Régulation du climat (1/3) : les paramètres orbitaux

Le changement climatique correspond à une modification durable (décennie au million d’années) du climat global de la Terre, ou de ses divers climats régionaux. Le climat de notre planète est déterminé par différents facteurs que nous verrons tout au long de ces trois articles sur la régulation du climat, et dont le premier facteur auquel nous allons nous intéresser ici, est l’influence des paramètres orbitaux.

L’orbite de la Terre obéit aux lois de Kepler, ainsi en raison de l’attraction de la Lune et des autres planètes, la révolution de la Terre autour du Soleil n’est pas parfaitement régulière. Les paramètres orbitaux (ou de Milankovitch, en 1941) est le nom donné aux paramètres astronomiques terrestres qui ont un effet sur les changements climatiques. Ces paramètres sont au nombre de trois : l’excentricité, l’obliquité et la précession. Ces changements climatiques naturels ont pour principale conséquence les périodes glaciaires (100 000 ans) et interglaciaires (10 000 ans). Aujourd’hui, nous vivons dans une période interglaciaire ; toutefois, elle arrive à sa fin, et nous devrions connaître une nouvelle période glaciaire dans les millénaires à venir, c’est-à-dire, dans quelques dizaines de milliers d’années.

– L’excentricité est la forme des orbites des objets célestes (tels que les planètes, les satellites), variant de 0 à 1, et pouvant être circulaire (e=0), elliptique (0<e<1), parabolique (e=1) ou hyperbolique (e>1).

excentricité_paramètres_orditaux_cercle_ellipse_parabole_hyperbole_periodes_régulation_du_climat

Les variations de l’excentricité modifient la distance moyenne de la Terre au Soleil (150 millions de km). Sur une année, l’énergie solaire qui parvient à la Terre (1367 w/m2en moyenne) est moins élevée lorsqu’elle décrit une orbite circulaire (proche de 0%), il fait alors plus froid ; à l’inverse lorsque la Terre décrit une orbite elliptique (proche de 6%), il fait plus chaud.

La Terre passe chaque semestre (tous les 6 mois) au périhélie (moment où elle est au plus près du Soleil), puis à l’aphélie (moment où elle est au plus loin du Soleil). Cette excentricité est due au Soleil et aux attractions gravitationnelles exercées par les autres planètes du système solaire. Le cycle général des variations d’excentricité se fait sur 400 000 ans, avec au sein de ce cycle, des variations tous les 100 000 ans.

– L’obliquité (ou inclinaison de l’axe de rotation) est une grandeur qui donne l’angle entre l’axe de rotation d’une planète et la perpendiculaire à son plan orbital (voir illustration ci-dessous pour mieux comprendre).

obliquité_paramètres_orbitaux

Remarque : Dans le référentiel géocentrique (référentiel dont l’origine est le centre de la Terre et dont les trois axes (x,y,z) pointent vers des étoiles lointaines qui apparaissent fixes), le plan de l’écliptique est le grand cercle sur la sphère céleste (imaginaire) entourant la Terre et représentant la trajectoire annuelle du Soleil vue de la Terre.

Les variations de l’obliquité modifient l’inclinaison de la Terre par rapport au Soleil ; quand l’inclinaison est plus forte (proche de 24°), les étés sont plus chauds et les hivers plus froids, mais quand l’inclinaison est plus faible (proche de 22°), les saisons sont moins tranchées au niveau des températures, en effet, les étés sont plus froids et les hivers plus chauds. Le cycle des variations de l’obliquité se fait tous les 41 000 ans.

– La précession est un lent changement d’orientation de l’axe de rotation d’un objet, conduisant ainsi à un mouvement conique. Ce phénomène, de précession, est observable à notre échelle notamment avec une toupie lorsque celle-ci n’est pas à l’équilibre et s’apprête à s’arrêter. La Terre se comporte donc comme une toupie (ou un gyroscope) !

