27Lire les climats du passé

Au Dôme C, à $3233\,\mathrm{m}$ d’altitude sur la calotte glaciaire de l’Antarctique de l’Est, l’air est en moyenne à environ $-55{}^{\circ}\mathrm{C}$ sur l’année. Un forage y a été arrêté à $3260\,\mathrm{m}$ de profondeur, à environ $15\,\mathrm{m}$ au-dessus de la roche située sous la glace. La glace la plus profonde qu’il a remontée renferme de minuscules bulles d’air vieilles de quelque $800\,000$ ans : un échantillon de l’atmosphère bien antérieur aux premiers agriculteurs. Ce chapitre lit le climat du passé dans la glace, dans la boue des lacs et des fonds océaniques, et dans les roches, et cherche ce qu’il nous dit d’aujourd’hui.

Tu sais déjà

Un glacier est une masse de glace qui persiste d’une année à l’autre et s’écoule sous son propre poids ; une calotte glaciaire couvre une grande partie d’un continent ; une glaciation est une longue période froide pendant laquelle les calottes glaciaires s’étendent bien au-delà des pôles (livre 1, année 8). Dans les carottes de glace de l’Antarctique, la neige enregistre la température de l’air et les bulles gardent l’air lui-même, et les deux enregistrements montent et descendent ensemble (livre 1, année 9). Les atomes d’un même élément peuvent différer par leur nombre de neutrons : ces isotopes se comportent de la même façon en chimie mais diffèrent par leur masse (les livres de physique). Le dioxyde de carbone est un gaz à effet de serre (les livres de chimie). La période quaternaire a commencé il y a 2.58 millions d’années (livre 1, année 7).

27.1 Archives et indicateurs

Personne n’a mesuré la température de l’air il y a $20\,000$ ans. Mais la Terre a tenu des registres sans le vouloir : couches de glace et de boue, coquilles et troncs d’arbres, qui ont chacun changé avec le climat dans lequel ils se sont formés.

Définition 27.1 (Archive climatique ; indicateur climatique)

Une archive climatique est un matériau naturel déposé en couches successives, qui garde une trace du climat de l’époque où il s’est formé : glace polaire, sédiments des lacs et des fonds océaniques, cernes des arbres, coraux, concrétions des grottes. Un indicateur climatique (ou « proxy ») est une grandeur mesurée dans une archive, qui tient lieu d’une variable climatique qui n’a pas été mesurée : la part d’isotopes lourds dans la neige ancienne pour la température de l’air, la part de chaque type de pollen dans la boue d’un lac pour la végétation, et donc pour le climat.

archive	indicateur	renseigne sur
glace polaire	isotopes lourds de la glace	température de l’air sur la glace
	air des bulles	dioxyde de carbone, méthane
sédiments lacustres, tourbe	pollen	végétation, puis climat
sédiments océaniques	oxygène 18 des coquilles	volume de glace, température des fonds
cernes des arbres	largeur des cernes	conditions de croissance, année par année
coraux, concrétions	isotopes, bandes de croissance	température de la mer ou de l’air, pluie

Tout indicateur exige deux choses avant de pouvoir être lu. Il lui faut une horloge : l’âge de chaque couche, obtenu en comptant les couches annuelles là où on les voit, par datation radiométrique (Chapitre 25), ou en raccordant l’enregistrement à un autre déjà daté. Et il lui faut un étalonnage : le lien entre ce que l’on mesure et la variable climatique, établi aujourd’hui, là où les deux peuvent être mesurés ensemble.

Méthode 27.2 (Lire un enregistrement d’indicateur)

1. Repérer l’archive et l’indicateur : qu’a-t-on mesuré, et dans quoi ?
2. Repérer dans quel sens le temps s’écoule sur l’axe, et dans quelle unité ; vérifier si l’axe de l’indicateur est inversé.
3. Traduire l’indicateur : une valeur plus élevée signifie-t-elle plus chaud ou plus froid, plus de glace ou moins ?
4. Noter l’espacement des échantillons : un enregistrement dont les points sont distants de $2000$ ans ne peut pas montrer un changement qui a duré un siècle.
5. Lire les valeurs aux dates demandées, ou les moyennes sur un intervalle, et calculer les variations et les vitesses.
6. Dire ce que l’enregistrement montre en son site, et seulement ensuite s’il vaut pour la Terre entière.

27.2 Les carottes de glace

Définition 27.3 (Carotte de glace)

Une carotte de glace est un cylindre de glace extrait par forage d’une calotte glaciaire ou d’un glacier. Sa profondeur donne l’âge de la glace, d’autant plus vieille qu’elle est profonde ; la glace enregistre la température de l’air dans lequel sa neige est tombée, et ses bulles gardent des échantillons de l’air de l’époque.

La neige fraîche est faite surtout d’air. Enfouie sous la neige des années suivantes, elle est tassée en névé, une neige compactée dont les pores laissent encore passer l’air. À une masse volumique d’environ 820 à $830\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$, atteinte entre 50 et $120\,\mathrm{m}$ de profondeur, les pores se ferment et l’air est enfermé dans des bulles. La glace garde donc deux enregistrements différents. L’air des bulles est un échantillon de l’atmosphère, dont on mesure au laboratoire le dioxyde de carbone et le méthane. La glace elle-même garde la température : les molécules d’eau qui contiennent un isotope lourd (le deutérium ou l’oxygène 18) se condensent plus facilement que les légères ; plus l’air est froid sur le chemin du pôle, plus la neige s’appauvrit donc en isotopes lourds.

