C’est au XIXe siècle que les scientifiques ont pris conscience que le climat pouvait changer, par l’observation des glaciers. Ils ont deviné que ceux-ci avaient transporté des rochers, appelés les blocs erratiques, à de grandes distances de leurs lieux d’origine, à une époque où ils étaient plus grands que maintenant. L’idée d’une glaciation passée a été formulée par l’ingénieur valaisan Charles Venetz et défendue à partir de 1837 par le paléontologue Louis Agassiz (1807-1873). Elle n’allait pas de soi, puisque l’on pensait que la Terre était en cours de refroidissement et donc qu’il n’avait pas pu faire plus froid dans le passé que maintenant.
L’élaboration de la théorie
Cette théorie est maintenant démontrée. On sait même qu’il s’est produit une série de glaciations depuis 2,58 millions d’années, soit le début du Quaternaire. La dernière, il y a de 115 000 à 11 700 ans, est la glaciation de Würm. Elle est précédée par une période interglaciaire, l’Éémien, et par la glaciation de Riss, il y a environ de 347 000 à 130 000 ans. Durant les 800 000 dernières années, notre planète a enduré huit glaciations. Ce cycle a donc une période d’environ 100 000 ans.
En 1842, le professeur de mathématiques Joseph Adhémar a tenté de fournir la première explication astronomique des glaciations… mais surtout du Déluge de la Bible. Il a inspiré James Croll (1821-1890), qui a présenté sa théorie dans des revues scientifiques. Elle était mieux construite que celle d’Adhémar. Ces deux scientifiques amateurs voulaient expliquer le cycle des glaciations par les variations des paramètres astronomiques de la Terre, étudiés depuis le XVIIIe siècle.
Au début du XXe siècle, le mathématicien serbe Milutin Milankovitch a enfin élaboré une théorie correcte, mais elle n’explique pas toutes les caractéristiques de ce cycle. Les scientifiques sont toujours en train de réfléchir sur ce problème. Ils ne savent pas encore avec certitude pourquoi la période était de 41 000 ans au début du Quaternaire avant de passer à 100 000 ans. Ce phénomène s’appelle la transition mi-Pléistocène, parce qu’elle a eu lieu au milieu du Pléistocène, qui occupe la majeure partie du Quaternaire. Cette période commence il y a 2,58 millions d’années et s’arrête à la fin de la glaciation de Würm il y a 11 700 ans. Elle est suivie par l’Holocène.
L’excentricité et l’obliquité
Johannes Kepler a découvert au début du XVIIe siècle que l’orbite de la Terre (et des autres planètes) autour du Soleil n’est pas circulaire. Elle est une ellipse dont le Soleil occupe l’un des foyers. De manière simplifiée, cela veut dire qu’au cours d’une année, la Terre s’éloigne et se rapproche du Soleil. Cependant, comme l’a démontré l’astronome William Herschel en 1835, le demi-grand axe de cette ellipse (sa « distance moyenne » au Soleil ») ne varie pas. Elle est de 149 597 887 km. Quand la Terre est à cette distance du Soleil, elle reçoit un rayonnement d’une puissance par unité de surface de 1 361 W/m², nombre qui est appelé la constante solaire. C’est grâce à ce rayonnement que la Terre n’est pas complètement gelée, la chaleur venant de ses profondeurs étant très faible.
L’excentricité d’une ellipse est son « degré d’aplatissement ». C’est un nombre compris entre 0 et 1. S’il est nul, l’ellipse est un cercle. Actuellement, l’excentricité de l’orbite terrestre vaut 0,016. Sa distance au Soleil varie donc un peu. Le 3 janvier 2026 (à 17 h 15 min 38 s pour être précis), elle est passée au périhélie, c’est-à-dire que sa distance au Soleil a atteint la valeur minimale de 147 099 894 km. Elle reçoit alors 1 407 W/m² (watts par mètre carré) de rayonnement solaire. Le 4 juillet 2026, la Terre passera à son aphélie. Sa distance au Soleil atteindra alors la valeur maximale de 152 095 295 km, si bien 1 316 W/m² de rayonnement solaire. Étant plus éloignée du Soleil qu’en janvier, elle sera un peu moins chauffée.
