Comprendre les causes de variations climatiques passées à l’aide du logiciel de simulation SimClimat

Capture d’écran depuis un iPhone

Un travail inspiré des travaux de Camille Risi et Mathilde Tricoire

Les climatosceptiques s’appuient sur des variations naturelles des climats pour nier le rôle de l’Homme dans le réchauffement climatique actuel. Bien connaitre les causes naturelles de variation du climat permet donc de souligner le rôle de l’Homme dans le réchauffement actuel.

Plan du TP:

Activité 1 : identifier les mécanismes de la variabilité glaciaire-interglaciaire

  • Étape 1: mise en évidence du rôle des paramètres orbitaux
  • Étape 2: Mise en évidence du rôle de l’insolation dans les régions polaires en été
  • Étape 3: pourquoi la concentration en CO2 diminue-t-elle en période glaciaire?

Activité 2: identifier les facteurs contrôlant les variations climatiques aux échelles de temps géologiques

  • Etape 1: Pourquoi la température était-elle plus froide au permo-carbonifère ?
  • Etape 2 : Pourquoi la température était-elle plus chaude à la fin Crétacé ?
  • Etape 3 : Pourquoi la température diminue-t-elle au tertiaire ?

Activité 1 : identifier les mécanismes de la variabilité glaciaire-interglaciaire

Le logiciel SimClimat permet d’expliquer comment les variations des paramètres orbitaux induisent des variations de la température globale, et permet de mettre en évidence les rôles cruciaux des rétroactions de l’albédo des glaces et de la solubilité de l’océan

Constat

Capture d’écran 2020-12-11 à 09

La figure 1 montre l’évolution de la température en Antarctique reconstruite à partir de la composition isotopique de la glace issue d’un forage à Vostok. 

On y voit une forte variabilité de la température, avec des périodes chaudes tous les 100 000 ans, appelées interglaciaires, entrecoupées de périodes plus froides (d’environ 10°C), appelées périodes glaciaires (Masson-Delmotte et al 2002, 2015).

Depuis 10 000 ans, nous sommes en période interglaciaire. 

Le dernier maximum glaciaire était il y a 21 000 ans. 

Des reconstitutions de températures dans d’autres régions du monde, combinées à des archives sédimentaires, montrent qu’au dernier maximum glaciaire, la température globale était 5°C plus basse, une calotte polaire recouvrait toute l’Europe du Nord, et le niveau de la mer était 130 m plus bas. 

Problème posé:

  • Comment peut-on expliquer ces variations glaciaires-interglaciaires de température ? 

Nous proposons ici une démarche en trois étapes pour comprendre ces mécanismes.

Étape 1: mise en évidence du rôle des paramètres orbitaux

Hypothèse:

Les échelles de temps des variations de température au cours des variations glaciaires-interglaciaires sont du même ordre de grandeur que celles des paramètres orbitaux : 

  • obliquité de l’axe de rotation de la Terre (variation d’environ 40 000 ans), 
  • précession des équinoxes (variation d’environ 20 000 ans), 
  • excentricité de l’orbite de la Terre (variation d’environ 400 000 ans). 

On propose donc l’hypothèse que des variations des paramètres orbitaux peuvent conduire à des variations de température cohérente avec celles observées lors des cycles glaciaire-interglaciaires (environ 5°C).

Expérience témoin:

On réalise une simulation de 100 000 ans partant du monde pré-industriel, tous les paramètres étant laissés à leur valeurs par défaut. Une simulation suffisamment longue est nécessaire pour que les calottes de glace aient le temps de s’équilibrer. 

On voit que la température reste bien constante à une valeur cohérente avec la température globale observée.

Expérience test:

On réalise une simulation identique à celle de contrôle, mais en mettant l’obliquité à sa valeur minimale.