Le deutérium de la carotte du Dôme C a été converti en une température au-dessus de la glace, exprimée comme une variation par rapport à la moyenne des mille dernières années. Le dioxyde de carbone provient des bulles de plusieurs carottes antarctiques, réunies en un seul enregistrement. Les deux sont tracés ci-dessous sur un même axe du temps.

Les deux courbes ont un même motif : une lente glissade irrégulière vers le froid sur des dizaines de milliers d’années, puis une remontée rapide vers la chaleur, puis de nouveau la glissade.

Définition 27.4 (Période glaciaire ; interglaciaire ; cycle glaciaire)

Une période glaciaire est un intervalle froid au sein d’une glaciation, pendant lequel les calottes glaciaires s’étendent bien au-delà de leur taille actuelle. Un interglaciaire est un intervalle chaud entre deux périodes glaciaires, avec des calottes glaciaires proches de celles d’aujourd’hui ou plus petites ; nous vivons dans l’un d’eux, qui a commencé il y a environ $11\,000$ ans. Un cycle glaciaire est une période glaciaire suivie de l’interglaciaire qui la termine.

Sur l’ensemble de l’enregistrement, la température au Dôme C varie de $-10.6{}^{\circ}\mathrm{C}$, il y a environ $24\,000$ ans, à $+5.5{}^{\circ}\mathrm{C}$, il y a environ $129\,000$ ans ; le dioxyde de carbone, de $174\,\mathrm{ppm}$ à $299\,\mathrm{ppm}$. La figure, moyennée sur $2000$ ans, adoucit un peu ces extrêmes. En comptant les pics chauds, on trouve huit ou neuf cycles glaciaires, et le rythme le plus fort de l’enregistrement de température, calculé à partir de ses données, a une période d’environ $98\,000$ ans.

Proposition 27.5 (Température et dioxyde de carbone varient ensemble)

Au cours des $800\,000$ dernières années, la température antarctique et le dioxyde de carbone de l’air ont varié ensemble. Associer chacune des 1639 mesures de dioxyde de carbone de plus de $2000$ ans à la température du Dôme C au même âge donne un coefficient de corrélation $r = 0.92$, et la droite des moindres carrés

$$\mathrm{CO_2} \approx 267\,\mathrm{ppm} + 7.8\,\mathrm{ppm}/{}^{\circ}\mathrm{C} \times \Delta T ,$$

où $\Delta T$ est la variation de température au Dôme C.

Une corrélation ne dit ni lequel a changé le premier, ni si une troisième cause a fait varier les deux : le coefficient serait le même si la température pilotait le dioxyde de carbone, si le dioxyde de carbone pilotait la température, ou si chacun poussait l’autre. Ce qui fixe le rythme d’environ $100\,000$ ans est raconté dans la section sur l’océan, plus loin, et la façon dont le dioxyde de carbone agit sur la température au Chapitre 28.

27.2.1 Le dernier maximum glaciaire

Définition 27.6 (Dernier maximum glaciaire)

Le dernier maximum glaciaire est l’époque, il y a environ $23\,000$ à $19\,000$ ans, où les calottes glaciaires de la dernière période glaciaire atteignaient leur plus grande extension.

Au dernier maximum glaciaire, des calottes glaciaires couvraient une grande partie de l’Amérique du Nord et du nord-ouest de l’Eurasie, et le climat était plus sec et plus poussiéreux qu’aujourd’hui. Les évaluations estiment que la température moyenne à la surface du globe était inférieure de $5{}^{\circ}\mathrm{C}$ à $7{}^{\circ}\mathrm{C}$ à celle de 1850–1900 (degré de confiance moyen), avec un dioxyde de carbone de 188 à $194\,\mathrm{ppm}$. L’eau stockée dans les calottes glaciaires venait de l’océan : le niveau moyen de la mer se trouvait 125 à $134\,\mathrm{m}$ au-dessous du niveau actuel.

Une mer plus basse découvre les fonds peu profonds qui entourent les continents. La carte ci-dessous abaisse la mer de $130\,\mathrm{m}$, le milieu de cet intervalle, sur les fonds actuels de l’Asie du Sud-Est.

Bornéo, Sumatra et Java ne forment plus qu’une seule terre avec la péninsule Malaise et l’Indochine : le plateau de la Sonde, aujourd’hui sous une mer peu profonde, était émergé. Sur la carte, une baisse d’environ $36\,\mathrm{m}$ seulement suffit à relier Bornéo à l’Asie, et Sumatra et Java s’y relient plus tôt. Sur la carte, les terres émergées passent de 4.11 à 7.16 millions de kilomètres carrés, soit 1.74 fois plus. Sur la Terre entière, la même baisse de $130\,\mathrm{m}$ fait passer la part de la surface émergée de $29.0\,\%$ à $33.5\,\%$, soit environ 23 millions de kilomètres carrés de terres nouvelles.

