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    Climat : la véritable part des astres  
    Adrien Denèle - Ciel & Espace no. 540, mai 2015 - 2015-05-01      
    Loin d'être constante, la course de la Terre dans l'espace évolue au fil des âges.
Ces variations ont joué un rôle majeur dans le climat, comme l'a découvert Milutin Milankovitch au début du XXe siècle.
Mais leurs effets sont bien différents du réchauffement global constaté aujourd'hui.
 
    Sur la planète Terre, les débats s'échauffent autant que le climat. Le réchauffement actuel est enfin communément admis par les populations. Mais ses causes semblent encore voilées d'un doute. En tout cas, pour certains irréductibles qui continuent de dédouaner l'activité humaine en accusant des sources extérieures. Quoi de plus logique en effet que de pointer l'espace et le Soleil, notre source principale de chaleur ? Avant le grand rendez-vous de la Conférence Climat à Paris fin 2015, il n'est pas inutile de revenir sur la théorie astronomique du climat. Ou comment les astres ont pu influencer notre planète par le passé. Pour juger une bonne fois pour toutes de leur éventuelle responsabilité face à la nôtre.  
   

Les variations de l'orbite de notre planète influent sur son climat Elles sont ainsi à l'origine des grandes glaciations qu'a connues la Terre par le passé.

 
    L'idée que des éléments astronomiques puissent influencer notre planète est relativement récente. Bien sûr, le premier suspect fut le Soleil. L'intuition suggérait sa responsabilité dans la température terrestre. Mais l'étudier en détail était une tout autre affaire ! Sa forte luminosité empêchait toute observation directe, et les instruments manquaient pour réaliser les sérieuses études spectroscopiques actuelles.  
    Parallèlement, l'étude des trajectoires planétaires progressait, grâce entre autres à l'astronome Joseph-Louis Lagrange au XVIIIe siècle, puis à James Croll au siècle suivant. Ce chercheur écossais est le premier à établir un lien entre orbite terrestre et périodes glaciaires, déjà connues. «Celles-ci étaient étudiées grâce aux dépôts morainiques, des traces laissées par la fonte des glaciers en montagne, explique Aloys Bory, climatologue à l'université Lille 1. C'était l'indice principal de présence continentale de glace à différentes périodes, et donc de phases de glaciations.» James Croll supposait que ces périodes de grand froid correspondaient aux moments où la Terre était la plus éloignée du Soleil. C'est-à-dire lorsque l'excentricité de son orbite est la plus élevée. Mais Croll se trompait car il avait négligé l'influence de deux autres paramètres orbitaux : la précession et l'obliquité.  
   

Variations orbitales

 
    C'est le Serbe Milutin Milankovitch, au début du XXe siècle, qui théorisera réellement le lien entre astronomie et climat. "L'excentricité, l'obliquité et la précession de la Terre sont les trois paramètres à prendre en compte pour étudier notre climat", détaille Jacques Laskar, astronome à l'IMCCE. Notre planète est en effet loin d'être aussi constante qu'on le pense. Sa trajectoire autour du Soleil dépend des forces gravitationnelles de notre étoile, mais aussi de celles des autres planètes, Ainsi, l'orbite terrestre n'est pas circulaire, mais elliptique. La forme de cette ellipse, caractérisée par l'excentricité, varie au fil du temps, éloignant ou rapprochant notre planète du Soleil. Ce facteur influe sur l'insolation : la puissance reçue au sol par la Terre varie selon sa distance d'environ 400 à 475 W/mz à 65°N. Deuxième facteur, l'obliquité est l'angle entre l'axe de rotation terrestre et la perpendiculaire à l'écliptique (le plan de l'orbite terrestre). Enfin, la précession est la lente rotation de cet axe, décrivant un cône dans l'espace à l'instar de l'axe d'une toupie.  
    La précession va décider l'intensité des saisons, explique Jacques Laskar. Ainsi, lorsque l'hémisphère Nord est orienté vers le Soleil, il va recevoir une puissance au mètre carré plus importante et voir sa température augmenter : c'est l'été. Dans le même temps, l'hémisphère Sud est incliné dans l'autre direction et reçoit donc moins de puissance lumineuse sur sa surface : c'est l'hiver. Ainsi, actuellement - la situation peut sembler paradoxale au néophyte -, c'est l'été dans l'hémisphère Nord quand la Terre circule sur la portion de son orbite la plus éloignée du Soleil. "Cela s'inversera d'ici 10'000 ans : nous serons en été en décembre, quand notre planète est au plus près du Soleil. L'été boréal sera alors plus chaud, et l'hiver plus froid, comme c'est le cas aujourd'hui dans l'hémisphère Sud", indique Jacques Laskar. Cette alternance des saisons entre hémisphères est déterminante pour comprendre les glaciations, avec en tête le rôle de l'été. «Si le pic de chaleur de la saison estivale n'est pas assez important, on arrive à un seuil : celui de la persistance des neiges en été», explique Jacques Laskar. Avec un véritable "effet boule de neige", qui va abaisser drastiquement la température du globe à partir de l'hémisphère Nord. Cet hémisphère regroupant la majorité des terres émergées, il peut geler en grande partie. Or, la neige renvoie vers l'espace une part importante du rayonnement solaire. C'est autant qui n'ira pas réchauffer l'air, abaissant de facto la température et permettant donc la progression continentale des neiges. «Il faut dire qu'il est bien plus facile de fondre la neige que de la créer, souligne Aloys Bory. L'absence d'ablation (la fonte des neiges) est un indicateur des glaciations."  
   

