Cycles de Milankovitch et climat de la Terre

Périodes glaciaires et interglaciaires

L'étude du climat de la Terre, avant l'influence des activités humaines depuis 150 ans, permet de prédire son évolution future. Bien qu'il y ait eu des variations climatiques sur de courtes périodes (en quelques décennies), ce sont les cycles de Milankovitch qui permettent d'expliquer les variations sur les longues périodes (en dizaines de milliers d'années).
Il existe une corrélation forte entre les mouvements astronomiques et les variations climatiques terrestres car les mouvements astronomiques modifient l'ensoleillement reçu. Cette corrélation a été établie pour les 25 derniers millions d'années.
Si le système solaire été composé seulement du Soleil et de la Terre sans aucune autre planète, la rotation de la Terre autour du Soleil resterait inchangée. Il n'y aurait pas de variations de l'ensoleillement au cours du temps.
Dans la théorie des paléoclimats, les trois phénomènes astronomiques concernés sont l'excentricité orbitale, l'obliquité de l'axe et la précession des équinoxes (expliqués ci-dessous).

Ces phénomènes astronomiques sont en partie responsables des changements climatiques naturels qui ont pour principale conséquence, la succession des périodes glaciaires et interglaciaires.
Les calottes glaciaires s'étendent puis régressent au rythme des cycles glaciaires et interglaciaires. Par exemple il y a 21 000 ans au dernier maximum glaciaire, les calottes de glace étaient plus importantes et recouvraient le nord de l'Europe et de l'Amérique (image ci-contre).
Les calottes de glace ont toujours été présentes durant les 25 derniers millions d'années. En effet, la Terre sans calotte glaciaire date de l'éocène (56 à 34 millions d'années). Il y a 50 millions d'années, il n'y avait quasiment pas de calotte glaciaire, des palmiers poussaient en Antarctique où la température oscillait entre 10 et 25 °C.
Nous sommes actuellement dans une période chaude dite interglaciaire appelée l'holocène. L'holocène est une période du quaternaire qui a débuté il y a 11 700 ans.

Image : Variations de la calotte glaciaire dans l'hémisphère nord. Source - Brigitte Van Vliet-Lanoë

Les trois paramètres de Milankovitch

Les cycles de Milankovitch permettent d'expliquer les variations climatiques sur les longues périodes. Ils correspondent aux variations du volume des glaces polaires et donc aux variations du niveau de la mer. Durant les derniers 2,6 millions d'années (ère quaternaire) on observe de grandes amplitudes, avec une période de 100 000 ans très marquée, liées aux paramètres de Milutin Milanković (1879-1958).
Les 3 cycles couvrent des périodes de ≈25 000, ≈41 000 et ≈100 000 ans.
- L'excentricité définit la forme de l'orbite de la Terre autour du Soleil. Elle caractérise le degré d'aplatissement de l'ellipse par rapport à un cercle. L'excentricité actuellement très faible est égale à 0,017. Elle varie entre 0 (cercle) et 0,06 sous l'influence de deux cycles de 100 000 et de 400 000 ans dépendant de la position des autres planètes du système solaire.
- L'obliquité est l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre par rapport à l'écliptique. C'est l'angle entre l'axe de rotation et la perpendiculaire du plan orbital (actuellement 23,5°).
À cause des perturbations planétaires, l'inclinaison du plan orbital de la Terre évolue et oscille entre 24,5° et 22° sur une période d'environ 41 000 ans. De plus cette oscillation de l'axe décrit la surface d'un cône à la manière de l'axe d'une toupie tournant autour de la verticale. L'axe de la Terre décrit un cône complet tous les 26 000 ans environ.
- La précession des équinoxes est liée à l'oscillation de l'axe de la Terre. Actuellement le solstice d'été dans l'hémisphère Nord a lieu à proximité de l'aphélie, ainsi les étés sont tempérés et les hivers moins froids. Il y a environ 12 000 ans, le solstice d'été avait lieu à proximité du périhélie, les étés étaient très chauds et les hivers très froids (l'hémisphère Sud est dans la situation opposée). Les étés froids permettent la persistance dans les hautes latitudes des neiges hivernales dont l'albédo élevé favorise le refroidissement et l'accumulation annuelle de glaces. Le décalage de l'axe de rotation est mesuré par rapport aux étoiles. D'un siècle à l'autre (à la même date) les étoiles ne sont pas vues dans la même direction. L'étoile polaire change au cours du temps. Il y a 8000 ans, Alpha Cygni était l'étoile polaire, il y a 4800 c'était l'étoile Alpha Draconis, dans 12000 ans ce sera Alpha Lyrae...
Lié à l'obliquité, ce cycle s'effectue sur une période d'environ 26 000 ans.

La combinaison des paramètres de Milankovitch vont influencer le volume des glaces stockées dans les calottes de l'hémisphère nord.
Les sédiments océaniques ont enregistré sur les deux derniers millions d'années les trois cycles de Milankovitch (≈25 000, ≈41 000 et ≈100 000 ans). Le cycle de ≈100 000 ans est l'onde principale dans laquelle on trouve deux harmoniques, une de ≈25 000 ans et une de ≈41 000 ans qui se décalent petit à petit.
Concernant le climat il y a deux périodes qui se répètent à des intervalles plus ou moins réguliers :
- une période glaciaire qui dure environ 100 000 ans.
- une période interglaciaire qui dure environ 20 000 ans.
La dernière période glaciaire commence il y a 115 000 ans et se termine il y a 11 700 ans. Le dernier maximum glaciaire a été atteint il y a environ 21 000 ans. Les refroidissements se font lentement et dure 80 000 ans alors que les réchauffements se font brutalement en 20 000 ans.
Actuellement nous sommes à la fin d'une période interglaciaire et nous devrions commencer un lent refroidissement de 80 000 ans.

N. B. : La recherche d'une corrélation entre les variations climatiques et le forçage orbital nécessite des indicateurs climatiques suffisamment fins sur les échelles de temps de Milankovitch.
Actuellement, les indicateurs utilisés sont les sédiments marins et lacustres, les coraux, les anneaux des arbres, les carottes glaciaires, les pollens, la cyclostratigraphie rocheuse, les séquences marines de carbonates, etc...
Un indicateur couramment utilisé pour l'estimation du volume global des glaces continentales est le rapport isotopique entre l'isotope 18 de l'oxygène et l'oxygène 16 contenu dans les squelettes carbonatés des foraminifères benthiques. Ceux-ci sont généralement extraits des sédiments marins forés dans les fonds océaniques.

Image : Variations de l'excentricité de l'orbite terrestre.

Image : Variations de l'inclinaison de l'axe.

Image : Variation de la précession des équinoxes. Source - © 2004 Cyril Langlois