Théorie astronomique des paléoclimats - Définition

Introduction

La théorie astronomique des paléoclimats est un modèle utilisé en sciences de la Terre pour expliquer le caractère cyclique des variations générales du climat au cours des temps géologiques. Cette théorie explique que l'énergie radiative reçue par la Terre en provenance de l'espace — essentiellement par le Soleil — est quantitativement affectée de variations à long terme, corrélées à celles de son orbite et de ses paramètres de rotation. Ces variations sont en outre périodiques et influencent le climat selon un motif cyclique (alternance de périodes glaciaires et interglaciaires, notamment). Il est possible d'en retrouver une trace dans les roches sédimentaires. La théorie astronomique des paléoclimats est l'explication classique des phénomènes de (dé)glaciation au Quaternaire, mais trouve également des applications pour des périodes plus anciennes de l'échelle des temps géologiques.

Éléments généraux — Cas de la Terre

Le climat terrestre est largement influencé par l'intensité de l'insolation en provenance de l'espace, intensité mesurée comme un flux énergétique (W.m ^{− 2}). Pour l'homme, qui réside sur Terre, l'insolation connaît des variations en fonction des saisons (cycles annuels, entre été et hiver), mais aussi en fonction de la latitude (gradient de température des pôles à l'équateur). La théorie astronomique des paléoclimats stipule qu'il existe un forçage astronomique de ces variations sur le très long terme, en raison d'évolutions cycliques ou quasi-cycliques de la configuration des corps célestes — les objets concernés étant principalement le Soleil, la Terre et les planètes géantes.

Les principaux paramètres influençant l'insolation de la Terre et responsables de ce forçage du climat sont :

• l'excentricité de l'orbite terrestre ;
• l'inclinaison de l'axe de rotation de la planète ;
• la précession climatique.

Ces paramètres connaissent des évolutions à caractère périodique : on parle de cycles de Milankovitch. À une configuration astronomique donnée correspond un niveau d'insolation donné, c'est-à-dire un flux énergétique dont la valeur est modifiée par des rétroactions, positives ou négatives, prenant place à l'intérieur du système climatique terrestre (en particulier, du fait des interactions entre atmosphère et hydrosphère : albédo terrestre, action des gaz à effet de serre, absorption par les nuages, réflexion par la végétation, etc.)

Ces rétroactions sont à l'origine de tendances climatiques (au refroidissement ou au réchauffement) dont le signal est notamment enregistré dans les sédiments, au travers d'indicateurs climatiques. De ce fait, la théorie du forçage astronomique des paléoclimats est à la base de la cyclostratigraphie et intervient également en climatologie. Initialement développée pour apporter une réponse quantitative aux problèmes des alternances glaciaires-interglaciaires au Quaternaire, elle tend à être généralisée pour les temps plus anciens néanmoins accessibles à travers un enregistrement stratigraphique complet, i.e. jusqu'à la limite avec le Précambrien. Les difficultés rencontrées sont de plusieurs types : l'absence de séries sédimentaires sur lesquelles travailler ; la nécessité de dissocier ce qui est de l'ordre du forçage astronomique, des rétroactions, et ce dans des contextes climatiques différents de l'actuel (atmosphère réductrice, etc. donc rétroactions éventuelles différentes) ; l'imprécision et l'incertitude sur les valeurs des périodes des paramètres de Milankovitch au-delà de quelques dizaines de millions d'années (évolution chaotique du système solaire).

Il n'y a de fait pas de consensus sur l'application de la théorie astronomique des paléoclimats au-delà d'une limite qui correspond grosso modo au Tertiaire. Il est possible que pour les temps plus anciens, le climat ait été paramétré à la fois par un contrôle orbital (l'insolation a toujours varié puisque les planètes et le Soleil ont toujours été mobiles en termes relatifs et absolus), mais aussi par la tectonique (répartition des masses continentales, des courants océaniques...).

En accord avec la théorie d'un forçage astronomique du climat, des modèles climatiques sont proposés afin d'étudier les interactions entre ce forçage et les rétroactions. Contrairement aux premières hypothèses, l'évolution climatique sous contrôle orbital n'est pas progressive, mais connaît des phases de transition plus ou moins abrupte. L'interaction de différents mécanismes régulateurs ou amplificateurs semblent engendrer un comportement de « seuils. » À ces premiers éléments de complexité s'ajoutent la multiplication des facteurs à prendre en compte pour affiner les modèles, de petites variations pouvant résulter en de grandes variations à ne pas négliger, du fait des rétroactions.