L'atmosphère initiale de la Terre a beaucoup évolué au cours des temps géologiques, grâce à la formation des océans et à l'apparition de la vie. Des indices sont présents dans les roches sédimentaires. Au cours du dernier milliard d'années, on peut retracer les climats grâce aux informations présentes dans les calottes glaciaires et les roches sédimentaires.
Généralités sur le climat
Le climat résulte d'un ensemble de paramètres qui influent sur la biosphère et la géosphère :
- La quantité d'énergie reçue du Soleil
- Les interactions permanentes entre la biosphère et la géosphère, notamment au travers des cycles de l'eau et du carbone
La quantité d'énergie reçue par le Soleil varie en fonction de :
- Plusieurs paramètres physiques liés à la position de la Terre dans l'espace
- L'albédo, plus important en période glaciaire qu'en période interglaciaire
Albédo
L'albédo est le pouvoir réfléchissant de la Terre, au travers des calottes glaciaires qui réfléchissent l'énergie solaire. Plus l'albédo est fort, plus la planète réfléchit l'énergie solaire et moins elle est chauffée.
L'albédo est plus important en période glaciaire car la surface recouverte par les glaces est plus importante.
De l'atmosphère initiale à l'atmosphère actuelle
Les mécanismes de transformation de l'atmosphère
Pour connaître l'atmosphère primitive, les scientifiques s'intéressent aux chondrites qui sont des météorites. Ils pensent qu'elles sont le reflet des éléments constitutifs de notre système solaire. De ce fait, en étudiant leur dégazage, on peut connaître l'atmosphère primitive de notre planète.
L'atmosphère initiale était composée de :
- 83% de vapeur d'eau
- 12% de \ce{CO2}
- 5% de \ce{N2}
Le \ce{CO2} et la vapeur d'eau sont deux gaz à effet de serre. Il est aussi intéressant de noter que cette atmosphère primitive était dépourvue de dioxygène et donc réductrice. Aujourd'hui, étant formée de 21% de dioxygène, l'atmosphère est oxydante.
Il y a 4,4 milliards d'années environ, la température diminuant, la vapeur d'eau présente dans l'atmosphère s'est condensée et a formé les océans avec l'eau présente dans les chondrites. L'atmosphère s'est ainsi en partie vidée de sa vapeur d'eau. En précipitant, la vapeur d'eau a entraîné le \ce{CO2} atmosphérique qui s'est retrouvé piégé dans les océans, ce qui a permis de former des roches carbonatées.
Il y a 3,5 milliards d'années sont apparues les cyanobactéries.
Cyanobactéries
Les cyanobactéries sont des bactéries photosynthétiques.
Les stromatolithes sont formés par des bactéries proches des cyanobactéries actuelles, procaryotes aquatiques, et qui réalisent la photosynthèse. Par ce biais, elles ont utilisé le \ce{CO2} dissous dans l'eau des océans pour produire leur matière organique, et ont produit de l' \ce{O2}. Ce dioxygène a saturé l'eau des océans et il a été piégé dans des oxydes de fer (dépôts de fer rubané) jusqu'à ce que la quantité permette son relâchement il y a 2,2 milliards d'années.
L'oxygène atmosphérique a permis la mise en place de la couche d'ozone qui, en stoppant les UV les plus nocifs, a permis l'apparition de la vie aérienne il y a 400 millions d'années environ.
Les indices des transformations de l'atmosphère
Plusieurs indices ont permis de reconstituer les grandes transformations qu'a subies l'atmosphère initiale pour aboutir à notre atmosphère actuelle :
- Les dépôts de fer rubané : le fer est soluble dans les eaux désoxygénées, et précipite sous forme d'hydroxyde ferrique en présence de dioxygène, conduisant à la formation de dépôts riches en oxydes de fer, nommés fers rubanés. Le fer rubané est retrouvé dans les océans à partir de -4 Ga, ce qui indique la présence de dioxygène à partir de cette époque. Les dépôts de fer rubané ne se faisant plus à partir de - 2,3 Ga, on en déduit que tout le fer réduit a été oxydé, et que, désormais, le dioxygène libéré par la photosynthèse sera libéré dans les océans puis dans l'atmosphère.
- La présence d'uraninite dans les dépôts détritiques des fleuves entre -3,5 Ga et -2,2 Ga. L'uraninite est soluble dans les eaux oxygénées, sa présence dans les eaux des fleuves de l'époque montre que ces eaux n'étaient pas oxygénées par l'atmosphère, et donc que cette dernière était dépourvue de dioxygène. A partir de - 2,2 Ga, l'atmosphère étant devenue oxydante, ces dépôts cessent.