Exemple 27.7 (La dernière déglaciation)

Le réchauffement qui a suivi le dernier maximum glaciaire s’appelle la dernière transition déglaciaire ; les évaluations la placent entre il y a environ $18\,000$ et $11\,000$ ans. Dans l’enregistrement du Dôme C, la température moyenne du dernier maximum glaciaire (il y a $23\,000$ à $19\,000$ ans) est de $-9.4{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; la moyenne de l’intervalle suivant, il y a $11\,000$ à $9000$ ans, est de $-0.4{}^{\circ}\mathrm{C}$. L’air au-dessus de l’Antarctique s’est réchauffé de $9.0{}^{\circ}\mathrm{C}$, tandis que son dioxyde de carbone passait de $190\,\mathrm{ppm}$ à $264\,\mathrm{ppm}$, soit $74\,\mathrm{ppm}$ de plus. Sur la Terre entière, le réchauffement a été égal au refroidissement évalué de 5 à $7{}^{\circ}\mathrm{C}$, environ $6{}^{\circ}\mathrm{C}$, réparti sur les $7000$ ans de la transition :

$$\frac{6{}^{\circ}\mathrm{C}}{7000\ \text{ans}} \approx 0.86{}^{\circ}\mathrm{C} \text{ par millier d'années.}$$

Pendant ce temps, le niveau de la mer est passé d’environ $-120\,\mathrm{m}$ à $-50\,\mathrm{m}$, soit environ $10\,\mathrm{mm}$ par an en moyenne.

27.3 Le pollen

Chaque printemps, les plantes libèrent des nuages de pollen. L’essentiel se perd, mais une partie tombe sur les lacs et les tourbières, coule et s’enfouit dans la boue, où elle garde la trace de la végétation qui poussait alentour. Et les grains de chaque type de plante ont leur propre forme et leur propre taille.

Définition 27.8 (Analyse pollinique)

L’analyse pollinique est la lecture de la végétation passée à partir du pollen conservé dans les sédiments : dans chaque couche d’une carotte, on identifie et on compte les grains, et la part de chaque type de plante, en pourcentage des grains comptés, est portée en fonction de la profondeur dans un diagramme pollinique.

Le comptage du pollen de cette façon a commencé avec le géologue suédois Lennart von Post, qui présenta en 1916 le premier diagramme pollinique moderne, chiffré ; un tel diagramme montre la profondeur vers le bas de la page, et une courbe pour chaque type de plante. La végétation, à son tour, renseigne sur le climat : des graminées et d’autres herbacées presque sans arbres signalent un paysage ouvert et froid, tandis que le chêne et le noisetier ont besoin d’étés chauds.

Méthode 27.9 (Lire un diagramme pollinique)

1. Lire l’axe vertical : la profondeur, les couches les plus anciennes en bas ; convertir les profondeurs en âges grâce aux datations de la carotte.
2. Pour chaque couche, repérer les plantes dont les parts sont les plus grandes.
3. Découper la carotte en zones, chacune avec son propre ensemble de plantes dominantes ; placer les limites là où les courbes changent le plus vite.
4. Nommer la végétation de chaque zone (herbacées ouvertes, boulaie, forêt de pins, forêt de feuillus) et le climat qu’elle exige.
5. Lire les zones de bas en haut comme une histoire du paysage.

Dans le diagramme ci-dessus, la zone 1 est un paysage d’herbacées, avec quelques bouleaux : le pays ouvert et froid laissé par la glace. Dans la zone 2, le bouleau, arbre robuste, s’étend le premier ; le pin suit dans la zone 3 ; et dans la zone 4, le noisetier et le chêne, qui ont besoin d’étés chauds, prennent le dessus. Lue de bas en haut, la carotte raconte la fin de la période glaciaire et l’arrivée de la chaleur de l’interglaciaire, à mesure que la forêt reconquérait le pays.

27.4 Les sédiments océaniques et le rythme astronomique

Sur le fond de l’océan ouvert, la boue s’accumule lentement et sans interruption, couche après couche, pendant des millions d’années. Elle est pleine de coquilles de foraminifères : des organismes unicellulaires dont la coquille, d’une fraction de millimètre, est souvent en calcite. Certains flottent près de la surface ; d’autres vivent sur le fond marin.

L’oxygène d’une coquille provient de l’eau de mer. L’eau formée avec l’isotope léger, l’oxygène 16, s’évapore plus facilement, et la neige qui construit les calottes glaciaires est donc pauvre en oxygène 18. Quand les calottes grandissent, elles stockent cette eau légère, et l’océan qui reste s’enrichit en oxygène 18 ; de même pour les coquilles qui y croissent, d’autant plus que l’eau est froide. La part d’oxygène 18 dans les coquilles des foraminifères du fond marin, notée $\delta^{18}\mathrm{O}$ et exprimée en pour mille, est ainsi un indicateur du volume de glace sur les continents et de la température de l’océan profond : plus elle est élevée, plus il y a de glace et plus l’eau est froide.

L’enregistrement ci-dessous, appelé LR04, empile les mesures de 57 carottes de tous les océans en une seule courbe de 5.3 millions d’années.

Lu avec la méthode ci-dessus, l’enregistrement dit trois choses.

• La Terre s’est refroidie et sa glace a augmenté. La valeur moyenne passe de $3.03\,\text{‰}$ entre 5.3 et 3 millions d’années à $4.15\,\text{‰}$ sur le dernier million d’années.
• Les oscillations se sont amplifiées. Les époques glaciaires et interglaciaires alternent tout au long de l’enregistrement, mais leurs écarts sont de plus en plus grands : au dernier maximum glaciaire, la valeur était de $4.92\,\text{‰}$, contre $3.23\,\text{‰}$ aujourd’hui.
• Le rythme a changé. Entre il y a 2.6 et 1.3 millions d’années, la période la plus forte de l’enregistrement, calculée à partir de ses données, est de $41\,000$ ans ; sur les $700\,000$ dernières années, elle est d’environ $98\,000$ ans, le rythme des carottes de glace. Le changement s’est produit entre il y a environ 1.25 et 0.7 million d’années.