Au périhélie, la puissance que reçoit un disque de rayon R perpendiculaire aux rayons du Soleil est égale à 1 407 × πR² watts. Si cette puissance est répartie sur toute la surface d’une sphère de rayon R, qui vaut 4πR², chaque mètre carré de surface reçoit en moyenne 1 407/4 watts, soit 352 watts. C’est le flux solaire incident. Ainsi, pour la Terre, ce flux varie entre 329 et 352 W/m², soit de 6 %. Or, quand notre planète est au périhélie, c’est l’été dans l’hémisphère Sud et l’hiver dans l’hémisphère Nord. L’été austral connaît donc une insolation légèrement accrue. À l’inverse, quand la Terre est à l’aphélie, c’est l’été dans l’hémisphère Nord et l’hiver dans l’hémisphère Nord. L’été boréal a donc un léger déficit d’insolation.
Qu’est-ce qui peut faire varier cette situation et provoquer des changements climatiques ? Pour l’expliquer, il faut utiliser le langage géométrique. Les saisons existent parce que l’axe de rotation de la Terre n’est pas perpendiculaire au plan de l’écliptique. Son inclinaison, appelée l’obliquité, est actuellement de 23°21’. Elle peut varier entre 22°02’ et 24°32’. Plus elle est élevée et plus les saisons sont contrastées. Cette variation se fait avec une période de 41 000 ans qui coïncide avec la période du cycle des glaciations au début du Quaternaire.
La précession des équinoxes et celle du périhélie
Par ailleurs, l’axe de rotation de la Terre tourne autour de la normale (la droite perpendiculaire) au plan de l’écliptique. C’est la précession des équinoxes. Actuellement, du côté nord, cet axe pointe à peu près vers l’étoile Polaris, appelée par conséquent l’étoile polaire, mais ce ne sera pas toujours le cas. À cause de ce mouvement, la direction vers laquelle il pointe décrit un cercle sur la voûte céleste, près duquel cette étoile se trouve. Il en fait le tour en 25 800 ans. Il est important de comprendre que la précession des équinoxes, de même que la variation de l’obliquité et au contraire de la variation de l’excentricité, ne change pas la puissance totale que la Terre reçoit du Soleil.
Mais alors, qu’est-ce que la précession des équinoxes change ? Actuellement, l’hémisphère Nord a un léger déficit d’insolation durant l’été. Il y a 11 500 ans, à la fin de la glaciation de Würm, il était mieux ensoleillé durant la même saison parce que l’axe de rotation de la Terre était orienté dans le sens opposé : le solstice d’été avait lieu exactement quand notre planète était au périhélie. Le solstice d’hiver (le jour le plus long dans l’hémisphère Sud) avait lieu à l’aphélie.
La précession des équinoxes entraîne une rotation du point Ep, où la Terre est à l’équinoxe du printemps, le long de son orbite, dans le sens des aiguilles d’une montre. La demi-droite allant de Ep au Soleil S se dirige vers un point de la voûte céleste appelé point vernal et noté γ (gamma). Il voyage lentement le long de l’écliptique, parmi les constellations du zodiaque, à cause de la rotation du point Ep.
La demi-droite allant vers le point vernal coupe l’orbite de la Terre au point Ea où elle se trouve à l’équinoxe d’automne. On définit la longitude du périhélie comme l’angle ω (oméga) allant du point Ea au point P, qui correspond au périhélie. Actuellement, cet angle est de 103°. Si la Terre était exactement au périhélie durant le solstice d’hiver, il serait de 90°. Ce serait un angle droit. Mais la Terre, qui voyage sur son orbite dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, est au solstice d’hiver le 21 décembre et doit se déplacer encore un peu pour atteindre le périhélie, le 3 janvier. Il y a 11 500 ans, la longitude du périhélie valait 270°, soit la valeur de trois angles droits.
La longitude du périhélie varie à cause de la précession des équinoxes, mais aussi à cause de la précession du périhélie, aussi appelé mouvement des apsides. Il s’agit des deux points extrêmes de l’orbite terrestre : le périhélie P et l’aphélie A. La droite (AP), qui comprend le demi-grand axe de l’orbite terrestre, passe par le Soleil et tourne dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Elle effectue un tour complet en 112 000 ans. Quand elle est comprise entre 0° et 180°, la longitude du périhélie peut être vue comme l’angle orienté entre (AP) et la droite (EpEa), laquelle passe par S et tourne également. Par conséquent, ce n’est pas la période de la précession des équinoxes, de 25 800 ans, qui influe sur les climats terrestres, mais une combinaison de cette période et de la période de la précession du périhélie, à savoir 1/(1/25 800 + 1/112 000) = 21 000 ans.