Chiffre

 
0,1°C   C'est la hausse de température que la Terre aurait pu avoir en 200 ans sans la présence humaine.  
   

 

 
   

Les trois paramètres astronomiques du climat

 
1.   Excentricité  
    Avec une période de 100'000 ans, l'orbite terrestre passe d'une forme quasi circulaire à une forme plus elliptique. D'où une variation de la distance Terre-Soleil.  
   
 
2.   Obliquité  
    L'inclinaison de l'axe de rotation terrestre varie entre 22,1° et 24,5° au cours d'un cycle de 41'000 ans. Plus la Terre est inclinée, plus les pôles reçoivent le rayonnement solaire en été, et moins ils le reçoivent en hiver.  
   
 
3.   Précession  
    L'axe de rotation de la Terre décrit un cercle sur le ciel en 26'000 ans environ. C'est la précession des équinoxes. Couplé au déplacement de l'orbite du duo Terre-Lune autour du Soleil, ce mouvement donne la précession climatique d'une durée de 21 000 ans, Il faut ce laps de temps pour que solstices et équinoxes se produisent de nouveau aux mêmes points de l'orbite terrestre autour du Soleil. Ces changements renforcent ou adoucissent les contrastes entre les saisons.  
   
 
   

Aujourd'hui, la Terre pass au plus près du Soleil (périhélie) au moment où c'est l'hiver dans l'hémisphère Nord. Les hivers sont donc assez doux. Tout comme l'été boréal, qui se produit quand la Terre est au plus loin de notre étoile.

 
   

Dans 10'000 ans, du fait de la précession, l'hémisphère Nord sera en été lors du passage au périhélie, et en hiver à l'aphélie. Les saisons boréales seront bien plus marquées.

 
   

