Cycles de Milanković, variations de l'inclinaison de l'axe et excentricités orbitales influençant les fluctuations climatiques à long terme
Fondements des systèmes climatiques orbitaux
Le temps à court terme est déterminé par des processus atmosphériques locaux, tandis que le climat à long terme se forme en raison de facteurs plus larges, notamment l'intensité du rayonnement solaire, les concentrations de gaz à effet de serre et la géométrie orbitale. Pour la Terre, même de petits changements dans l'orbite et l'orientation peuvent redistribuer le rayonnement solaire entrant entre les latitudes et les saisons, influençant ainsi fortement les alternances entre périodes glaciaires et interglaciaires. La théorie de Milanković, nommée d'après le mathématicien serbe Milutin Milanković, définit comment l'excentricité, l'inclinaison de l'axe (obliquité) et la précession modifient ensemble la distribution de l'insolation (l'éclairement solaire) sur plusieurs dizaines de milliers à plusieurs centaines de milliers d'années.
Ce concept est pertinent non seulement pour la Terre. D'autres planètes et satellites connaissent également des cycles climatiques, mais leur nature dépend des résonances orbitales locales, de l'inclinaison de l'axe ou des planètes voisines massives. Nous disposons principalement de données sur la Terre, car les archives géologiques et paléoclimatiques y ont été analysées en détail. Nous abordons ci-après les paramètres orbitaux essentiels qui déterminent ces cycles, ainsi que les preuves les reliant aux variations climatiques historiques.
2. Paramètres orbitaux de la Terre et cycles de Milankovitch
2.1 Excentricité (cycle de 100 000 ans)
Excentricité décrit à quel point l'orbite de la Terre est elliptique. Plus l'excentricité est grande, plus la distance entre le périhélie (point le plus proche du Soleil) et l'aphélie (point le plus éloigné) diffère. Lorsque l'excentricité est proche de zéro, l'orbite est presque circulaire, et cette différence diminue. Aspects principaux :
- Durée du cycle : L'excentricité de la Terre varie principalement selon des périodes d'environ 100 000 et 400 000 ans, bien qu'il existe aussi des sous-cycles supplémentaires.
- Importance climatique : L'excentricité module l'amplitude de la précession (voir ci-dessous) et modifie légèrement la distance moyenne annuelle au Soleil, bien qu'elle ait un effet relativement moindre sur l'insolation que les variations de l'inclinaison axiale. Cependant, combinée à la précession, l'excentricité peut renforcer ou atténuer les différences saisonnières entre les hémisphères [1], [2].
2.2 Inclinaison axiale (obliquité, cycle de ~41 000 ans)
Obliquité – c'est l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre par rapport à l'écliptique. Actuellement, elle est d'environ 23,44°, mais elle varie entre environ 22,1° et 24,5° sur un cycle d'environ 41 000 ans. L'obliquité influence fortement la distribution latitudinale du rayonnement solaire :
- Inclinaison plus forte : Les régions polaires reçoivent plus de rayonnement solaire en été, augmentant les contrastes saisonniers. Plus de soleil en été dans les régions polaires peut favoriser la fonte de la glace, freinant la croissance des couches de glace.
- Inclinaison plus faible : Les pôles reçoivent moins de chaleur en été, ce qui permet à la glace formée en hiver de persister l'année suivante, créant des conditions favorables à l'expansion des glaciers.
C'est pourquoi les cycles d'obliquité sont particulièrement liés aux processus glaciaires aux pôles, comme le montrent les données des glaciations du Pléistocène issues des carottes de glace et des sédiments océaniques.
2.3 Précession (~19 000–23 000 ans de cycles)
Précession – c'est l'oscillation de l'axe de rotation de la Terre (effet de la "toupie tournante") et la position relative du périhélie de l'orbite par rapport aux saisons. Il y a deux composantes principales qui créent un cycle d'environ 23 000 ans :
- Précession axiale : L'axe de rotation de la Terre trace lentement une trajectoire conique (comme une toupie).
- Précession de l'apside : Changement de la position de l'orbite elliptique de la Terre par rapport au Soleil.
Si le périhélie coïncide, par exemple, avec l'été de l'hémisphère Nord, cet hémisphère connaît des étés plus marqués. Cette disposition change sur environ 21 à 23 mille ans, modifiant ainsi la saison à laquelle chaque hémisphère "rencontre" le périhélie. L'effet est le plus perceptible lorsque l'excentricité est plus grande – alors la saisonnalité entre les hémisphères diffère davantage [3], [4].