Les climatologues ont introduit le paramètre de précession e.sin ω, pour exprimer l’action conjointe de la précession des équinoxes et de la variation de l’excentricité de l’orbite terrestre. Pour celle-ci, on distingue deux périodes de 100 000 ans et 413 000 ans. Ce paramètre est égal à l’excentricité e multipliée par le sinus de la longitude du périhélie ω. Si l’excentricité est nulle, il est égal à 0. Les saisons existent toujours mais il n’y a aucune différence d’insolation entre l’été boréal et l’été austral. Si ω est nulle (respectivement égal à 180°), sin ω = 0. La Terre est à l’équinoxe d’automne (resp. de printemps) au périhélie. Les insolations des deux hémisphères sont alors égales bien que la Terre soit au plus près (resp. au plus loin) du Soleil. Il faut que l’excentricité soit élevée et que ω soit proche de 90° ou de 270° pour qu’il y ait une différence d’insolation importante entre l’été boréal et l’été austral quand la Terre est au périhélie et à l’aphélie.
Mais pourquoi tous ces paramètres astronomiques varient-ils ? Pour l’essentiel, ce sont des perturbations causées par les autres corps du Système solaire. La Terre n’est pas sphérique, puisqu’elle tourne sur elle-même en 23 h 56 mn et 4s. Elle possède un léger renflement équatorial. L’attraction gravitationnelle exercée sur lui par le Soleil, la Lune et les autres planètes provoque la précession des équinoxes. La précession du périhélie est surtout due à l’action de Vénus et Jupiter, mais on peut signaler que la relativité générale (la théorie relativiste de la gravitation, élaborée par Albert Einstein) en explique une petite partie : le calcul donne 3,84’’ (secondes d’arc) par siècle. Un tour du Soleil en 112 000 ans correspond à une vitesse angulaire de 11,6’’ par an. La relativité générale joue un rôle plus important dans l’avance du périhélie de Mercure. Au sujet de la variation de l’obliquité, on doit surtout noter qu’elle est limitée par l’action gravitationnelle de la Lune. Sans ce satellite, l’obliquité aurait beaucoup plus varié et les climats de la Terre auraient été plus instables.
Les mécanismes des glaciations
Ainsi, un faible contraste saisonnier est favorable à l’entrée en glaciation. Cette situation peut se réaliser grâce à une obliquité faible, une excentricité faible et un solstice d’été situé à l’aphélie, comme maintenant. La déglaciation se produit, a priori, quand ces conditions sont inversées. Il y a 11 500 ans, le solstice d’été était au périhélie, si bien que l’hémisphère Nord bénéficiait d’une insolation accrue. C’est évidemment une situation favorable à la fonte des calottes glaciaires laurentide et fennoscandienne.
À cela, il faut ajouter une importante rétroaction positive qui joue dans les deux sens. Quand les glaciers commencent à recouvrir l’Amérique du Nord et l’Europe, l’albédo (le pouvoir réfléchissant) de ces territoires augmente. Comme ils absorbent moins de rayonnement solaire, ils se refroidissent, ce qui rend les journées encore moins chaudes qu’elles ne l’étaient et accentue l’avancée des glaciers. On peut ajouter que devant eux, les forêts sont remplacées par une toundra qui absorbe le rayonnement solaire moins bien qu’elles. Le phénomène inverse accentue la fonte de ces calottes glaciaires : elle est remplacée par la toundra à l’albédo moins élevé que la glace, ce qui accentue le réchauffement. En ce moment, l’Europe se réchauffe plus que d’autres continents à cause du recul des surfaces recouvertes de neige et de glace dans l’Arctique.
Équipé de ces données, Milankovitch s’est employé, dès 1920, à calculer les variations de l’insolation à 65° de latitude Nord durant les 600 000 dernières années. Il a présenté la version finale de sa théorie en 1941 dans un livre en allemand. C’est à cette latitude dans l’hémisphère Nord que tout se joue. Il y a de plus grandes surfaces continentales que dans l’hémisphère Sud, or la glace ne peut s’accumuler que sur les continents. Tout le problème est par conséquent de savoir comment des calottes de glace ont pu recouvrir une partie de l’Amérique du Nord et de l’Europe, respectivement qualifiées de laurentide et fennoscandienne. L’idée est assez simple : il faut des étés doux pour que la neige ne fonde pas totalement après les chutes de l’hiver. Il n’est pas nécessaire qu’il y ait d’abondantes chutes de neige. Quand il fait très froid, de puissants anticyclones se constituent durant l’hiver, qui empêchent les précipitations. On le voit en Mongolie, où les hivers sont très froids, mais où le ciel est souvent bleu et la couche de neige reste généralement fine. C’est une condition indispensable pour que le bétail puisse continuer à brouter l’herbe.