Le cycle des glaciations

 
    Ce lien de causalité était déjà connu dès 1840 par les scientifiques, pour qui la faible insolation en été dans l'hémisphère Nord constituait un seuil critique. Toute l'astuce de Milankovitch sera de lier cette faible insolation en été aux mouvements orbitaux de la Terre. Selon sa théorie, les glaciations apparaissent lorsque la planète est dans ses positions extrêmes de refroidissement. Autrement dit : lorsque l'excentricité est la plus élevée (la Terre est plus éloignée à l'aphélie, l'insolation est donc diminuée), l'obliquité la plus faible (ce qui réduit la puissance solaire reçue au mètre carré en été dans l'hémisphère Nord), et la précession propice à un été frais dans l'hémisphère Nord. "Il a su mathématiser le lien entre les cycles de glaciations, l'insolation et la période des paramètres orbitaux, résume Aloys Bory. Tout ceci à partir de données bien moins précises qu'aujourd'hui !"  
    Hélas pour Milankovitch, sa théorie ne sera jamais validée de son vivant, faute de preuve. "Les dépôts morainiques étaient incomplets et ne donnaient d'informations que sur des périodes récentes du Quaternaire, regrette Aloys Bory. Il faut attendre les années 1970 pour que l'on reconnaisse les idées de Milankovitch grâce aux carbonates marins." Ces résidus de CaCO3 enfouis dans les profondeurs océaniques sont un véritable trésor historique. Leur clé réside dans le rapport entre deux isotopes de l'oxygène. Doté de deux neutrons supplémentaires, l'oxygène 18 est plus lourd que l'oxygène 16 et s'évapore moins facilement. Du coup, l'océan va posséder un rapport 18O/16O plus important que l'eau évaporée.  
    Or, si cette eau retombe sous forme de neiges permanentes en été, elle ne retournera pas dans l'océan avant le prochain dégel. "Les scientifiques assistent donc à une étonnante corrélation : la périodicité du rapport 18O/16O mesuré dans les carbonates marins (qui est aussi la période du volume d'eau retenue sous forme de glaces) est similaire à celle des paramètres orbitaux de Milankovitch", explique Aloys Bory. C'est la preuve que les paramètres orbitaux pilotent les glaciations terrestres.  
    La théorie de Milankovitch est admise depuis à peine quarante ans, mais elle ne concerne que le passé. "Et il s'agit de changements se mesurant sur la dizaine de milliers d'années, souligne Jacques Laskar. Leurs échelles de temps n'ont rien à voir avec ce que nous vivons depuis 200 ans." Aloys Bory renchérit : "Sur les prochains milliers d'années, ils auraient de toute façon été dérisoires. Et pour le siècle qui vient de s'écouler, leur impact sur la température aurait joué de 0,02°C… de refroidissement." Une chose est sûre : s'il n'y a pas de glaciation dans les prochains siècles, il n'y en aura pas d'autre avant longtemps. "Au vu de la situation, les modèles classiques de glaciation n'auront peut-être plus jamais cours tant que l'homme sera sur Terre… estime le climatologue. L'activité humaine est désormais le facteur principal."  
    Et le Soleil ? Pour lui, peu de variation de position. Étant l'astre le plus lourd à des années-lumière à la ronde, c'est lui qui impose son mouvement et fige le plan orbital du système planétaire, En revanche, son activité interne est bien plus fascinante. «Depuis la naissance de la Terre, voici 4,5 milliards d'années, son activité a beaucoup progressé", indique Aloys Bory. Notre étoile aurait ainsi gagné pratiquement 30% de luminosité ! "Dans sa jeunesse, la Terre recevait moins d'énergie du Soleil, mais avait une température élevée grâce à un effet de serre", précise le climatologue. En effet, l'irradiance solaire (la quantité de rayonnement solaire reçue par la Terre au sommet de l'atmosphère) est plus ou moins constante à 1'370 W/m2, ±3 W/m2. On peut penser que ces variations sont tout de même d'importance…  
   

Une évolution trop rapide

 
    Et c'était peut-être le cas au début du siècle. On remarque que la température du globe suivait assez fidèlement les hausses et baisses de la radiation solaire. Mais le récent rapport du Giec montre qu'il n'en est rien sur les cinquante dernières années : la radiation solaire est en baisse, alors que la température augmente rapidement ! Une mise en lumière décisive, pour conclure que la quantité d'énergie émise par le Soleil n'a pas d'influence majeure sur le réchauffement climatique. Conclusion émise par le vice-président du Giec, Jean Jouzel, pour qui "la part du Soleil n'excède pas le dixième de degré de hausse, et ne permet pas d'expliquer le réchauffement actuel".  
    En revanche, l'activité solaire varie selon un cycle de onze ans. Les vents solaires peuvent perturber les émissions terrestres comme les ondes radio. Et, pourquoi pas, entraîner des effets du réchauffement sur l'atmosphère ? Une conclusion que réfute Ismael K. Ortega. Ce chercheur a travaillé sur le projet Cloud. Selon lui, "même sur un cycle complet de l'activité solaire, de 11 ans, nous n'avons observé aucun impact sur la création des nuages. Il ne semble donc pas y avoir de conséquences des cycles solaires sur le climat", affirme-t-il.  
    Le Soleil apparaît donc blanchi des accusations de ces dernières décennies. Tout comme les autres influences astronomiques. Certes, elles ont régenté le climat terrestre par le passé. Mais sans l'homme, leur influence serait restée légère à l'échelle du siècle. Preuve que le réchauffement climatique actuel est né sur Terre, et non de sources extérieures. Il est donc plus que temps d'endosser pleinement notre responsabilité et d'arrêter d'accuser les astres si nous voulons éviter… le désastre.  
   

