Chapitre 8 Les climats passés

L'Homme souhaitent comprendre les phénomènes liés au réchauffement climatique afin de prédire son évolution et ainsi prévoir les conséquences. Pour créer un modèle, il doit donc essayer de trouver des similitudes dans le passé

Quelles sont les traces du climat passés ?



I L'évolution récente du climat
A] L'apport de la glaciologie
TP Étude des carottes de glaces
Utilisation des logiciels Vostok et Paleoclimat
Dossier Les carottes de glaces
Voir le Fichier : TP_1_Dossier_Carotte_de_glaces.rar


Une Verite Qui Derange-Carotte de glace par MrprofSVT

Doc 1 : La carotte de glace au Dome C


Doc 2 : Les gaz dans le glace + logiciel Vostok


Doc 3 : Les calculs de δ 18O à l'heure actuelle


Le δ 18O est un calcul que les scientifiques peuvent faire à partir des isotopes 18O et 16O qui se retrouvent dans la molécule d'eau mais aussi les carbonates. Le δ 18O  exprime donc un enrichissement ou un appauvrissement par rapport à une valeur standard
Plus le  δ 18O est négatif, plus le contenant (eau, glace, nuage...) s'appauvrit. On fait donc une corrélation : plus le δ 18O des eaux est élevé plus les eaux sont chaudes.

Rq : Le 18O est plus lourd que le 16O. Il a donc tendance à être dans les eaux de pluie plutôt que dans les nuages et dans la neige. Il a donc également plus de difficulté à être dans les vapeurs d'évaporation.
18O est également extrêmement minoritaire par rapport à 16O

En période de refroidissement, ou de réchauffement climatique, l'accumulation ou la libération de grandes quantités d'16O par les calottes glaciaires et les glaciers modifie le rapport isotopique 18O/16O des océans (donc des foraminifères) la mesure de ce rapport permet de connaître les climats anciens.
Le rapport de deux isotopes de l'oxygène dans les sédiments océaniques est une mesure du volume global de glace du passé. Le nombre de molécules d'eau formées de l'isotope lourd 18 de l'oxygène est plus faible dans la glace que dans l'eau des océans ; lorsque les couches de glace grossissent, l'eau des océans et les coquilles des organismes marins des sédiments océaniques s'enrichissent en oxygène 18. Plus la concentration en oxygène 18 dans une couche sédimentaire est élevée, plus la quantité de glace était importante lorsque la couche a été déposée, et plus le climat était froid.

Schéma à compléter (après chaque « : » indiqué si les δ 18O et  δ 16O sont élevés/faibles ou si le contenant est enrichi/appauvri



Rq : La courbe de température oscille depuis 800 000 an. La planète à donc connu des stade glaciaires et interglaciaire c'est 800 000 dernières années.

Bilan : Les bulles d'air contenues dans les glaces permettent d'étudier la composition de l'air durant les 800 000 dernières années y compris des polluants d'origine humaine. La composition isotopique des glaces permet de retracer les évolutions climatiques de cette période


B] L'apport des fossiles
TP Palynologie
Voir le Fichier : TP_2_Palynologie.rar

• Dans les périodes les plus anciennes enregistrées dans la tourbière : présence de Poacées et absence d'arbres, ce qui implique un climat très froid (Poacées seules présentes lorsque les arbres sont absents par suite de conditions climatiques très dures).
  
• Le Chêne se développe aux dépens du Pin : le climat devient plus doux (le Chêne craint les gelées de printemps) et plus humide (le Chêne craint les sécheresses prolongées).
  
• Enfin, le Hêtre prend la place du Chêne, ce qui correspond à des températures peu différentes, mais à un milieu encore plus humide (le hêtre craint lui aussi les gelées printanières, mais il demande de l'humidité atmosphérique).
  

• La zone A : La fin de la glaciation rissienne est marquée par une végétation steppique (Poacées, Armoise, Chénopodiacées, Hélianthème), avec de rares arbres (pins, bouleaux).
  
