LA PLANÈTE
Les variations climatiques passées
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svtT_2000_00_19C
Exercice 2
Les cycles de Milankovitch
Intérêt du sujet • Ce sujet est une étude de documents basée sur l'article historique qui a permis de valider les propositions de Milankovitch.
L'idée que des paramètres astronomiques influencent le climat avait été suggérée par Agassiz (1807-1873), puis Milankovitch (1879-1958). Il faudra attendre 1976 pour en confirmer la pertinence grâce aux données expérimentales exposées dans un article de Hays, Imbrie et Shackleton, publié dans Science.
Grâce aux documents et à vos connaissances, expliquez en quoi les variations cycliques des paramètres de Milankovitch influencent les variations cycliques du climat durant les derniers 500 000 ans.
Document 2Les mesures effectuées par Hays, Imbrie et Shackleton (1976)
Deux sites (RC11-120 et E49-18) du sud de l'océan Indien ont été carottés. Dans les sédiments, les chercheurs ont mesuré :
le δ18O de foraminifères planctoniques de type Globigerina bulloides, qui permet d'évaluer l'étendue des glaces de l'Arctique ;
la température de l'eau de surface (Ts ) grâce à l'abondance de certains radiolaires (zooplancton) ;
l'abondance du radiolaire Cycladophora davisiana, qui permet d'estimer la stratification thermique des eaux antarctiques.
Les profondeurs permettent d'estimer l'âge des sédiments, en considérant que la sédimentation a été régulière. Les dates indiquées aux limites des stades isotopiques 1, 5, 7 et 11 correspondent à des références internationales.
Document 2Les cycles astronomiques (d'après Vernekar, 1972)
Les analyses spectrales permettent de déterminer les fréquences et les périodes caractéristiques d'un signal cyclique.
Les variations de l'ensoleillement sont calculées d'après les variations astronomiques.
A. Périodes des cycles astronomiques (obliquité, trait continu ; précession, trait pointillé).
B. Ensoleillement hivernal au niveau des sites de forage.
C. Ensoleillement estival dans l'hémisphère Nord.
Document 3Analyse spectrale des données combinées sur les sites RC11-120 et E49-18
Document 4Relation entre les paramètres climatiques et l'excentricité
En traits pleins le δ18O, en tiretés la température de surface Ts et en pointillés les variations de l'excentricité.
Les clés du sujet
Au brouillon, faites l'inventaire de vos connaissances sur les cycles de Milankovitch. Définissez chaque paramètre et expliquez comment il pourrait influencer le climat du globe terrestre, notamment la température.
Définissez les paramètres climatiques mesurés.
Recherchez pour chacun de ces paramètres les cycles observables et comparez-les avec ceux obtenus pour les paramètres astronomiques.
I. Les cycles des paramètres de Milankovitch
Agassiz, puis Milankovitch ont identifié trois paramètres astronomiques dont les variations cycliques pourraient influencer le climat :
l'excentricité, qui mesure l'écart entre une orbite terrestre elliptique et circulaire ;
l'obliquité, qui correspond à l'inclinaison de l'axe de rotation terrestre et qui varie entre 21,8° et 24,4° par rapport au plan de l'écliptique ;
la précession, qui correspond au décalage progressif de l'axe de rotation terrestre, décalant les saisons par rapport à la position de la Terre sur son orbite.
Les deux premiers paramètres influencent le contraste des saisons : une excentricité ou une obliquité élevée correspond à des hivers rigoureux et des étés chauds.
Si les saisons sont peu contrastées, l'été peut ne pas être suffisamment chaud pour entraîner la fonte des glaces formées pendant l'hiver. Les glaces s'accumulant d'année en année, cela favorise un refroidissement global.
à noter
Aujourd'hui, l'été boréal (dans l'hémisphère Nord) correspond au moment où la Terre est le plus loin du Soleil (l'aphélie), donc l'été boréal est plus frais que l'été austral.
D'après le document 2, l'obliquité a un cycle principal de 41 000 ans et la précession deux cycles : un cycle principal de 23 000 ans et un cycle secondaire de 19 000 ans.
L'ensoleillement dans l'hémisphère Sud semble surtout contrôlé par les cycles de 23 000 ans, tandis que celui de l'hémisphère Nord dépend autant de ce cycle que de l'obliquité. Le cycle de 19 000 ans ne semble pas avoir d'influence notable.
D'après le document 4, il s'écoule environ 1,25 cycle entre les repères 127 000 et 251 000 ans, ce qui permet d'estimer que le cycle principal de l'excentricité est d'environ 100 000 ans.
Le conseil de méthode
Pour ce genre de document, il faut repérer les cycles. Un signal cyclique se répète régulièrement et de façon similaire. Le temps nécessaire pour que le paramètre mesuré revienne à sa valeur initiale est la période.
II. Les cycles des paramètres climatiques mesurés
Les chercheurs ont effectué un carottage dans les sédiments du sud de l'océan Indien. Ils y ont mesuré le δ18O, celui-ci étant lié au volume des glaces du globe, notamment de l'Arctique.
Le conseil de méthode
Il faut établir des liens entre documents et connaissances. Il faudrait donc rappeler le lien entre δ18O et température.
Ils ont aussi estimé la température locale de surface des eaux d'une façon indépendante du δ18O, en étudiant les associations de radiolaires, de petits organismes planctoniques qui varient avec la température.
Enfin, les chercheurs ont estimé la structuration thermique des eaux de l'Antarctique par l'abondance d'une espèce de radiolaire, C. davisiana.
Sur le document 1, ces trois paramètres varient de façon concomitante. Ainsi, le pic (négatif : l'échelle est inversée) de δ18O il y a 127 000 ans coïncide avec la courbe de Ts : une fonte importante des glaces de l'Arctique correspond bien à des eaux chaudes dans l'océan Indien. De même, on retrouve le large pic de Ts peu après –440 000 ans dans la courbe d'abondance de C. davisiana.
Sur le document 3, les trois paramètres climatiques varient selon un cycle de 94 000 à 122 000 ans (noté a), voisin du cycle de 100 000 ans de l'excentricité (doc. 4), un cycle de 40 000 à 43 000 ans (noté b), voisin du cycle de 41 000 ans de l'obliquité, et un cycle de 23 000 à 24 000 ans (noté c) correspondant au cycle de 23 000 ans de la précession. Ainsi, les variations climatiques s'expliquent entre autres par les variations des paramètres orbitaux de Milankovitch.
Dans le document 3, c'est le cycle de l'excentricité qui explique la part la plus importante de la variation, ce que l'on retrouve dans le document 4 : les cycles de l'excentricité se superposent assez bien aux variations de Ts et du δ18O.
Conclusion
L'alternance de phases glaciaires et interglaciaires au cours du Quaternaire s'expliquerait par les variations de l'excentricité de l'orbite terrestre qui suivent un cycle d'environ 100 000 ans. Des variations cycliques de température pourraient aussi résulter des variations de l'obliquité (cycle de 41 000 ans) et de la précession (cycle de 23 000 ans notamment).