Ces périodes ne doivent rien au hasard. En 1976, James Hays, John Imbrie et Nicholas Shackleton trouvèrent dans les sédiments des océans australs trois rythmes, de $23\,000$, $42\,000$ et environ $100\,000$ ans, qui sont les périodes de lentes variations de l’orbite et de l’axe de la Terre : la précession de l’axe, l’inclinaison de l’axe (environ $41\,000$ ans) et la forme de l’orbite (environ $100\,000$ ans). Ces variations modifient la lumière solaire que reçoit chaque latitude à chaque saison, et elles règlent la cadence des cycles glaciaires. Comment elles le font, et pourquoi le lent rythme de $100\,000$ ans a pris le dessus, relève d’un cours universitaire.

Chiffres de 2025

En janvier 2025, le projet Beyond EPICA a annoncé qu’une carotte forée à Little Dome C, à environ $35\,\mathrm{km}$ de la station Concordia, sur le Dôme C, contient un enregistrement continu remontant à environ 1.2 million d’années dans ses $2480\,\mathrm{m}$ supérieurs. Il couvre l’époque où le rythme glaciaire est passé de $41\,000$ à $100\,000$ ans ; la glace et son air sont en cours d’analyse.

27.5 Les climats des temps géologiques

Au-delà des carottes de glace, les climats du passé se lisent dans les sédiments, les feuilles et les sols fossiles, et les isotopes. Le GIEC a retenu quelques périodes de référence, bien étudiées, dont les climats aident à juger les changements d’aujourd’hui et de demain. Le graphique ci-dessous donne leur température moyenne à la surface du globe, par rapport à 1850–1900.

période	température (${}^{\circ}\mathrm{C}$)	dioxyde de carbone (ppm)	niveau de la mer (m)
PETM, 56 Ma	$+10$ à $+25$	environ 900, jusqu’à 2000	—
EECO, 53–49 Ma	$+10$ à $+18$	1150 à 2500	$+70$ à $+76$
MPWP, 3.3–3.0 Ma	$+2.5$ à $+4.0$	360 à 420	$+5$ à $+25$
LIG, 129–116 ka	$+0.5$ à $+1.5$	266 à 282	$+5$ à $+10$
LGM, 23–19 ka	$-7$ à $-5$	188 à 194	$-134$ à $-125$
MH, 6.5–5.5 ka	$+0.2$ à $+1.0$	260 à 268	$-3.5$ à $+0.5$

Le maximum thermique du Paléocène–Éocène fut un réchauffement brutal, quand une importante bouffée de carbone atteignit l’océan et l’air : l’océan devint plus acide et plus pauvre en oxygène, et de nombreuses espèces des grands fonds disparurent. Pendant l’optimum climatique de l’Éocène inférieur, le dioxyde de carbone resta au-dessus de $1000\,\mathrm{ppm}$ pendant des millions d’années, il n’y avait pas de glace polaire, et des forêts presque tropicales poussaient à $70{}^{\circ}$ sud. La période chaude du Pliocène moyen est la dernière époque où le dioxyde de carbone était proche de celui d’aujourd’hui : l’Arctique était bien plus chaud qu’aujourd’hui, et la mer plus haute. Pendant le dernier interglaciaire, les calottes glaciaires du Groenland et de l’Antarctique de l’Ouest étaient plus petites et la mer plus haute qu’aujourd’hui, et des hippopotames vivaient en Grande-Bretagne.

Ces archives remettent le présent en perspective, et le GIEC fait lui-même la comparaison. En 2019, le dioxyde de carbone de l’air était plus élevé qu’à aucun moment depuis au moins deux millions d’années (degré de confiance élevé), et les hausses du dioxyde de carbone et du méthane depuis 1750 dépassent de loin les variations naturelles entre périodes glaciaires et interglaciaires depuis au moins $800\,000$ ans (degré de confiance très élevé). La température moyenne à la surface du globe a augmenté plus vite depuis 1970 qu’au cours de toute autre période de 50 ans depuis au moins $2000$ ans (degré de confiance élevé). La décennie 2011–2020 a été plus chaude que les siècles les plus chauds de l’interglaciaire actuel, il y a environ $6500$ ans, et proche de la chaleur du dernier interglaciaire, il y a environ $125\,000$ ans (degré de confiance moyen).

La vitesse du changement peut elle aussi être comparée. De 1970 à 2025, la tendance de l’enregistrement de la température mondiale est de $0.20{}^{\circ}\mathrm{C}$ par décennie, soit environ $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ par millier d’années si elle se maintenait ; le réchauffement de la sortie de la dernière période glaciaire a été en moyenne d’environ $0.86{}^{\circ}\mathrm{C}$ par millier d’années. Les causes du changement actuel, et ce qu’il pourrait devenir, sont le sujet du Chapitre 28.

27.6 Exercices

Exercice 27.1 ★

Donner le terme : (a) une grandeur mesurée dans une archive, qui tient lieu d’une variable climatique non mesurée ; (b) un cylindre de glace extrait par forage d’une calotte glaciaire ; (c) un intervalle chaud entre deux périodes glaciaires ; (d) la lecture de la végétation passée à partir du pollen fossile ; (e) l’époque, il y a environ $23\,000$ à $19\,000$ ans, où les dernières calottes glaciaires étaient les plus étendues.