Le verdict de l’observation
Il a fallu attendre les années 1970 pour avoir la première confirmation de la théorie astronomique des climats. Le mérite en revient à John Imbrie (1925-2016), secondé à partir de 1980 par son fils John Z. Imbrie. Dans un premier article publié en 1976, avec James D. Hays et Nicholas J. Shackleton, il présente l’évolution du volume des glaces durant les derniers 450 000 ans, mesuré grâce aux isotopes de l’oxygène présent dans les sédiments du sud de l’océan Indien. Ces sédiments peuvent être datés par la radiochronologie. À cette époque, on n’utilise pas encore les carottes de glace de l’Antarctique, qui permettent de connaître la composition passée de l’atmosphère, en plus des températures.
Les auteurs se sont livrés à une analyse spectrale par transformée de Fourier, pour y reconnaître la périodicité de la variation du volume des glaces en fonction du temps. Une fonction sinusoïdale n’a qu’une seule période. Une variation peut être périodique sans être sinusoïdale. Elle a alors plusieurs, voire une infinité de périodes. Les calculs de Hays, Imbrie et Shackleton ont mis en évidence plusieurs périodes qui correspondent à celles prédites par la théorie astronomique des climats. Il y a en a deux de 19 000 et 23 000 ans correspondant au paramètre de précession. Plus haut, j’ai dit que la période est de 21 000 ans parce que mon explication était trop simple. Une période de 42 000 ans correspond à l’obliquité. Enfin, une période de 100 000 est liée à l’excentricité.
Le dioxyde de carbone compte aussi
La théorie de Milankovitch est-elle donc prouvée ? Pas tout à fait. Elle doit encore expliquer pourquoi la période du cycle des glaciations est actuellement de 100 000 ans. À la fin du XIXe siècle, elle a été concurrencée par la théorie de l’effet de serre radiatif, mis au point par le chimiste suédois Svante Arrhenius (1859-1927). Il a calculé qu’une baisse de 40 % de la teneur en CO2 atmosphérique provoque une baisse de la température moyenne globale de 5 °C, ce qui est excellent. La mesure de la teneur en CO2 des carottes de glace de l’Antarctique a montré qu’elle oscillait entre 180 ppmv (0,018 %) durant les maximums glaciaires et 280 ppmv durant les périodes interglaciaires.
Les recherches indiquent maintenant que l’océan Austral agit comme un réservoir qui pompe le CO2 atmosphérique durant les glaciations, les accentuant et les rendant mondiales, puis qui le relâche quand elles se terminent. Comme l’ont démontré Jeremy Shakun en 2012 et Frédéric Parrenin en 2013, les températures augmentent dans l’hémisphère Sud et les tropiques plusieurs milliers d’années avant que les calottes laurentide et fennoscandienne ne commencent à fondre. Ceci est très net à la fin de la glaciation de Würm, aussi appelée terminaison I, qui est bien documentée et datée. Les variations des paramètres astronomiques ne déclenchent pas la déglaciation. En 2004, Didier Paillard et Frédéric Parrenin ont supposé que c’est l’arrivée de la calotte glaciaire au bord du plateau continental qui entraîne la libération du CO2 stocké dans l’océan Austral (expliqué en français dans cet article). Cela ne se produit pas avant qu’elle ait atteint une taille critique.
En tout cas, c’est la baisse de la concentration du CO2 durant le Cénozoïque (l’ère commencée il y a 66 millions d’années, autrefois dite « tertiaire ») qui est à l’origine du cycle des glaciations, et avant cela, de l’englacement de l’Antarctique puis du Groenland. Les variations des paramètres astronomiques ont toujours existé, mais leurs conséquences ont été jusqu’alors peu visibles. Le passage de la concentration du CO2 sous un seuil critique a déclenché cet englacement périodique de l’Amérique du Nord et de l’Europe.
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