Depuis le début du Quaternaire, il y a 2,59 millions d’années, la Terre connaît un cycle de glaciations et de périodes interglaciaires dont l’amplitude va en s’accroissant, avec des calottes glaciaires de plus en plus volumineuses. Descendus jusqu’à Lyon, les glaciers des Alpes y ont sculpté de profondes vallées. Ils ont rajeuni les reliefs des Vosges, du Massif central et du Massif armoricain. Depuis la fin de la glaciation de Würm, il y a environ 11 000 ans, la Terre se trouve dans un interglaciaire. Les observations ont indiqué que ce cycle avait une période de 41 000 ans il y a plus de 1,4 millions d’années et que sa période est de 100 000 ans depuis 700 000 ans. Jusqu’à présent, ce changement de période est resté inexpliqué. On l’appelle la transition mi-Pléistocène.

Ces graphiques de Robert A. Rhodes montrent les variations de température en Antarctique mesurées grâce aux carottes prélevées aux stations Vostok et Concordia (EPICA, dôme C) et celles du volume des glaces. Ces dernières se calculent grâce aux variations du niveau des mers : plus il y a de glaces sur les continents, plus le niveau est bas. Au dernier maximum glaciaire, il était de 120 mètres inférieur au niveau actuel. La période de 100 000 ans apparaît avec une asymétrie manifeste. Les glaces s’accumulent lentement mais fondent très vite. Les carottes de glace permettent de connaître les variations de température avec une bonne précision jusqu’il y a 800 000 ans, mais elles sont valables pour les hautes latitudes. À l’équateur, elles sont inférieures. Les carottes du Groenland ont enregistré un événement que l’Antarctique n’a pas connu : le refroidissement du Dryas récent. C’est une rechute qui s’est produite à la fin de la glaciation de Würm. Elle s’est brusquement terminée il y a 11 700. C’est à ce moment que les scientifiques ont décidé de placer la fin du Pléistocène, la première division du Quaternaire, et le début de l’Holocène, celle dans laquelle nous vivons.

Le cycle de 41 000 ans est certainement lié aux variations de l’obliquité, qui est l’angle entre le plan de l’équateur de la Terre et celui de son orbite. L’existence des saisons est due à l’obliquité : si elle était nulle, il n’y en aurait pas de saisons puisque les deux hémisphères seraient éclairés de la même manière durant toute l’année. L’influence des paramètres orbitaux de la Terre a été prévue en 1941 par le mathématicien serbe Milutin Milankovitch et elle est admise depuis les années 1970. Il y a également la variation de l’excentricité de l’orbite terrestre. Si elle était nulle, la Terre serait toujours à la même distance du Soleil. Comme elle ne l’est pas, cette distance varie au cours de l’année. La variation est d’autant plus importante que l’excentricité est grande. Un cycle de 100 000 existe, mais son lien avec le cycle des dernières glaciations est mal compris, la variation de l’énergie lumineuse que la Terre reçoit du Soleil étant très faible.

Variations de la température en Antarctique, du taux de dioxyde de carbone, en parties par million en volume, et des aérosols (poussières en suspension dans l’atmosphère) d’après le carottage de la station Vostok. Le taux de CO₂ a varié entre 180 et 280 ppmv. Il a actuellement dépassé les 400 ppmv, soit 0,04 % de l’atmosphère. Les aérosols sont surtout présents en période glaciaire.

En 2017, Andrey Ganopolsky de l’Institut de Potsdam sur les effets du changement climatique et Victor Brovkin de l’Institut de météorologie Max Planck ont publié les résultats de simulations qui reproduisent les quatre derniers cycles glaciaires, durant les 400 000 dernières années, c’est-à-dire l’évolution concomitante du climat, des calottes glaciaires et du cycle du carbone. C’est le forçage orbital, c’est-à-dire l’effet des variations des paramètres orbitaux sur le système climatique, qui les déclenche. Ces cycles apparaissent comme une réponse directe mais fortement non linéaire (non proportionnelle) des calottes de l’hémisphère Nord au forçage. Elle est puissamment amplifiée et globalisée par la rétroaction positive du cycle du carbone : l’expansion des calottes provoque une diminution du taux de CO₂ atmosphérique et par conséquent de l’effet de serre radiatif, ce qui refroidit la basse atmosphère. Inversement, la déglaciation entraîne une augmentation de ce taux. Cette corrélation est enregistrée de manière très claire dans les carottes de glace.