Solution

Solution de Exercice 27.1.

(a) un indicateur climatique ; (b) une carotte de glace ; (c) un interglaciaire ; (d) l’analyse pollinique ; (e) le dernier maximum glaciaire.

Exercice 27.2 ★

Pour chaque indicateur, nommer son archive et ce sur quoi il renseigne : (a) l’air des bulles ; (b) la part de pollen de chêne ; (c) l’oxygène 18 des coquilles des foraminifères du fond marin ; (d) la largeur des cernes des arbres.

Solution

Solution de Exercice 27.2.

(a) La glace polaire : le dioxyde de carbone et le méthane de l’air de l’époque. (b) Les sédiments lacustres ou la tourbe : la végétation, ici des arbres qui ont besoin d’étés chauds. (c) Les sédiments océaniques : le volume de glace sur les continents et la température de l’océan profond. (d) Les arbres : les conditions de croissance, année par année.

Exercice 27.3 ★

Pendant la dernière transition déglaciaire, d’il y a environ $18\,000$ à $11\,000$ ans, le niveau de la mer est passé d’environ $-120\,\mathrm{m}$ à $-50\,\mathrm{m}$. (a) Calculer la vitesse moyenne de la montée, en millimètres par an. (b) De 2006 à 2018, le niveau de la mer a monté de $3.7\,\mathrm{mm}$ par an. Comparer.

Solution

Solution de Exercice 27.3.

(a) $-50 - (-120) = 70\,\mathrm{m}$ en $7000$ ans : $70\,000\,\mathrm{mm}/7000 = 10\,\mathrm{mm}$ par an. (b) $10/3.7 \approx 2.7$ : la montée moyenne de la déglaciation était environ 2.7 fois plus rapide que celle de 2006–2018.

Exercice 27.4 ★

La température mondiale a augmenté de $0.20{}^{\circ}\mathrm{C}$ par décennie de 1970 à 2025. Exprimer ce rythme par siècle et par millier d’années.

Solution

Solution de Exercice 27.4.

Un siècle compte dix décennies : $2.0{}^{\circ}\mathrm{C}$ par siècle. Mille ans comptent cent décennies : $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ par millier d’années.

Exercice 27.5 ★

Hays, Imbrie et Shackleton ont trouvé trois rythmes dans les sédiments océaniques : $23\,000$, $42\,000$ et environ $100\,000$ ans. (a) Associer chacun à la précession de l’axe, à l’inclinaison de l’axe et à la forme de l’orbite. (b) Combien de cycles de $41\,000$ ans tiennent dans $1\,000\,000$ d’années ? Combien de cycles de $100\,000$ ans ?

Solution

Solution de Exercice 27.5.

(a) $23\,000$ ans : la précession de l’axe ; $42\,000$ ans : l’inclinaison de l’axe ; environ $100\,000$ ans : la forme de l’orbite. (b) $1\,000\,000/41\,000 \approx 24$ cycles ; $1\,000\,000/100\,000 = 10$ cycles.

Exercice 27.6 ★★

La droite des moindres carrés du chapitre est $\mathrm{CO_2} \approx 266.6 + 7.83\,\Delta T$ (en ppm, avec $\Delta T$ en ${}^{\circ}\mathrm{C}$). (a) Prévoir le dioxyde de carbone pour la température moyenne du dernier maximum glaciaire au Dôme C, $-9.4{}^{\circ}\mathrm{C}$, et comparer aux $190\,\mathrm{ppm}$ mesurés. (b) Le prévoir pour le point le plus chaud, $+5.5{}^{\circ}\mathrm{C}$, et comparer à la plus haute valeur mesurée, $299\,\mathrm{ppm}$. (c) Utiliser la droite pour estimer la température du Dôme C qui irait avec $427\,\mathrm{ppm}$, la valeur de 2025 au Mauna Loa. Pourquoi ce dernier usage de la droite n’est-il pas justifié ?

Solution

Solution de Exercice 27.6.

(a) $266.6 + 7.83 \times (-9.4) \approx 266.6 - 73.6 = 193\,\mathrm{ppm}$ : seulement $3\,\mathrm{ppm}$ au-dessus des $190\,\mathrm{ppm}$ mesurés. (b) $266.6 + 7.83 \times 5.5 \approx 310\,\mathrm{ppm}$, $11\,\mathrm{ppm}$ au-dessus de la plus haute valeur mesurée : le point le plus chaud se trouve sous la droite. (c) $\Delta T = (427 - 266.6)/7.83 \approx 20{}^{\circ}\mathrm{C}$. La droite ne décrit que la façon dont les deux grandeurs ont varié ensemble, au cours de cycles naturels, dans le domaine des données ($-11{}^{\circ}\mathrm{C}$ à $+6{}^{\circ}\mathrm{C}$, 174 à $299\,\mathrm{ppm}$) ; ce n’est pas une loi, et l’on ne peut pas y lire une valeur située très loin de ce domaine.

Exercice 27.7 ★★

Utiliser le diagramme pollinique du lac des collines de Varden. (a) Quel est le pollen dominant à $580\,\mathrm{cm}$, et quel paysage indique-t-il ? (b) Même question à $340\,\mathrm{cm}$. (c) Quel arbre s’étend le premier après le froid, et quels arbres arrivent les derniers ? (d) Pourquoi l’arrivée d’un arbre pourrait-elle être en retard sur le réchauffement qui l’a permise ?

Solution

Solution de Exercice 27.7.

