan Pinatubo en 1991, dont les émissions dans la stratosphère, vers 20 kilomètres d’altitude, réfléchissant le rayonnement solaire, ont provoqué un léger refroidissement. Ce qui renforce la validité des modèles climatiques, c'est qu'ils donnent tous quasiment le même résultat alors qu'ils sont construits par des laboratoires et sur des modèles différents. Conclusion : il y a, sans guère de doute, corrélation entre la concentration de carbone dans la haute atmosphère et le réchauffement de la température moyenne de la planète. Si l’essentiel de l’impact humain commence avec la révolution industrielle et s’il ne cesse, depuis, de s’accélérer, certains pensent cependant que la responsabilité de l’homme a pu commencer beaucoup plus tôt : selon William Ruddiman, l’agriculture et l’élevage aurait fait croître la concentration en méthane il y a 5000 ans, et la déforestation le taux en carbone voici 8000 ans, mais tout cela est difficilement chiffrable. Mais le chercheur estime, également, que cet effet de serre anthropogénique déjà ancien serait plutôt bénéfique, en empêchant le climat de s’engager dans une nouvelle glaciation… En effet, l’Holocène, la période interglaciaire que nous vivons, dure déjà depuis 10 000 ans : or c’est la durée des trois précédentes.
A quand la prochaine glaciation ?
Une modélisation du climat et des variations du volume de glace au cours des 130 000 prochaines années a été réalisée par André Berger et Marie France Loutre de l'université de Louvain ; trois scénarii d'évolution du CO2 ont été envisagés. Pour les prévisions du volume de glace au cours des 130 000 prochaines années, trois scénarii d'évolution du CO2 ont été envisagés. Sur la partie basse du graphique, la ligne bleue considère une évolution identique à celle des derniers cycles glaciaires/interglaciaires, la ligne rouge tient compte des émissions humaines de CO2 dans l'atmosphère et la noire illustre une faible concentration constante du CO2 de 0,21 litre par m3. Seul ce dernier scénario conduirait à une prochaine entrée en glaciation. Les deux autres mèneraient à un refroidissement dans 50 000 ans et il faudrait attendre 100 000 ans pour atteindre un prochain maximum glaciaire. Ainsi, l'interglaciaire actuel pourrait être exceptionnellement long et pas seulement en raison de l'augmentation des gaz à effet de serre ! La Recherche, n°368, octobre 2001
Regardons encore plus loin dans le temps. L’environnement de surface de la Terre est contrôlé par la répartition des plaques continentales, laquelle gère la géométrie de la masse des océans ; leur collision modifie la circulation océanique et crée des reliefs qui changent celle de l’atmosphère. Si l’on examine les choses à très long terme, c’est plutôt d’un nouvel englacement total qu’est menacé le globe. Pour le comprendre il faut se replonger dans la très longue histoire de l’englacement de la terre.
L'englaciation du Tertiaire débute autour du pôle Sud, après un épisode important d'activité tectonique (orogenèse alpine). La tectonique de plaque a permis la migration de continents en position polaire à partir du Jurassique, favorisant alors la dégradation climatique progressive enregistrée depuis 50 millions d’années. Cette tectonique et la modification de la circulation océanique qui en résulte permettent d'expliquer une part importante des phénomènes et le refroidissement du début du Tertiaire. L'installation de la glaciation antarctique, débutant à la fin de l'Éocène, vers 40 millions d’années, s'effectue surtout à la fin de l'Oligocène, suite à l'isolement océanique croissant de l'Antarctique. La glaciation de l'hémisphère Nord est plus tardive : elle débute sporadiquement durant le Miocène, puis au Messinien, lors de la fermeture de la Méditerranée, et s'accentue brusquement après 3.3 Ma et surtout 2,4 Ma. Un épisode tectonique, contemporain du Messinien, est généralisé entre 6,2 et 5,2 Ma tant dans l’hémisphère Nord que dans l’hémisphère Sud ; il augmente considérablement les reliefs. Une baisse progressive du niveau marin moyen (- 200 m) accompagne, depuis la fin du Crétacé, cette englaciation par étapes, régression eustatique dont nous n'avons pas peut-être encore vu passer le minimum, comme le laisse présager la poursuite de la surrection alpine et surtout de la migration des plaques. Cette migration vers le nord de l'Eurasie et la fermeture partielle du bassin arctique pourraient nous amener d'ici quelques dizaines de millions d'années à la mise en place de glaciations très étendues, voire d’une glaciation généralisée, comme les épisodes glaciaires varangiens, à la fin du Précambrien (750 Ma à 600 Ma). Le forçage tectonique préalable au démarrage d’une ère glaciaire est un phénomène prioritaire sur l’effet de serre ou les autres forçages externes. |
| Mis à jour ( Vendredi, 14 Novembre 2008 10:22 ) |