3. Lien entre les cycles de Milanković et les glaciations-interglaciaires
3.1 Glaciations du Pléistocène
Au cours des ~2,6 millions d'années passées (période Quaternaire), le climat terrestre a oscillé entre glaciations et interglaciaires. Ces ~800 000 dernières années, ces oscillations se sont produites tous les ~100 000 ans, tandis que dans la partie antérieure du Pléistocène, un cycle d'environ 41 000 ans dominait. Les études des sédiments marins et des carottes de glace montrent des régularités correspondant aux fréquences de Milanković :
- Excentricité : un cycle d'environ 100 000 ans correspond au modèle glaciaire le plus marqué des cycles récents.
- Obliquité : un cycle d'environ 41 000 ans dominait au début du Pléistocène.
- Précession : des signaux d'environ 23 000 ans sont évidents dans les zones de moussons et certains indicateurs paléoclimatiques.
Bien que le mécanisme soit complexe (impliquant les gaz à effet de serre, la circulation océanique et les rétroactions albédo des glaciers), la variation d'insolation due à l'orbite est la force principale déterminant la cyclicité du volume de glace terrestre. Le fait que le cycle de 100 000 ans domine récemment reste un mystère non entièrement élucidé (« problème des 100 000 ans »), car l'effet de l'excentricité seule est faible. Il est probable que les couches de glace, le CO2 et les rétroactions positives des processus océaniques [5], [6].
3.2 Réponses régionales (ex. moussons)
La précession détermine la répartition saisonnière du rayonnement solaire, influençant fortement l'intensité des moussons. Par exemple, une insolation estivale accrue dans l'hémisphère Nord renforce les moussons d'Afrique et d'Inde, pouvant provoquer la « Sahara verte » au milieu de l'Holocène. Les niveaux des lacs, les enregistrements de pollen et les données des dépôts de grottes confirment ces variations orbitales des moussons.
4. Autres planètes et variations orbitales
4.1 Mars
L'inclinaison de l'axe de Mars varie encore plus (jusqu'à ~60° sur des millions d'années), car il n'a pas de satellite massif pour la stabiliser. Cela modifie drastiquement l'insolation polaire, pouvant influencer la redistribution de la vapeur d'eau dans l'atmosphère ou la migration de la glace entre les latitudes. On pense que dans le passé, ces cycles ont pu temporairement créer de l'eau liquide sur Mars. Les études sur l'obliquité martienne permettent d'expliquer l'origine des dépôts stratifiés polaires.
4.2 Géants gazeux et résonances
Le climat des géants gazeux dépend moins de l'insolation solaire, mais l'excentricité de leurs orbites et l'orientation de leur axe varient néanmoins légèrement. De plus, les résonances mutuelles entre Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune modifient leur moment angulaire et peuvent à long terme provoquer de petits changements orbitaux, affectant indirectement les corps plus petits ou les systèmes d'anneaux. Bien que ces phénomènes soient rarement appelés « cycles de Milanković », le principe selon lequel les variations orbitales modifient l'éclairement ou l'ombrage des anneaux s'applique essentiellement.
5. Preuves géologiques des cycles orbitaux
5.1 Stratification et cyclicité des sédiments
Dans les carottes de sédiments marins, on observe souvent des changements isotopiques périodiques (δ18O – indicateur du volume des glaces et de la température), la richesse en microfossiles ou la variation des couleurs des sédiments, coïncidant avec la périodicité de Milankovitch. Par exemple, l'étude classique de Hays, Imbrie et Shackleton (1976) a relié les données isotopiques de l'oxygène marin aux variations orbitales terrestres, confirmant fortement la théorie de Milankovitch.
5.2 Archives des speleothems et des lacs
Dans les régions continentales, les stalagmites des grottes (speleothems) accumulent des informations sur les précipitations et la température avec une résolution pouvant atteindre mille ans, témoignant souvent des changements de mousson induits par la précession. Les couches annuelles des lacs (varves) peuvent également refléter des cycles d'humidité et de sécheresse à plus long terme liés aux changements climatiques forcés par l'orbite. Ces données confirment des oscillations périodiques correspondant à l'influence orbitale.
5.3 Carottes de glace
Les carottes de glace polaires (au Groenland, en Antarctique), couvrant environ ~800 000 ans (ou peut-être à l'avenir jusqu'à ~1,5 million d'années), montrent les changements glaciaires-interglaciaires selon un cycle d'environ 100 000 ans dans l'histoire récente, avec des signaux intermédiaires de 41 000 et 23 000 ans. Le CO des bulles d'air gelées2 la quantité révèle parfaitement l'interaction entre les gaz atmosphériques et les orbites. La corrélation de ces données entre température, gaz à effet de serre et cycles orbitaux souligne comment ces forces s'influencent mutuellement.