(a) Les herbacées, $84\,\%$ : un paysage ouvert presque sans arbres, froid. (b) Le chêne ($42\,\%$) et le noisetier ($34\,\%$) : une forêt de feuillus, avec des étés chauds. (c) Le bouleau s’étend le premier, puis le pin ; le noisetier et le chêne arrivent les derniers. (d) Les arbres ne s’étendent qu’à la vitesse à laquelle leurs graines voyagent et leurs jeunes plants grandissent, à partir des lieux où ils ont survécu au froid ; un sol doit aussi se former. La forêt peut être en retard sur le climat.

Exercice 27.8 ★★

Dans la même carotte, la boue à $600\,\mathrm{cm}$ a $14\,000$ ans et celle à $300\,\mathrm{cm}$ $6000$ ans, avec une vitesse de dépôt constante. (a) Calculer cette vitesse en millimètres par an. (b) Trouver l’âge de la limite entre les zones 2 et 3, à $470\,\mathrm{cm}$. (c) Combien d’années une tranche de $1\,\mathrm{cm}$ d’épaisseur représente-t-elle ?

Solution

Solution de Exercice 27.8.

(a) $300\,\mathrm{cm}$, soit $3000\,\mathrm{mm}$, en $8000$ ans : $3000/8000 = 0.375\,\mathrm{mm}$ par an. (b) $6000 + (470 - 300)/300 \times 8000 \approx 6000 + 4530 \approx 10\,500$ ans. (c) $10/0.375 \approx 27$ ans.

Exercice 27.9 ★★

Sur la carte de l’Asie du Sud-Est, les terres émergées passent de 4.11 à 7.16 millions de kilomètres carrés quand la mer est abaissée de $130\,\mathrm{m}$. (a) Calculer le gain et son pourcentage. (b) Sur la carte, une baisse d’environ $36\,\mathrm{m}$ suffit à relier Bornéo à l’Asie. L’île était-elle reliée pendant tout le dernier maximum glaciaire ? Expliquer. (c) Pourquoi le tracé des côtes de la carte n’est-il qu’approximatif ?

Solution

Solution de Exercice 27.9.

(a) $7.16 - 4.11 = 3.05$ millions de kilomètres carrés, et $3.05/4.11 \approx 74\,\%$ de terres en plus. (b) Oui : au dernier maximum glaciaire, la mer se trouvait 125 à $134\,\mathrm{m}$ sous son niveau actuel, bien plus que les $36\,\mathrm{m}$ qui relient Bornéo à l’Asie sur la carte. (c) La carte utilise les fonds marins actuels, qui ne sont pas restés exactement les mêmes depuis (des sédiments s’y sont déposés, et le sol a un peu bougé) ; la grille est aussi grossière, un point tous les 0.1 degré, et le bas niveau marin n’est connu qu’à une dizaine de mètres près.

Exercice 27.10 ★★

Dans l’enregistrement LR04, la valeur au dernier maximum glaciaire est de $4.92\,\text{‰}$ et la valeur actuelle de $3.23\,\text{‰}$. (a) Laquelle est la plus élevée, et est-ce ce que l’on attend ? Expliquer à l’aide des calottes glaciaires. (b) Pourquoi l’axe vertical de l’enregistrement est-il tracé inversé ?

Solution

Solution de Exercice 27.10.

(a) La valeur du dernier maximum glaciaire, $4.92\,\text{‰}$, est la plus élevée. C’est ce que l’on attend : les grandes calottes glaciaires de l’époque stockaient une eau pauvre en oxygène 18, ce qui laissait l’océan, et les coquilles qui y croissaient, plus riches en oxygène 18 ; l’eau profonde était aussi plus froide. (b) Pour que les époques froides et englacées soient en bas et les époques chaudes en haut, comme sur une courbe de température.

Exercice 27.11 ★★

Un ami affirme : « La corrélation de 0.92 entre la température antarctique et le dioxyde de carbone prouve que le dioxyde de carbone a commandé les glaciations. » (a) Que montre une corrélation, et que ne montre-t-elle pas ? (b) Donner deux autres explications qui donneraient la même corrélation. (c) Quel type d’information sur les deux enregistrements aiderait à trancher ?

Solution

Solution de Exercice 27.11.

(a) Une corrélation montre que les deux enregistrements montent et descendent ensemble, près d’une droite ; elle ne montre ni lequel a causé l’autre, ni même que l’un a causé l’autre. (b) Un climat plus chaud aurait pu libérer du dioxyde de carbone dans l’air ; ou une troisième cause, comme les variations de l’orbite de la Terre, aurait pu faire varier les deux ; ou chacun aurait pu pousser l’autre. (c) La chronologie des changements, lequel est venu en premier, grâce à une datation précise de la glace et de son air ; et la compréhension de la façon dont le dioxyde de carbone agit sur le rayonnement de la Terre (Chapitre 28).

Exercice 27.12 ★★★

La période la plus forte de l’enregistrement LR04 est de $41\,000$ ans entre 2.6 et 1.3 millions d’années, et de $98\,500$ ans sur les $700\,000$ dernières années. (a) Combien de cycles chaque fenêtre contient-elle ? (b) Quelle variation de l’orbite ou de l’axe de la Terre correspond à chaque période ? (c) Expliquer pourquoi un enregistrement avec un échantillon tous les $2000$ ans peut montrer ces rythmes, mais pas un changement qui a duré un siècle.

Solution

Solution de Exercice 27.12.