Une prise de conscience scientifique puis politique

 
1824   Le mathématicien et physicien Joseph Fourier (1768-1830) théorise l'effet de serre, alors qu'il travaille sur l'équilibre thermique des planètes.  
1840   Découverte des périodes de glaciation, notamment par Louis Agassiz (1807-1873), qui décrit le phénomène des moraines dans Études sur les glaciers.  
1842   Joseph-Alfonse Adhémar (1797-1862) suggère que les périodes glaciaires dépendent de la précession des équinoxes, ainsi que de l'excentricité de l'orbite terrestre. C'est la première formulation théorique du forçage astronomique du climat.  
1843   L'astronome amateur Heinrich Schwabe (1789-1875), le premier, émet l'hypothèse d'un cycle de 11 ans dans l'activité solaire. Ce qui sera confirmé par Rudolf Wolf (1816-1893), directeur de l'observatoire de Zurich.  
1885   L'Écossais James Croll (1821-1890) poursuit les travaux d'Agassiz et d'Adhémar. Il suppose, à tort, que c'est l'excentricité qui influe sur les périodes glaciaires. Faute de preuve, sa théorie restera pour longtemps la plus acceptée.  
1887   L'astronome allemand Gustav Spörer explique le "petit âge glaciaire" qu'a connu l'Europe entre 1645 et 1715 par la faible activité du Soleil durant cette période.  
1896   Le chimiste suédois Svante Arrhenius (1859-1927) calcule que le doublement de la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère provoquerait une élévation de la température de 5°C.  
1930   Le Serbe Milutin Milankovitch (1879-1958) lie dans une théorie mathématique solide les périodes du forçage orbital (obliquité, précession, excentricité) aux périodes glaciaires. La validation arrivera après sa mort, dans les années 1970.  
1979   Première conférence mondiale du climat, à Genève. Suite aux premiers constats d'un réchauffement rapide, la nouvelle Organisation météorologique mondiale lance un programme de recherche afin d'étudier la question.  
1990   Le Giec (Groupe intergouvernemental d'experts sur le climat) publie son premier rapport. Il note que les activités humaines renforcent l'effet de serre naturel et produit quatre scénarios de réchauffement pour l'horizon 2100.  
1992   Lors du sommet sur le climat de Rio de Janeiro, une centaine de chefs d'État ratifient la Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques. C'est l'une des premières mesures d'ampleur de lutte contre le réchauffement.  
1997   Le protocole de Kyoto est mis en place. De nombreux pays industrialisés s'engagent à réduire les émissions de gaz à effet de serre. Il prend effet en 2005 et reste l'accord le plus médiatique sur le climat à ce jour.  
2007   Dans son quatrième rapport, le Giec estime que la variabilité solaire n'est responsable en moyenne que de 5% du réchauffement climatique. Notre étoile est définitivement innocentée.  
2012   Vingt ans après la conférence de 1992, l'ambiance est morose au sommet "Rio+20". Les mesures semblent se concentrer sur la 'limitation" du réchauffement, plutôt que sa stabilisation.  
   

Lexique

 
Giec   Le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (Giec] a été créé en 1988. Son objectif est de fournir "des évaluations détaillées de l'état des connaissances sur les changements climatiques, leurs causes, leurs répercussions potentielles et les stratégies de parade".  
Isotopes   Espèces chimiques dont le noyau atomique possède le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons.  
   

Chiffre

 
30%   C'est l'évolution de la puissance solaire depuis 4,5 milliards d'années.  

 

   
   

La météorite qui changea le climat des dinosaures

 
    Comment aborder le rôle des astres sur le climat sans évoquer l'impact céleste qui a creusé le cratère de Chicxulub, au bord du Yucatán (Mexique) ? La chute de cette météorite de plus 10 km de diamètre aurait entraîné la disparition des deux tiers des espèces vivantes, voici 66 millions d'années. Elle aurait en effet déclenché un véritable cataclysme climatique sur une échelle de temps très courte.  
   

Les dinosaures doivent leur disparition à, une cause céleste : l'impact d'une météorite qui dérégla brutalement le climat.

 
    Dès la collision à la vitesse folle de 70'000 km/h, l'air s'échauffe à 30'000°C, et des milliards de tonnes d'eau salée sont projetées dans l'atmosphère. Ces aérosols, comprenant également des cendres issues des roches fondues, vont assombrir le ciel, probablement sur l'ensemble du globe et pour plusieurs mois.  
    Les retombées en pluies acides vont également exterminer une bonne partie de la faune et de la flore. Dans le même temps, la température globale baisse d'une dizaine de degrés en seulement un à deux mois, les rayons solaires étant bloqués par l'épaisse couche de nuages.  
    Il faut bien attendre une année pour que les poussières et les cendres retombent, et que le climat reprenne son cours "normal". Mais le mal est fait, et les dinosaures seront les victimes les plus célèbres die cette catastrophe planétaire. Preuve s'il en est qu'un dérèglement brutal et sur une courte période de temps peut suffire à faire disparaître nombre d'espèces vivantes. Une expérience que nous ferions bien de méditer.  
       
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