Étude des variations climatiques aux grandes échelles de temps
Étude des variations climatiques aux grandes échelles de temps
Pour des échelles de temps qui s’échelonnent au-delà du million d’années, on a peu d’archives directes du type calottes de glace, bulles d’air dans la glace ou pollens conservés par exemple. On essaie donc d’utiliser d’autres outils pour reconstituer les climats passés, lointains. Ces outils font appel à l’étude des roches et on recherche s’il y a des traces d’êtres vivants ou de modifications particulières climatiques.
I. Les outils
A. Les fossiles
On utilise d’abord les fossiles, notamment les fossiles de flore. On peut prendre en exemple les fougères arborescentes, très grandes fougères qui ont existé notamment pendant la période Carbonifère il y a 300 millions d’années. La présence de ces fougères atteste d’une végétation luxuriante, qui nécessitait beaucoup d’eau et donc renseigne sur un climat de type équatorial et humide.
Un autre exemple qui utilise les indices de flore est l’indice stomatique. Les stomates sont les petites cellules qui se trouvent sur l’épiderme inférieur des feuilles d’arbres et qui leur permettent les échanges gazeux (approvisionnement en dioxyde de carbone et libération d’oxygène). L’indice stomatique est le pourcentage de stomates que l’on trouve sur l’épiderme inférieur d’une feuille par rapport au nombre total de cellules sur cette feuille. On a démontré que pour un certain nombre de plantes, plus la quantité de dioxyde de carbone atmosphérique augmente, plus l’indice stomatique est faible. Il y a une difficulté moindre pour la plante à s’approvisionner en dioxyde de carbone. Par exemple, le ginkgo biloba est présent sur Terre depuis 260 millions d’années. En étudiant son indice stomatique tout au long de cette période, on peut reconstituer le contenu de l’atmosphère en dioxyde de carbone et obtenir des renseignements sur le climat.
On peut aussi utiliser les fossiles de faune. Par exemple, les récifs coralliens, lorsqu’ils sont présents, renseignent sur un climat plutôt chaud puisque les coraux constituent leur squelette carbonaté dans les eaux chaudes et peu profondes type eau équatoriale ou tropicale.
L’ensemble de ces outils s’appuient sur l’utilisation du principe d’actualisme qui dit que les phénomènes physico-chimiques qui régissaient la création des roches par le passé sont toujours les mêmes et sont maintenus aujourd’hui. Pour reprendre l’exemple du récif corallien, si les coraux se forment aujourd’hui dans les régions chaudes et dans les mers peu profondes, on considère que c’était la même chose par le passé.
B. Les roches sédimentaires
Le deuxième outil utilisé ne fait plus appel aux êtres vivants ni aux restes de ces êtres vivants mais aux roches sédimentaires. Plusieurs exemples peuvent être utilisés.
D’abord, les latérites et les bauxites sont des exemples de roches de type argile, roches rouges riches en fer et en aluminium, elles témoignent d’un climat chaud.
Les débris glacières et les moraines sont typiques de certaines régions du monde à certaines époques. Enfin, on travaille aussi sur l’importance de la sédimentation carbonatée puisque plus il fait chaud, plus la sédimentation carbonatée (c’est-à-dire la formation de roches carbonatées au fond des eaux océaniques) est importante.
II. Les causes
Avec ces différents outils et en s’appuyant sur le principe d’actualisme, on peut donc reconstituer des paléoclimats (des climats du passé à de très grandes échelles de temps, d’un million d’années à plusieurs milliards d’années). On peut aussi étudier les causes de ces variations paléoclimatiques.
Le facteur majeur qui a fait évoluer les climats au cours du temps dans l’histoire de la Terre est le contenu en dioxyde de carbone de l’atmosphère. Le dioxyde de carbone est un des principaux gaz à effet de serre donc plus il est présent, plus la température atmosphérique augmente. Actuellement, l’homme est un des acteurs majeurs de la variation du dioxyde de carbone de l’atmosphère mais par le passé, c’est le volcanisme qui influençait la teneur atmosphérique en dioxyde de carbone. En effet, lors des grandes éruptions volcaniques, un très grand nombre de gaz et de poussière sont rejetés dans l’atmosphère, dont une quantité particulièrement importante de dioxyde de carbone. Dans les périodes de fort volcanisme, on avait beaucoup de dioxyde de carbone rejeté donc un climat mondial qui avait tendance à se réchauffer.
Enfin, la dynamique lithosphérique globale correspond au mouvement des plaques lithosphériques à la surface de la Terre. Les différents continents et leur position actuelle n’ont pas été les mêmes depuis la formation de la Terre. Il y a eu notamment l’existence d’un très grand continent unique, la Pangée, il y a 250 millions d’années. La dynamique lithosphérique globale décrit les mouvements, la fracturation et le déplacement de continents les uns par rapport aux autres. En réalité, la dynamique lithosphérique globale correspond à l’activité des dorsales océaniques qui, lorsqu’elles fonctionnent, permettent l’éloignement de deux plaques de deux continents l’un par rapport à l’autre. Cette dynamique lithosphérique globale repose donc elle aussi sur du volcanisme, et en modifiant la position des continents les uns par rapport aux autres, elle les déplace aussi par rapport à l’équateur et par rapport aux pôles.