• Au niveau B, se produit un réchauffement qui entraîne l'apparition d'une forêt d'arbres à feuilles caduques se succédant dans un ordre déterminé dans le temps. L'optimum climatique se situe avant l'apparition des conifères. Le climat s'est alors à nouveau refroidi . Au niveau C l'armoise refait son apparition tandis que les espèces arborescentes ont fortement régressé.
  

Ce cycle climatique - réchauffement, refroidissement - s'est répété deux fois au cours du pré-Wurm. On notera la présence du hêtre autour du niveau - 33m.

L'Eémien correspond à un interglaciaire. Le refroidissement qui lui a succédé n'a donc été ni brutal ni continu : il a été au contraire marqué par des oscillations qui aboutissent finalement au froid intense du Wurm.
L'état final de la végétation de cette séquence correspond au froid maximum : c'est le pléniglaciaire wurmien.

Conclusion : la palynologie (l'étude du pollen) permet de déterminé les différents biomes passés et par principe d'actualisme de déterminer le climat passé. Selon la profondeur de la tourbière, on peut remonter à plusieurs centaines de milliers d'années. Cependant la propagation du pollen reste assez locale (quelques dizaines de kilomètres maximum).



Pour élargir à une détermination plus globale du climat, des scientifiques ont lancé le programme 6000 Biomes qui consistent à répéter l'étude du pollen à différents endroits du globe.

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On peut également, pour déterminer de manière globale l'évolution du climat, utiliser des fossiles qui ont une répartition plus large dans l'espace et le temps. Les Foraminifères sont des animaux unicellulaires très abondants dans les sédiments marins depuis  le début de l’ère primaire.
Certaines espèces aiment des eaux froides et d'autres des eaux chaudes. En faisant des carottages dans les fonds marins, on peut déterminer les conditions climatiques passées.

Bilan : L'étude des fossiles à travers la palynologie et l’étude des foraminifères sont d'autres indices qui permettent de retracer les évolutions climatiques passées.

II L'évolution anciennes du climat : exemple du crétacé
TP Indice stomatique
Voir le Fichier : TP_3_Dossier_et_indice_stomatique.rar




On constate qu'il y a une relation entre la présence des stomates et la concentration en CO2 de l'air. Plus le taux de CO2 est élevé, plus l'indice stomatique est faible. On peut voir qu'au Crétacé l'indice stomatique a été l'un des plus faibles de ces 300 derniers millions d'années. On peut donc supposer que le taux de CO2 devait être très élevé

TP Indice sédimentologie : Carbonate (manip) et autres roches
Voir le Fichier : TP_4_Dossier_et_Carbonates.rar




On constate que l'on retrouve les 3 gisements au 4 coins du globe. Pourtant la bauxite, le charbon et les évaporites se forment dans des climats très chauds, humides (bauxite et charbon) ou secs (évaporites)



Le crétacé est la période de la craie. Il s’agit d'une roche sédimentaire composée de tests calcaires d'algues microscopiques, les Coccolithophoridées. La falaise d'Etretat, haute de 100 m en moyenne, témoigne de l'impressionnante accumulation de dépôt calcaire.
D'après l'expérience, on peut voir que le dépôt de calcaire est lié à la concentration en CO2 du milieu à travers l'équation : CaCO3 + CO2 + H2O → Ca2+ + HCO3-

Bilan : Sur les grandes durées (par exemple pendant le dernier milliard d'années), les traces de variations climatiques importantes sont enregistrées dans les roches sédimentaires. Des conditions climatiques très éloignées de celles de l'époque actuelle ont existé.

III L'atmosphère initiale et son évolution
TP Atmosphère primitive et Fe
Voir le Fichier : TP_5_Dossier_atmo_primitive_et_Fe.rar

A] L'Hadéen et l'histoire du CO2





Les roches les plus âgées que l'on peut trouver à la surface de la Terre date de -4Ga (Archéen). C'est donc la chimie qui nous permet de déterminer la composition de l'atmosphère primitive (Hadéen). Si quelques gaz de la nébuleuse protosolaire ont pu être capturé, c'est une très faible contribution à l'élaboration de l'atmosphère primitive (Doc 1). C'est surtout le dégazage de la Terre qui a permis de stabiliser,dès -4,3 Ga, une atmosphère primitive (Doc 2 et 3). Le bombardement post-accrétion de la Terre par des chondrites carbonées, à l’origine du stock terrestre d’eau, a permis d’enrichir l’atmosphère en certains éléments volatils.

