Climat : Les cycles de Milankovitch

Suite du billet sur les cycles solaires longs. L’index général de la série de billets sur le réchauffement climatique est disponible ici

Les cycles de Milankovitch, ou « cycles de glaciation »

La Terre est âgée de 4,5 milliards d’années, et tout porte à croire que son climat a beaucoup changé au cours de son existence. On sait par exemple qu’il y a 750 millions d’années, notre planète était totalement recouverte de glace des pôles à l’équateur ! C’est ce qu’on appelle la glaciation Varanger.

Au 19ème siècle, pour expliquer la présence de blocs erratiques loin des glaciers de montagnes, le climatologue suisse Louis Agassiz formula sa théorie des glaciations. Il émettait donc l’idée que le climat, sur Terre, n’avait pas toujours été comme aujourd’hui. Cependant, une fois sa théorie vérifiée, il a fallu expliquer l’origine de ces changements climatiques qui ont lieu depuis la formation de la Terre.

La clef du mystère a été découverte en 1941 par le météorologue serbe Milutin Milankovitch : il a mis en évidence trois cycles de variations des paramètres orbitaux de la Terre. Après avoir été « oubliée » pendant une trentaine d’années, cette théorie, appelée théorie astronomique des climats, ou théorie des cycles de Milankovitch, a pu être confirmée par le forages glaciaires ayant permis de mieux connaitre le climat du dernier million d’années. Elle été reprise et consolidée par le mathématicien et astronome belge André Berger en 1988.

Rappelons que dans l’histoire du climat, il y a deux périodes qui se répètent à des intervalles plus ou moins réguliers :

• une période glaciaire qui dure dans son ensemble 100 000 ans
• une période interglaciaire qui dure 10 000 ans

Les refroidissements se font lentement alors que les réchauffements se font plus brutalement. Il y a 21 000 ans les calottes de glaces étaient plus importantes, et recouvraient le nord de l’Europe et de l’Amérique : c’était alors le dernier maximum glaciaire, et nous sommes actuellement dans une période chaude dite interglaciaire.

1^er cycle : L’excentricité de l’orbite terrestre « E » : « La Terre est un yoyo »

La première cause de variation vient du fait que la Terre ne décrit pas autour du Soleil une orbite parfaitement circulaire, mais très légèrement elliptique en raison de l’attraction du Soleil. Toutefois l’attraction gravitationnelle de chacune des 8 autres planètes tend à faire varier légèrement l’excentricité de la Terre au cours du temps, et donc à déformer cette ellipse.

Le degré d’ellipticité de la trajectoire se mesure par une quantité géométrique appelée excentricité. Pour une trajectoire circulaire, l’excentricité vaut 0, pour une trajectoire très elliptique, elle est proche de 1.

L’excentricité de l’orbite terrestre est actuellement très faible, de l’ordre de 0,017 ; les perturbations planétaires entrainent des variations très lentes de celle-ci entre ~ 0 (excentricité nulle=cercle) et 0,06 (ellipse légèrement aplatie). Ceci n’est pas grand-chose mais cela change légèrement la distance entre la Terre et le Soleil aux différentes saisons pour les deux hémisphères : plus l’excentricité est grande, plus les saisons sont contrastée (hiver rigoureux et été chaud).

La principale composante de cette variation fluctue sur une période de 400 000 ans. D’autres composants de cette variation fluctuent sur des périodes entre 95 000 et 125 000 ans :

2^e cycle : L’obliquité de l’orbite terrestre « T » : « La Terre est un balancier »

Comme vous le savez certainement, l’axe de rotation de la Terre sur elle-même n’est pas perpendiculaire au plan de l’orbite autour du Soleil mais incliné. Cette inclinaison (Tilt en anglais) est la cause de l’existence des saisons.

Si l’axe de rotation de la Terre semble immuable, il n’en est rien. Bien qu’il soit actuellement incliné de 23,5° par rapport à la normale à l’écliptique, cette obliquité varie de façon limitée de 21,5° à 24,5° selon un cycle de 41 000 ans (elle est en moyenne de 23,3°, autrement dit proche de la valeur actuelle). Tout comme le cycle précédent, celui-ci influe également sur le contraste qui existe entre les saisons : lorsque l’angle augmente (axe plus incliné), l’hémisphère Nord est plus froid en hiver et plus chaud en été, car il est alors plus proche du Soleil.

La variation d’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre est liée à l’attraction gravitationnelle de la Lune et des autres planètes. La Lune tend cependant à stabiliser ces variations. En effet, sans notre satellite, celles-ci seraient beaucoup plus importantes, et la Terre serait moins propice à la vie.

Il y a 11 000 ans, l’inclinaison était maximale (24,5°). Il y a 31 000 ans, elle passait par un minimum (21.5 à 22°). Actuellement, l’inclinaison diminue, et elle sera de nouveau minimale dans 12 000 ans.

En synthèse :

3^e cycle : La précession de l’axe de rotation « P » : « La Terre est une toupie »

Enfin, l’axe de rotation de la Terre est certes incliné, mais la direction de cette inclinaison change au cours du temps : c’est ce qu’on appelle la précession.

L’axe de rotation terrestre balaye ainsi un cône de 44˚ à 49˚ sur la voûte céleste, entraînant un déplacement apparent de la position des étoiles, au cours des siècles, ainsi qu’une migration de la position des solstices et des équinoxes, le long de l’orbite elliptique de la Terre.

Son origine est bien plus complexe que celle des précédents (la forme de la Terre, sa rotation sur elle-même et l’attraction gravitationnelle du Soleil, de la Lune mais aussi des autres planètes interviennent). Sa périodicité est double, 19 000 et 23 000 ans, et a deux effets directs : le déplacement des pôles célestes et l’inversement des saisons.

L’axe de rotation de la Terre atteindra son meilleur alignement avec l’étoile polaire (Polaris) en l’an 2015 puis s’en éloignera peu à peu. Pour l’hémisphère Nord, le solstice d’été se produit à plus grande distance du soleil que le solstice d’hiver (été froid – hiver chaud).

Le cycle de variation de l’inclinaison de l’axe de rotation terrestre n’affecte pas la quantité totale de chaleur solaire reçue sur Terre mais sa distribution. Lorsque l’axe de rotation terrestre devient moins incliné, la chaleur solaire se concentre autour de l’équateur. Lorsque l’axe de rotation terrestre devient plus incliné, cela favorise une meilleure distribution de la chaleur solaire dans les hautes latitudes.

Le cycle de la précession de l’axe de rotation terrestre n’affecte pas la quantité totale de chaleur solaire reçue sur Terre mais fait seulement varier l’écart moyen des températures entre la saison chaude et la saison froide. La situation actuelle (figure du bas) montre une alternance d’hivers chauds suivie d’étés froids. Il y a 11 000 ans (figure du haut), on avait une alternance d’étés chauds suivie d’hivers froids.

Cependant, l’effet réel de ce cycle varie selon le degré d’excentricité de l’orbite terrestre. Comme l’excentricité de l’orbite terrestre autour du soleil est presqu’à son minimum, c’est à dire que l’orbite de la Terre autour du soleil est presque circulaire, l’effet de la précession de l’axe de rotation terrestre sur le climat est présentement non significatif.

Bilan

On peut enfin synthétiser l’étude précédente ainsi :

Enfin, je vous recommande cette excellente animation de synthèse.

Dans le billet suivant, vous trouverez l’application de ces cycles dans la modélisation de l’évolution millénaire des températures de la planète…