Résultats

Conclusion:

Étape 2: Mise en évidence du rôle de l’insolation dans les régions polaires en été

Constat:

Quand on modifie les paramètres orbitaux, on ne modifie pas l’énergie solaire reçue en moyenne sur la Terre sur une année. Les paramètres orbitaux ne font que modifier la distribution de l’énergie reçue en fonction de la latitude et de la saison.

Problème posé:

Comment alors expliquer que les paramètres orbitaux peuvent modifier la tem-pérature globale?

Hypothèse:

En agissant sur l’énergie reçue dans les régions polaires en été, les paramètres orbitaux agissent sur la fonte des calottes polaires. Or la glace réfléchit le rayonne-ment solaire. 

On appelle albédo la fraction du rayonnement solaire qui est réfléchit par la Terre. 

Plus l’étendue des calottes est grande, plus l’albédo est grand, plus le rayonnement solaire est réfléchi vers l’espace et donc plus la Terre est froide. 

On propose l’hypothèse que les paramètres orbitaux agissent sur l’étendue des calottes polaires, donc sur l’albédo de la planète et donc sur la température. 

Expérience témoin:

On utilise l’expérience précédente de 100 000 ans avec l’obliquité minimale. 

La température diminue bien comme si on entrait dans une nouvelle ère glaciaire.

Expérience test:

On réalise une simulation identique à celle de contrôle, mais en désactivant la rétroaction de l’albédo, c’est-à-dire en fixant l’albédo constant

Résultats

Conclusion:

 Étape 3: pourquoi la concentration en CO2 diminue-t-elle en période glaciaire?

Constat

Les bulles d’air emprisonnées dans les glaces indiquent que les variations de la concentration en CO2 varient de concert avec la température lors des variations glaciaires-interglaciaires (figure 1, bleu). 

Quand la température diminue, la concentration en CO2 diminue.

Au dernier maximum glaciaire, la concentration en CO2 était 100 ppm plus faible pour une température globale 5°C plus faible.

Problème posé

Comment expliquer cette diminution de la concentration en CO2 ?

Hypothèse

Quand les océans sont plus froids, le CO2 s’y solubilise plus facilement. 

Pour introduire cette idée, on peut présenter un document sur la solubilité du CO2 en fonction de la température, ou réaliser une petite expérience mettant en évidence la dissolution du CO2 en fonction de la température

Expérience témoin

L’expérience précédente de 100 000 ans avec l’obliquité minimale (figure 2, bleu). 

On voit que la concentration en CO2 simulée par SimClimat diminue de concert avec la température, jusqu’à des valeurs du même ordre de grandeur que celles observées au dernier maximum glaciaire. 

Expérience de test

On réalise une simulation identique à celle de contrôle, mais en maintenant la solubilité du CO2 constante quelque soit la température 

Activité 2: identifier les facteurs contrôlant les variations climatiques aux échelles de temps géologiques 

Comme la circulation océanique n’est pas représentée, SimClimat ne permet pas d’aborder le point de “savoirs” suivant :« La variation de la position des continents a modifié la circulation océanique ».

Constat:

La figure 1 montre l’évolution du δ18O des carbonates océaniques depuis 500 millions d’années. 

Le δ18O des carbonates permet de reconstituer la masse des calottes glaciaires : comme la glace des calottes a un δ18O appauvri, plus de l’eau est stockée dans les calottes, plus l’eau résiduelle dans les océans est enrichie, et donc plus les carbonates formés sont enrichis. 

On observe une alternance de phases chaudes (sans calottes) et de glaciations (avec calottes). 

La température globale de la Terre a donc fortement varié au cours du phanérozoique

Capture d’écran 2020-12-16 à 18

Figure 1 : Evolution du δ18O des carbonates océaniques au cours depuis 500 millions d’années. Figure prise sur Wikipedia (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Phanerozoic_Climate_Change.png) et adaptée d’après Veizer et al. (1999). Attention à l’échelle inversée sur l’axe des ordonnées !

Problème posé:

Comment expliquer les variations de la température globale de la planète aux échelles de temps géologiques ?