(a) $1\,300\,000/41\,000 \approx 32$ cycles entre 2.6 et 1.3 millions d’années ; $700\,000/98\,500 \approx 7$ cycles sur les $700\,000$ dernières années. (b) $41\,000$ ans : l’inclinaison de l’axe ; environ $100\,000$ ans : la forme de l’orbite. (c) Un cycle de $41\,000$ ans est échantillonné environ $41\,000/2000 \approx 20$ fois, assez pour le tracer ; un changement qui dure un siècle tombe entre deux échantillons, ou à l’intérieur d’un seul, et ne laisse presque pas de trace.

Exercice 27.13 ★★★

La vitesse de hausse du dioxyde de carbone était de 192 à $198\,\mathrm{ppm}$ par siècle en 1995–2014. Pendant le maximum thermique du Paléocène–Éocène, elle était de 4 à $42\,\mathrm{ppm}$ par siècle, et pendant la dernière transition déglaciaire d’au plus environ $10\,\mathrm{ppm}$ par siècle. (a) Combien de fois la hausse récente était-elle plus rapide que la hausse la plus rapide de la dernière déglaciation ? (b) Que l’estimation la plus lente et la plus rapide du PETM ? (c) La hausse du PETM est passée d’environ 900 à environ $2000\,\mathrm{ppm}$. Combien de temps aurait-elle pris à $42\,\mathrm{ppm}$ par siècle, et au rythme actuel ?

Solution

Solution de Exercice 27.13.

(a) $192/10 \approx 19$ et $198/10 \approx 20$ : environ 20 fois plus vite. (b) Contre $4\,\mathrm{ppm}$ par siècle : $192/4 = 48$ à $198/4 \approx 50$ fois ; contre $42\,\mathrm{ppm}$ : $192/42 \approx 4.6$ à $198/42 \approx 4.7$ fois. La hausse actuelle est environ 5 à 50 fois plus rapide que celle du PETM. (c) La hausse vaut $2000 - 900 = 1100\,\mathrm{ppm}$ : $1100/42 \approx 26$ siècles, soit environ $2600$ ans au rythme le plus rapide du PETM ; $1100/195 \approx 5.6$ siècles, moins de 600 ans, au rythme actuel.

Exercice 27.14 ★★★

Le GIEC estime que la température mondiale a augmenté de 1 à $1.5{}^{\circ}\mathrm{C}$ par millier d’années pendant la partie la plus rapide de la dernière déglaciation, et qu’au-dessus du Groenland elle a monté environ dix fois plus vite pendant les siècles de réchauffement le plus rapide. (a) Donner le rythme au Groenland en ${}^{\circ}\mathrm{C}$ par millier d’années et par décennie. (b) Le comparer au rythme mondial actuel de $0.20{}^{\circ}\mathrm{C}$ par décennie. (c) Pourquoi ne faut-il pas comparer directement un rythme local à un rythme mondial ?

Solution

Solution de Exercice 27.14.

(a) Dix fois 1 à $1.5{}^{\circ}\mathrm{C}$ : 10 à $15{}^{\circ}\mathrm{C}$ par millier d’années, soit 0.10 à $0.15{}^{\circ}\mathrm{C}$ par décennie. (b) Le rythme mondial actuel, $0.20{}^{\circ}\mathrm{C}$ par décennie, vaut 1.3 à 2 fois le réchauffement le plus rapide au-dessus du Groenland. (c) Un lieu isolé peut changer bien plus que la moyenne sur le globe, où les changements des différentes régions se compensent en partie : on compare un rythme mondial à un rythme mondial.

Exercice 27.15 ★★★

Le niveau de la mer était d’environ $-50\,\mathrm{m}$ il y a $11\,000$ ans ; supposer qu’il a ensuite monté au rythme constant de $12\,\mathrm{m}$ par millier d’années, la vitesse moyenne de la déglaciation principale. (a) À quelle date a-t-il dépassé $-36\,\mathrm{m}$, le niveau qui relie Bornéo à l’Asie sur la carte ? (b) Après cette date, une personne pouvait-elle aller à pied de Bornéo à la péninsule Malaise ? (c) Combien de temps la mer mettrait-elle à monter des $36\,\mathrm{m}$ restants, si elle avait continué à la même vitesse ?

Solution

Solution de Exercice 27.15.

(a) $14\,\mathrm{m}$ à $12\,\mathrm{m}$ par millier d’années prennent $14/12 \approx 1.17$ millier d’années, environ $1170$ ans : il y a environ $9800$ ans. (b) Non : la mer devait rester au moins $36\,\mathrm{m}$ sous son niveau actuel pour relier Bornéo à l’Asie ; une fois $-36\,\mathrm{m}$ dépassé, le pont terrestre fut noyé, et Bornéo redevint une île. (c) $36/12 = 3$ milliers d’années, environ $3000$ ans ; en réalité, la montée a ralenti après il y a environ $8200$ ans : elle a donc pris plus longtemps.

Problème 27.1

Problème du week-end — 800 000 ans de glace antarctique

La glace du Dôme C et l’air de ses bulles donnent les valeurs suivantes. La température est la variation au-dessus de la glace par rapport aux mille dernières années.