Tout en gardant son inclinaison proche de 23° au cours des milliers d‘années, l’axe de rotation de la Terre précesse (admet un mouvement conique) autour de l’axe de l’écliptique (définit dans la remarque plus haut) avec un cycle de l’ordre de 22 000 ans (appelé grande année platonique), pouvant varier de 23 000 à 19 000 ans.

précession

La conséquence de cette précession est que le solstice d’été dans un hémisphère donné (celui qui reçoit le maximum de chaleur), aura lieu alternativement tous les 11 000 ans : soit au périhélie (près du Soleil), soit à l’aphélie (loin du Soleil). Dans cet hémisphère, les étés seront donc tous les 11 000 ans soit plus chauds soit plus frais, l’écart d’énergie reçue étant fixé par l’excentricité de l’ellipse (vu plus haut).

Il y a 11 000 ans, le pôle Nord pointait vers le Soleil au périhélie, conduisant à un été chaud au périhélie, et donc un hiver froid à l’aphélie ; inversement, aujourd’hui, c’est le pôle Sud qui pointe vers le Soleil au périhélie, ce qui conduit à un hiver chaud au périhélie, et donc à un été froid à l’aphélie.

Si la Terre était parfaitement sphérique, elle ne subirait aucune précession (en bleu sur le schéma) ; cependant, à cause de sa rotation propre (mouvement circulaire autour de l’axe de rotation), la Terre possède un renflement équatorial d’environ 43 km par rapport à son axe des pôles (c’est-à-dire que son diamètre équatorial (longeant l’équateur) est plus grand d’environ 43 km que son diamètre polaire (passant par les deux pôles Nord et Sud)).

A cela s’ajoute l’attraction de la Lune et du Soleil qui perturbe légèrement la précession en y ajoutant de petites oscillations dont la période est de 18,6 ans ; cet effet s’appelle la nutation.

Remarque : Les équinoxes de printemps (20 ou 21 mars) et d’automne (22 ou 23 septembre) sont des époques de l’année où le jour a une durée égale à la nuit, tandis que les solstices sont les périodes où le soleil est le plus éloigné de l’équateur, l’été (22 ou 23 juin) correspond à la durée maximale et l’hiver (22 ou 23 décembre) à la durée minimale du jour.

équinoxe_solstice

Bilan :

Excentricité : (période de 400 000 ans avec changement tous les 100 000 ans)

  • Lorsque la Terre décrit une orbite elliptique, il fait plus chaud.
  • Lorsque la Terre décrit une orbite circulaire, il faut moins chaud.

Obliquité : (changement tous les 40 000 ans)

  • Lorsque l’inclinaison de la Terre est forte par rapport au Soleil, les étés sont plus chauds et les hivers plus froids.
  • Lorsque l’inclinaison de la Terre est faible par rapport au Soleil, les étés sont plus froids et les hivers plus chauds.

Précession : (changement tous les 11 000 ans)

  • Tous les 22 000 ans, le pôle Nord pointe vers le Soleil au périhélie, ce qui conduit à des étés chauds au périhélie (près du Soleil), et à des hivers froids à l’aphélie (loin du Soleil).
  • Tous les 11 000, une inversion de ce cycle se produit, ainsi le pôle Sud pointe vers le Soleil au périhélie, ce qui conduit à des hivers chauds au périhélie (près du Soleil), et à des étés froids à l’aphélie (loin du Soleil).
  • Le cycle revient au point de départ après 22 000 ans, le pôle Nord repointe vers le Soleil.

paramètres_orbitaux_milankovitch_graphique_excentricité_obliquité_precession

Cet article sur les paramètres orbitaux (de Milankovitch) est désormais terminé ; cependant, ces paramètres sont encore insuffisants pour pouvoir expliquer l’ampleur des variations de température à l’échelle mondiale, en effet leur influence se limite à l’ensoleillement. Dans le cadre de la paléoclimatologie (science qui étudie le climat du passé, sur des milliers ou millions d’années), les données recueillies par l’étude des carottes de glaces aux pôles, et par la palynologie (étude des pollens et des spores principalement dans les tourbières), montrent que les paramètres orbitaux ne sont pas les seuls à influencer les variations climatiques ; d’autres paramètres entrent en jeu, comme l’activité humaine, ainsi que des phénomènes naturels sur Terre, que nous verrons prochainement !

2 commentaires
  1. baldwi dit

    J’ai ma prof de science qui a dit qu’on sortais d’une glaciation y a 10000 an à peu pres et un copain la traité de climatoseptique

    1. mlougkivg dit

      cest cool

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