Pour préciser la question, nous allons nous intéresser à trois périodes particulières : la glaciation permo-carbonifère, la période chaude du Crétacé, et le refroidissement tertiaire entraînant la glaciation quaternaire. 

La démarche scientifique se poursuit pour chacune de ces périodes.

Etape 1: Pourquoi la température était-elle plus froide au Permo-Carbonifère ?

Hypothèse:

La plupart des gisements de charbon datent du carbonifère. 

Le charbon est formé à partir de restes d’êtres vivants qui ont au préalable assimilé le carbone du CO2 de l’atmosphère. 

Ceci constitue donc un stockage biologique de carbone. 

Quand ce stockage existe, on peut imaginer que la concentration en CO2 diminue. 

Ceci serait cohérent avec l’évolution de la concentration en CO2 depuis 500 millions d’années reconstituée d’après différents modèles biogéochimiques (figure 2 ci-dessous). 

Les reconstitutions sont assez différentes entre elles, ce qui reflète les incertitudes fortes associées à ces reconstitutions, mais à la fin du Carbonifère et au permien, toutes s’accordent sur des concentrations en CO2faibles.

On s’attend à ce qu’une faible concentration en CO2 entraîne une diminution de la température par réduction de l’effet de serre.

Capture d’écran 2020-12-16 à 18

 Figure 2 : Evolution de la concentration en CO2 depuis 500 millions d’années reconstituée d’après dif-férents modèles bio-géochimiques. Figure adaptée d’après une figure prise depuis Wikipedia (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Phanerozoic_Carbon_Dioxide.png) et préparée par R. A. Rohde.

Expérience témoin:

On lance une simulation préindustrielle d’un million d’années, sans changer aucun paramètre. 

Expérience test:

On superpose une simulation dans laquelle on active le stockage biologique, avec un taux de séquestration du carbone de 0,0014 Gt/ppm/an cohérent avec les modèles biogéochimiques pour le Carbonifère (Berner 2003)

Résultats:

Conclusion:

Etape 2 : Pourquoi la température était-elle plus chaude à la fin Crétacé ?

Hypothèse:

La figure 2 montre un maximum local de concentration en CO2 au Crétacé. 

Au Crétacé, l’activité des dorsales était maximale. Or l’activité des dorsales libère du CO2. 

On propose donc comme hypothèse que la forte activité des dorsales a entraîné une augmentation du CO2 et donc, par effet de serre, de la température.

Expérience témoin:

La même que précédemment 

Expérience test

On superpose une simulation dans laquelle on double les émissions de CO2 par volcanisme et activités des dorsales. 

Il est actuellement d’environ 0,08 Gt/an, on le met à 0,2 Gt/an.

Résultats: 

Conclusion:

 Etape 3: Pourquoi la température diminue-t-elle au tertiaire ?

Hypothèse:

On constate que la diminution de température au tertiaire (figure 1) est concomitante de la diminution de la concentration en CO2 (figure 2). 

Au Cénozoique, la paléogéographie mondiale est bouleversée par la fermeture de la Thétis entraînant la formation de la chaîne de collision alpine (Alpes, Himalaya). 

Dans les montagnes, les roches sont mises à l’affleurement et sont donc plus facilement érodables et alté-rables. 

Or l’altération des roches consomme du CO2. 

On propose donc l’hypothèse que l’amplification de l’altération continentale entraîne une baisse de la concentration en CO2 et donc de la température.

Expérience témoin:

La même que précédemment.

Expérience test:

On superpose une simulation dans laquelle on double le taux de consommation du CO2 par altération continentale.

Résultats: 

Conclusion:

T_spe__SVT_TP_simclimats_corrections

Simulation_avec_SimClimat_corrections 

Votre commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l’aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion /  Changer )

Photo Google

Vous commentez à l’aide de votre compte Google. Déconnexion /  Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l’aide de votre compte Twitter. Déconnexion /  Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l’aide de votre compte Facebook. Déconnexion /  Changer )

Connexion à %s