Ganopolski et Brovkin ont démontré que la chute du taux de CO₂ atmosphérique durant les glaciations est contrôlée par la baisse de la température de surface de la mer et les modifications de la circulation océanique. On sait qu’un refroidissement de l’eau entraîne une augmentation de la solubilité des gaz et donc un pompage de CO₂. Par ailleurs, la baisse du niveau des mers fait émerger des plateaux continentaux qui sont soumis à l’érosion, or ce phénomène est aussi un puits de CO₂ atmosphérique. Durant les maxima glaciaires, le plateau de Patagonie et ses glaciers produisent de la poussière que les vents transportent dans l’océan Austral. Le fer qu’elles comportent est un nutriment qui accroît la production biologique et peut provoquer une réduction de 10 à 30 ppm du taux de CO₂.

Extension des calottes glaciaires et de la banquise de l’hémisphère Nord durant le dernier maximum glaciaire. Illustration de Hannes Grobe, de l’Institut Alfred Wegener pour la recherche polaire et marine.

Quand la déglaciation commence, la fonte des calottes provoque, par le flux d’eau froide engendré, une réduction de la circulation méridienne de retournement de l’Atlantique Nord (AMOC en anglais). Il s’agit de courants superficiels, dont le Gulf Stream, qui amènent des eaux chaudes vers le nord-est, jusqu’à la mer du Groenland et celle du Labrador. Elles plongent alors par augmentation de la salinité et baisse de la température et sont renvoyées vers le sud par un courant lent et profond faisant partie de la circulation thermohaline. Le rétablissement de l’AMOC provoque un sursaut du taux de CO₂, le mécanisme en jeu n’étant autre que le réchauffement de la thermocline (la couche où sa température commence à baisser). Il peut intervenir de deux manières. S’il se produit seulement à la fin de la déglaciation, le sursaut est important et marque le début de l’interglaciaire. Le taux demeure constant ou décline même à la fin de cette période. Cette situation a été celle de l’Éémien, période relativement chaude précédant la glaciation de Würm il y a 130 000 à 125 000 ans. Si le rétablissement a lieu bien avant la fin de la déglaciation, le sursaut n’est que temporaire, puis le taux de CO₂ continue de monter durant tout l’interglaciaire. C’est le cas de l’Holocène.

Il restait à expliquer la transition mi-Pléistocène. Cette tâche a été effectuée par R. Calov et les deux chercheurs déjà nommés sous la direction de Matteo Willeit. La théorie retenue fait appel au régolithe : l’ensemble des matériaux meubles reposant sur les roches de la croûte continentale, dont les sols. Quand un glacier se forme dessus, il se comporte comme une couche lubrifiante. Les calottes glaciaires s’étalent par conséquent à la manière d’une pâte. Cependant, au fil du temps, elles ont décapé cette couche au nord de l’Amérique du Nord, de l’Europe et de la Sibérie. Cette érosion a laissé le socle rocheux à nu, or la glace glisse moins bien sur lui que sur le régolithe. Les calottes ont donc gagné en épaisseur et en volume et ont modifié leur réponse au forçage orbital. De plus, quand elles s’étendent sur une zone couverte de régolithe, elles soulèvent une poussière qui diminue leur albédo (la part de lumière solaire qu’elles réfléchissent) sur leur frange méridionale, ce qui provoque un réchauffement. On voit ainsi que l’érosion du régolithe permet des glaciations plus longues et plus sévères.

Les auteurs ont effectué une modélisation du système climatique tenant compte de ce phénomène. Les simulations sont concluantes : elles reproduisent la transition mi-Pléistocène de manière presque indépendante des conditions initiales. Il y a bien sûr quelques difficultés dues au fait que le scénario de l’érosion du régolithe n’est pas connu avec précision et à la faiblesse du forçage orbital entre 500 000 et 400 000 ans. Les simulations reproduisent également la tendance à la baisse du taux de CO₂ atmosphérique durant tout le quaternaire, dont l’explication est sans doute géologique. L’émission du dioxyde de carbone par les volcans ne compense pas l’érosion et la sédimentation de matière organique. C’est bien cette lente baisse qui a initié le cycle des glaciations. Cependant, au-delà de 800 000 ans, le taux de CO₂ ne peut être estimé qu’avec beaucoup d’imprécision. Les simulations ont permis de savoir que le taux actuel est sans précédent depuis 3 millions d’années et que, pendant toute cette période, la température globale n’a jamais excédé de 2 °C celle de l’époque pré-industrielle.

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M. Willeit et al., Mid-Pleistocene transition in glacial cycles explained by declining CO2 and regolith removal, Sciences Advances, Vol. 5, no. 4, 3 April 2019.

http://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaav7337