6. Projections climatiques futures et tendances de Milankovitch
6.1 Une prochaine période glaciaire ?
Sans influence humaine, on peut s'attendre à ce que la Terre se rapproche à nouveau d'une nouvelle période glaciaire selon un cycle d'environ 100 000 ans sur des dizaines de milliers d'années. Cependant, les émissions anthropogéniques de CO2 les émissions et l'effet de serre peuvent considérablement retarder ou même annuler cette transition. Certaines études montrent qu'en maintenant un niveau élevé de CO2 le niveau dans l'atmosphère, un autre début naturel de période glaciaire peut être retardé de dizaines de milliers d'années.
6.2 Évolution solaire à long terme
Sur des centaines de millions d'années, l'éclairement solaire augmente lentement. Finalement, ce facteur surpassera l'influence des cycles orbitaux sur la viabilité. Dans environ ~1–2 milliards d'années, le rayonnement solaire pourrait provoquer un effet de serre incontrôlé, éclipsant le climat modulé par les cycles de Milankovitch. Cependant, à l'échelle des périodes géologiques proches (milliers à centaines de milliers d'années), les cycles orbitaux resteront importants pour le climat terrestre.
7. Signification et importance plus larges
7.1 Interactions du système terrestre
Des changements forcés dans l'orbite, bien que fondamentaux, s'entremêlent souvent avec des rétroactions complexes : albédo-glace, échanges de gaz à effet de serre avec les océans et la biosphère, changements dans la circulation océanique, etc. Cette interaction complexe peut provoquer des seuils, des changements brusques ou des épisodes transitoires que le seul cycle de Milankovitch n'explique généralement pas. Cela montre que les variations orbitales agissent comme un « rythme », mais ne sont pas la seule cause de l'état climatique.
7.2 Analogies avec les exoplanètes
L’impact de l’inclinaison de l’axe, de l’excentricité et des résonances potentielles est également pertinent pour les exoplanètes. Certaines exoplanètes peuvent subir des variations extrêmes de l’inclinaison de l’axe si elles ne possèdent pas de grand satellite pour stabiliser leur rotation. Comprendre comment l’inclinaison ou l’excentricité affecte le climat aide à étudier l’habitabilité des exoplanètes, en reliant la mécanique orbitale à la capacité de maintenir de l’eau liquide ou un climat stable.
7.3 Compréhension et adaptation humaines
La connaissance des cycles orbitaux aide à interpréter les changements environnementaux passés et à prévoir les cycles naturels futurs. Bien que le réchauffement climatique d’origine humaine soit plus marqué à court terme, comprendre les tendances cycliques naturelles est essentiel pour mieux appréhender l’évolution du climat terrestre sur des périodes de dizaines à centaines de milliers d’années, bien au-delà de la durée actuelle de la civilisation.
8. Conclusion
Les cycles climatiques planétaires (en particulier pour la Terre) sont principalement déterminés par les variations de l’excentricité orbitale, l’inclinaison de l’axe et la précession, également appelées cycles de Milankovitch. Ces changements lents et prévisibles modèlent la distribution de l’insolation selon la latitude et les saisons, contrôlant l’alternance des glaciations et des interglaciaires au Quaternaire. Bien que les rétroactions liées à la calotte glaciaire, aux gaz à effet de serre et à la circulation océanique compliquent la relation directe de cause à effet, la « rythmique » orbitale reste un facteur fondamental du climat à long terme.
Du point de vue de la Terre, ces cycles ont fortement influencé l’histoire des glaciations du Pléistocène. Pour d’autres planètes, les variations résonantes de l’axe ou l’excentricité peuvent également affecter les conditions climatiques. Comprendre les variations orbitales est crucial pour déchiffrer les archives climatiques passées de la Terre, prévoir les futurs stades naturels du climat et évaluer comment les orbites planétaires et les axes de rotation créent une danse cosmique déterminant l’évolution climatique à une échelle bien supérieure à la durée de vie humaine.
Liens et lectures complémentaires
- Milankovitch, M. (1941). Canon of Insolation and the Ice-Age Problem. K. G. Saur.
- Hays, J. D., Imbrie, J., & Shackleton, N. J. (1976). « Variations de l’orbite terrestre : le métronome des âges glaciaires. » Science, 194, 1121–1132.
- Berger, A. (1988). « Théorie de Milankovitch et climat. » Reviews of Geophysics, 26, 624–657.
- Imbrie, J., & Imbrie, J. Z. (1980). « Modélisation de la réponse climatique aux variations orbitales. » Science, 207, 943–953.
- Laskar, J. (1990). « Le mouvement chaotique du système solaire : une estimation numérique de la taille des zones chaotiques. » Icarus, 88, 266–291.
- Raymo, M. E., & Huybers, P. (2008). « Déverrouiller les mystères des âges glaciaires. » Nature, 451, 284–285.