	écart thermique (${}^{\circ}\mathrm{C}$)	dioxyde de carbone (ppm)
plus froid, il y a environ $24\,000$ ans	$-10.6$	—
plus chaud, il y a environ $129\,000$ ans	$+5.5$	—
dioxyde de carbone minimal et maximal	—	174 et 299
moyenne, il y a $23\,000$ à $19\,000$ ans	$-9.4$	190
moyenne, il y a $11\,000$ à $9000$ ans	$-0.4$	264

La période la plus forte de l’enregistrement de température est d’environ $98\,000$ ans, et les 1639 couples de valeurs donnent un coefficient de corrélation de 0.92.

Partie I — Lire les deux enregistrements.

1. Quelle partie de la glace enregistre la température, et laquelle enregistre le dioxyde de carbone ?
2. Calculer l’amplitude totale de la variation de température au Dôme C.
3. Calculer l’amplitude totale du dioxyde de carbone.
4. Que dit un coefficient de corrélation de 0.92 sur les deux enregistrements ?
5. Dans la figure du chapitre à axe du temps, le présent est à droite. Pourquoi faut-il vérifier dans quel sens s’écoule le temps avant de lire une telle figure ?

Partie II — Valeurs glaciaires et interglaciaires.

6. Définir une période glaciaire et un interglaciaire.
7. Dans lequel des deux vivons-nous, et depuis quand ?
8. Combien de cycles de $98\,000$ ans tiennent dans $800\,000$ ans ?
9. Quelle variation de l’orbite de la Terre a une période proche de $100\,000$ ans ?
10. Avant il y a environ 1.25 million d’années, quel était le rythme principal des cycles glaciaires ?

Partie III — La dernière déglaciation.

11. De combien la température au-dessus du Dôme C a-t-elle augmenté entre le dernier maximum glaciaire et l’intervalle d’il y a $11\,000$ à $9000$ ans ?
12. De combien le dioxyde de carbone a-t-il augmenté sur le même intervalle ?
13. La température mondiale du dernier maximum glaciaire était inférieure de 5 à $7{}^{\circ}\mathrm{C}$ à celle de 1850–1900. Prendre le milieu de cet intervalle. La variation antarctique est-elle plus grande ou plus petite ?
14. La dernière transition déglaciaire a duré d’il y a $18\,000$ à il y a $11\,000$ ans. Combien de temps cela fait-il ?
15. Calculer la vitesse moyenne du réchauffement mondial pendant la transition, en ${}^{\circ}\mathrm{C}$ par millier d’années.
16. Exprimer cette vitesse en ${}^{\circ}\mathrm{C}$ par décennie.

Partie IV — La vitesse actuelle en comparaison.

17. De 1970 à 2025, la température mondiale a augmenté de $0.20{}^{\circ}\mathrm{C}$ par décennie. Exprimer ce rythme par millier d’années.
18. Combien de fois le réchauffement actuel est-il plus rapide que le réchauffement moyen de la dernière déglaciation ?
19. Pendant la partie la plus rapide de la déglaciation, la température mondiale a augmenté de 1 à $1.5{}^{\circ}\mathrm{C}$ par millier d’années. Combien de fois le rythme actuel est-il plus rapide que ceux-ci ?
20. Conclure : combien de fois le réchauffement climatique actuel est-il plus rapide que le réchauffement de la sortie de la dernière glaciation ?

Solution

Solution de Problème 27.1.

1. La glace elle-même, par ses isotopes lourds, enregistre la température ; l’air de ses bulles enregistre le dioxyde de carbone.

2. $5.5 - (-10.6) = 16.1{}^{\circ}\mathrm{C}$.

3. $299 - 174 = 125\,\mathrm{ppm}$.

4. Les points sont proches d’une droite : les deux enregistrements ont monté et baissé ensemble. Cela ne dit pas lequel a causé l’autre.

5. Les enregistrements du passé sont tracés avec les époques les plus anciennes d’un côté ou de l’autre ; lu dans le mauvais sens, un réchauffement serait pris pour un refroidissement.

6. Une période glaciaire est un intervalle froid au sein d’une glaciation, pendant lequel les calottes glaciaires s’étendent bien au-delà de leur taille actuelle ; un interglaciaire est un intervalle chaud entre deux périodes glaciaires, avec des calottes glaciaires proches de celles d’aujourd’hui ou plus petites.

7. Dans un interglaciaire, qui a commencé il y a environ $11\,000$ ans.

8. $800\,000/98\,000 \approx 8$ : environ huit cycles.

9. La forme de l’orbite.

10. Un rythme de $41\,000$ ans, la période de l’inclinaison de l’axe.

11. $-0.4 - (-9.4) = 9.0{}^{\circ}\mathrm{C}$.

12. $264 - 190 = 74\,\mathrm{ppm}$.

13. $6{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; la variation antarctique, $9.0{}^{\circ}\mathrm{C}$, est plus grande, environ 1.5 fois la variation mondiale.

14. $18\,000 - 11\,000 = 7000$ ans.

15. $6/7 \approx 0.86{}^{\circ}\mathrm{C}$ par millier d’années.

16. Mille ans comptent cent décennies : $0.86/100 \approx 0.0086{}^{\circ}\mathrm{C}$ par décennie.

17. $0.20 \times 100 = 20{}^{\circ}\mathrm{C}$ par millier d’années.

18. $20/0.86 \approx 23$ fois.

19. $20/1.5 \approx 13$ et $20/1 = 20$ : 13 à 20 fois.

20. Le réchauffement climatique actuel est environ vingt fois plus rapide que le réchauffement de la sortie de la dernière glaciation : 23 fois son rythme moyen, 13 à 20 fois son rythme le plus rapide.