Le climat varie naturellement. L’histoire climatique de la Terre est chahutée, avec des épisodes chauds et des épisodes froids. La question qui est régulièrement posée aux climatologues est de savoir si l’augmentation de température observée depuis un siècle est vraiment imputable à l’homme ou si elle n’est pas une manifestation de la variabilité naturelle du climat. Il est donc important de connaître les détails des climats passés et de comprendre pourquoi et comment ils ont pu varier.

On a compris au milieu du XIX^e siècle, grâce au naturaliste suisse Louis Agassiz, que la Terre avait connu des glaciations. On sait maintenant qu’elle a subi au cours du dernier million d’années une succession d’épisodes glaciaires entrecoupés de périodes chaudes (comme actuellement) généralement assez brèves. Lors des grandes glaciations, les continents aux hautes latitudes de l’hémisphère Nord étaient recouverts de plusieurs kilomètres de glace.

L’histoire de ces épisodes est elle-même assez perturbée avec, au Groenland, des variations locales de température de 15 °C en quelques décennies. Il est important pour les climatologues de comprendre ces diverses évolutions. Il est très utile pour les modélisateurs d’avoir une connaissance bien documentée de tels épisodes sur lesquels ils pourront tester la capacité de leurs modèles à reproduire des climats réels très différents de l’actuel.

En comparant les dates des vendanges, on s’est aperçu que la canicule de 2003 était sans précédent depuis au moins six siècles.

La nature et ses indices

La mesure systématique des conditions météorologiques n’a débuté que dans la seconde moitié du XIX^e siècle. Pour connaître les climats du passé, il faut donc aller chercher des indices qui témoignent du climat qui prévalait à l’époque de leur archivage.

Les couches de glace accumulées, année après année, au Groenland ou en Antarctique sont autant d’indices sur l’histoire du climat. © CEA/IPEV

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Pour en savoir plus

• L'évolution des conditions climatiques au cours du dernier million d'années
• L'évolution de la température moyenne de l'hémisphère Nord depuis l'an 1000

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VidéoLe thermomètre isotopique

Pour les époques historiques, certains indices peuvent se trouver, par exemple, dans les dates des travaux agricoles (c’est ainsi que, grâce aux dates des vendanges, on a pu déterminer que la canicule de 2003 était sans précédent depuis au moins six siècles). Mais beaucoup d’indices doivent être récoltés sur le terrain, là où la nature a bien voulu les préserver. Ce sera, selon les époques ou l’échelle des phénomènes auxquels on s’intéresse :

• dans les sédiments marins, pour les très grandes échelles de temps ;
• dans les sédiments des lacs ;
• dans les squelettes des coraux ;
• dans les concrétions (stalagmites) lentement déposées dans les cavernes;
• dans la glace empilée année après année sur les continents des hautes latitudes (Groenland, Antarctique) ;
• dans les plus hauts massifs montagneux (Andes), là où la glace ne fond pas l’été.

Pour les époques plus récentes, on analyse aussi la croissance des arbres, dont les caractéristiques sont enregistrées dans les cernes annuels.

Le climatologue trouve dans ces archives naturelles ce qui s’y est déposé :

• dans les sédiments, ce seront les coquilles, squelettes… des animaux aquatiques, les grains de pollen, les minéraux insolubles ;
• dans les glaciers continentaux (polaires ou alpins), outre la glace, il trouvera les particules qui ont pu se déposer ou l’air qui a été emprisonné ;
• les concrétions des grottes renferment les minéraux qui ont précipité lors de leur formation…

Un dépôt se déchiffre comme un livre, page par page, c’est-à-dire couche par couche. La croissance de ces dépôts est parfois conditionnée par la météorologie, avec une saisonnalité marquée. C’est le cas de la glace, des coraux, parfois des concrétions.
Tant que la marque de cette saisonnalité n’a pas été effacée, elle permet de dater les signaux que l’on recueille aux différentes profondeurs.
Au-delà, il faudra faire appel à des méthodes plus indirectes pour établir la chronologie des événements mesurés en différents sites du globe.

Entre chaud et froid

Grâce aux forages profonds au Groenland et en Antarctique et aux nombreuses mesures sur les sédiments marins, il a été possible de remonter aux conditions climatiques de la quasi-intégralité du dernier million d’années. Le paléothermomètre isotopique nous montre que le climat a oscillé avec une périodicité d’environ 100 000 ans entre deux états : un état froid, celui des grandes glaciations dont la dernière a eu son paroxysme il y a 21 000 ans, – et un état chaud comme celui qui prévaut actuellement, généralement de courte durée.

La dernière période chaude aussi longue que la nôtre remonte à 400 000 ans, époque comparable, pour le cycle orbital de la Terre, à la situation actuelle. Les grandes glaciations ont pour cause première la variation de la répartition géographique et de l’intensité de l’insolation tout au long de l’année.

Cette variation est toutefois loin de suffire pour produire les grands changements observés. Les rétroactions, et particulièrement celles des gaz à effet de serre ou celles venant du fort albédo des calottes enneigées et de la banquise, jouent un rôle amplificateur considérable. Il est remarquable de voir, comme cela a été découvert dans les bulles d’air emprisonnées dans les carottes de glace de Vostok, à quel point la température et les concentrations atmosphériques en CO₂ et CH₄ sont corrélées.

Mais aucune de ces périodes, chaude et froide, n’est calme. L’analyse des carottes glaciaires et océaniques a mis en évidence des soubresauts rapides dans le climat des hautes latitudes.

L’interprétation qui a été faite de ces événements est que des débâcles d’icebergs ont amené d’énormes quantités d’eau douce dans l’Atlantique Nord, perturbant gravement la circulation océanique. Des événements similaires pourraient se produire dans l’avenir si le réchauffement global s’accompagnait de précipitations très importantes ou de fonte brutale des calottes glaciaires : il n’est pas exclu que cela perturbe suffisamment la circulation océanique pour déplacer vers le sud la limite nord de la dérive Nord-Atlantique qui amène à l’Europe les eaux chaudes du Gulf Stream et compense partiellement ou totalement les effets locaux du réchauffement climatique global.

Une carotte pour le climat

Les climatologues vont prélever des échantillons de ces carottes à différentes profondeurs dans le sédiment (dans la photo en bas à gauche, la carotte est placée dans un conteneur gradué en profondeur de sédiment). La composition isotopique des squelettes de foraminifères qui s’y trouvent renseigne sur le climat qui régnait du vivant du foraminifère mesuré.