- La présence de stromatolithes à partir de -3,5 milliards d'années. Les stromatolithes sont des dépôts de calcaire dus à l'activité photosynthétique des cyanobactéries. Leur présence montre l'existence, dès - 3,5 Ga, de cyanobactéries pouvant effectuer la photosynthèse et donc générer du dioxygène, tout en consommant du dioxyde de carbone.
La composition de l'atmosphère au cours des 800 000 dernières années
Les glaces se déposent en couches, sur le même mode que les sédiments, en enfermant des bulles d'air. Ainsi, en creusant les calottes glaciaires, on peut remonter à des glaces déposées il y a 800 000 ans à l'aide de forages pouvant aller jusqu'à 4000 mètres de profondeur. La composition des glaces ou des bulles d'air qu'elles contiennent nous permet de retracer les variations climatiques en apportant plusieurs indices au travers :
- De la composition des bulles d'air emprisonnées
- Du rapport isotopique \ce{^{18}O}/\ce{^{16}O}
D'autres indices peuvent être utilisés pour étudier les climats du passé comme l'enroulement des tests de foraminifères ou la palynologie.
La composition des bulles d'air
Les bulles d'air emprisonnées dans les glaces renseignent sur la composition de l'atmosphère de l'époque. L'étude des gaz présents dans les bulles d'air, comme le \ce{CO2} ou le méthane \ce{CH4}, permet de mettre en évidence une variation cyclique de ces derniers sur les 800 000 dernières années avec une période de 100 000 ans, mais surtout une augmentation importante depuis le début du XXe siècle.
Le rapport isotopique de l'oxygène présent dans les glaces
L'oxygène de la molécule d'eau est présent en deux isotopes :
- \ce{^{16}_{}O} , léger
- \ce{^{18}_{}O} , lourd
Ces deux isotopes permettent (en fonction de leur rapport) de connaître les températures des 800 000 dernières années.
Lorsque le climat était froid, le rapport \ce{^{18}O}/\ce{^{16}O} dans les glaces formées à l'époque était faible. Lorsque le climat était chaud, le rapport était fort.
De la même manière, il est possible d'utiliser les isotopes de l'hydrogène, en calculant le Delta deutérium ou \Delta D.
La palynologie
Palynologie
La palynologie est la science de l'étude des pollens.
Les pollens sont les gamètes mâles des plantes. On en retrouve dans les tourbières.
Il est possible de différencier les pollens des différentes espèces végétales. En fonction du type de pollen, et de leur association, on peut par le principe d'actualisme (dans lequel il est postulé que les espèces du passé avaient les mêmes exigences écologiques que leurs équivalents actuels) avoir des informations sur le climat de l'époque. Pour cela, on réalise une analyse statistique des pollens trouvés à une profondeur donnée dans une tourbière. En datant les pollens, on peut reconstituer les associations végétales de l'époque (ou biome) et donc la température.
Principe d'actualisme
Le principe d'actualisme dans la palynologie est d'adapter les informations apportées par les plantes actuelles aux plantes similaires de l'époque.
La découverte de pollens proches d'espèces actuelles typiques des climats chauds signifiera qu'il existait un climat chaud à l'époque de cette découverte.
L'effet de serre
L'effet de serre est déterminé par la composition atmosphérique, et notamment par les gaz à effet de serre.
Gaz à effet de serre
Les gaz à effet de serre retiennent les infrarouges émis par la Terre, et augmentent ainsi la température au sein de l'atmosphère.
Le \ce{CO2} et le \ce{CH4} sont des exemples de gaz à effet de serre.
La schématisation du fonctionnement de l'effet de serre
L'effet de serre est l'un des paramètres qui influencent le climat global, tout comme les paramètres astronomiques, par exemple.
Les variations de concentration des gaz à effet de serre, notamment du dioxyde de carbone, peuvent être d'origine naturelle ou artificielle. Ce phénomène forme une boucle d'action positive : s'il y a beaucoup de gaz à effet de serre, le climat se réchauffe, une partie de l'eau des océans s'évapore, le dioxyde de carbone des océans se retrouve dans l'atmosphère et la concentration de gaz à effet de serre augmente. Les glaces fondent et l'albédo diminue. Tous ces phénomènes concourent à accroître la température à la surface de notre planète.
La connaissance des différents paramètres influençant le climat permet d'émettre des hypothèses sur l'évolution future de ce climat. Notamment la connaissance des paramètres induits par l'activité humaine (paramètres anthropiques) qui permettent aux scientifiques du GIEC (Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat) d'émettre des hypothèses sur la variation des climats futurs.