Concernant la sédimentation carbonatée, dans les périodes de fort volcanisme avec beaucoup de dioxyde de carbone dans l’atmosphère on a donc une augmentation de la température. Au niveau des continents, on a des eaux plus acides car il y a plus de dioxyde de carbone dissous et des eaux plus chaudes à cause de cet effet de serre important. Or, les eaux acides et chaudes favorisent l’altération de roches continentales qui donnent naissance à des débris et à des ions qui sont transportés et qui participent à la sédimentation carbonatée. Autrement dit, plus il fait chaud, plus il y a d’altération de roches en domaine continental, de transport des sédiments vers le domaine océanique et de formation par sédimentation de roche de nature carbonatée.
Le Crétacé : une période chaude dans l'histoire de la Terre
Le Crétacé correspond à la fin de l’ère secondaire c’est-à-dire qu’il s’étend de -135 millions d’années à -65 millions d’années. Il s’est soldé par une crise biologique et géologique majeure qui correspond à la fin des dinosaures sur les continents. Pour reconstruire le climat au Crétacé, on utilise les indices classiques comme les informations apportées par les fossiles et par les roches sédimentaires. Ces informations ont été recueillies un peu partout dans le monde et sont visibles sur cette carte.
I. Le climat du Crétacé
Concernant la flore, on remarque qu’il y avait une végétation luxuriante, c’était l’époque où il existait de nombreuses plantes à fleurs. Cette végétation luxuriante a donné naissance à des roches de type charbon que l’on retrouve un peu partout sur le globe. Cela témoigne d’un climat équatorial. On retrouve ce charbon dans des régions aujourd’hui proches du Pôle Nord, au nord de l’Amérique du Nord ou de l’Europe. L’indice stomatique des plantes était relativement faible ce qui témoigne d’une concentration forte de dioxyde de carbone dans l’atmosphère (5 fois supérieure à la concentration actuelle).
Concernant la faune, les dinosaures étaient présents à toutes les latitudes sur la Terre. On a retrouvé des squelettes de crocodiles jusque dans des régions proches de la Sibérie. Des coraux se formaient à des latitudes fortes ce qui indique qu’à ces latitudes régnait un climat équatorial avec un niveau de la mer peu profond et une eau chaude.
Concernant les roches sédimentaires, on trouve des roches latéritiques et de la bauxite, c’est-à-dire des roches rouges riches en aluminium et en fer, qui témoignent d’un climat tropical. On trouve également des évaporites, notamment en Amérique du Sud, qui sont le témoin d’un climat aride.
Enfin, il y a une accumulation très importante de roches carbonatées, donc une forte sédimentation calcaire. On retrouve cela aux falaises d’Étretat par exemple. À cette époque, on trouvait un niveau océanique très élevé, de 200 à 300 m plus élevé que le niveau océanique actuel. On parle donc de transgression, c’est-à-dire de période d’élévation du niveau marin.
L’ensemble de ces indices retrouvés partout dans le monde ont permis de reconstituer le climat du Crétacé, qui était un climat très chaud, plus chaud qu’aujourd’hui étant donné que la température moyenne terrestre était supérieure à 18°C alors qu’aujourd’hui la température moyenne est d’environ 15°C. Ce climat chaud était plus ou moins aride, plus ou moins humide en fonction des zones.
II. Les causes
On peut également analyser les causes de ce climat particulièrement chaud au Crétacé. Le facteur majeur est l’activité magmatique très intense qui a permis la suite du morcellement de la Pangée. Ce morcellement avait été amorcé dans les périodes précédentes notamment au Jurassique. La Pangée a continué à se découper en plus petits continents au cours du Crétacé. Or, c’est par le fonctionnement d’un certain nombre de volcans et de dorsales océaniques que la Pangée a pu se morceler. Les dorsales océaniques en fonctionnant ont créé du plancher océanique et ont permis aux continents de s’éloigner les uns des autres. Le morcellement de la Pangée a déclenché le fonctionnement de nombreux points chauds, qui sont des volcans particuliers et isolés à la surface du globe. Ils ont donné naissance à des accumulations de roches volcaniques que l’on retrouve un peu partout dans le monde et qui datent de l’époque du Crétacé. L’activité magmatique classique et l’activité des points chauds ont donné naissance à des millions de kilomètres cubes de roche magmatique chaque année au cours du Crétacé.
Enfin, la forte activité des dorsales en création de plancher océanique est accompagnée d’une augmentation du volume de ces dorsales. En effet, plus une dorsale est active (c’est-à-dire qu’elle produit du plancher basaltique), plus le volume qu’elle occupe est important. Or, si la dorsale occupe un volume plus important, alors cela déclenche une élévation du niveau de la mer qui se répartit sur le bord des continents en plus du volume océanique classique.
Il y a donc eu un réchauffement dû à une activité magmatique très importante accompagnée d’une augmentation du volume des dorsales qui a fait augmenter le niveau de la mer, ce qui explique que les océans atteignaient des niveaux de 200 à 300 m supérieur au niveau actuel.