Rq : Il existe 2 types de météorites : à enstatite formées dans des conditions plus réductrices et les carbonées formées dans des conditions plus oxydatives. Selon le taux de météorites à enstatites ou carbonées qui ont bombardés la Terre, l'atmosphère primitive de l'Hadéen pouvait être totalement différente. N'ayant pas d'archives géologiques, les scientifiques utilisent un recoupement d'informations. On penche actuellement pour une atmosphère plutôt neutre à oxydante.

Rq : L'apparition précoce d'océan durant l'Hadéen (dès 150 Ma après la formation de la Terre) indique un effet de serre important pour amener une température suffisante à la surface de la Terre là où les rayonnements solaires étaient inférieurs à l'actuel. Les zircons sont des minéraux extrêmement résistants, certains zircons australiens sont les plus vieux minéraux datés par radiochronologie : – 4,3 à – 4,4 Ga. Leur richesse en 18O suggère une interaction entre manteau et eau de mer. L’eau liquide se serait alors mise en place sur Terre formant un océan primordial dès l’Hadéen … mais peut-être vaporisé plusieurs fois par le bombardement externe encore intense. Si il y a de l'eau liquide, il a y a sédimentation des carbonates qui après recyclage de la croûte océanique, vont se retrouver dans l'atmosphère sous forme de CO2. On a donc mise en plcae d'une atmosphère non réductrice, très dense (60 bars contre 0,3 actuellement) et riche en CO2 et H2O.




A partir de l'Archéen, des indices géologiques (présence de roches sédimentaires, des traces de glaciations...) indiquent une diminution de la concentration atmosphérique en CO2. Cela pourrait être dû par la formation de carbonates de moins en moins recyclés du fait du ralentissement de l'activité interne, d'une diminution du bombardement et enfin, peut être dû à la consommation de CO2 par les êtres photosynthétiques.

B] L'Archéen et l'histoire du O2



En présence d'O2 le Fe s'oxyde et prend une couleur rouille caractéristique.




Il semble avoir un changement important autour de -2,2 Ga. En effet, les paléosols sont pauvres en Fe suite au lessivage par les eaux et le Fe se retrouve dans les océans. Cela montre qu'il n'y a pas de O2 dans l'atmosphère sinon le Fe ne pourrait pas être transporté dans les eaux douces. Il précipiterait dans le sol et non en mer (les fers rubanés (ou formations ferrifères rubanées, banded iron formation ou BIFs)). Cela montre également qu'il y a bien du O2 en mer ce qui fait précipité le Fe.

Rq : il existe d'autres indices : pyrite dans les poudingues (formation détritique marine) mais la pyrite est instable en milieu oxydant. Dans certains paléosols archéens, on trouve de l’uraninite UO2. Or, celle si est instable en présence d’O2 libre, elle est oxydée en UO3, soluble dans l’eau.



On a trouvé des roches d'origine biologique datant de -3,5 Ga : les stromatolites. A l'origine de ces formations, des Cyanobactéries. Par principe d'actualisme, on peut dire que ces bactéries sont photosynthétiques et par conséquent, elles utilisent le CO2 pour produire leur matière organique tout en rejetant du O2. En prélevant le CO2, elle entraîne la précipitation de calcaire autour d'elle.



L'effet de serre a pu être assez important à l'Hadéen grâce à la présence de CO2 mais aussi de CH4 d'origine biologique. On a retrouvé ce qui semble être des bactéries anaérobies dans des roches. La présence de dioxygène, toxique pour ces bactéries, a contribué à leur disparition, diminuant ainsi la quantité de CH4 et donc l'effet de serre entraînant la 1ère glaciation il y a -2,3 Ga

Bilan :



L'atmosphère initiale de la Terre était différente de l'atmosphère actuelle. Sa transformation est la conséquence, notamment, du développement de la vie. L'histoire de cette transformation se trouve inscrite dans les roches, en particulier celles qui sont sédimentaires.