Les ères glaciaires ne sont pas provoquées par le voyage de la Terre à travers notre galaxie

Parmi les scientifiques climatosceptiques, figure Nir Shaviv, professeur associé à l’université de Jérusalem. Depuis 2002, il a entrepris de démontrer que les importantes variations de climats que la Terre a connues au cours de son histoire, notamment durant le Phanérozoïque (durant les derniers 541 millions d’années), ne sont pas dues aux variations du taux de dioxyde de carbone. D’après lui, elles auraient été en majeure partie provoquées par le passage du Système solaire à travers les bras de la Voie Lactée, notre galaxie. Celle-ci a la forme d’une spirale barrée et ses bras sont des zones où la densité d’étoiles est élevée. Il y a de fréquentes naissances d’étoiles. Celles qui sont massives ont une durée de vie courte et terminent leur vie en explosant : elles deviennent des supernovas. Ces explosions émettent des rayons cosmiques, constitués de particules dotées d’une très grande énergie, voyageant à une vitesse proche de celle de la lumière.

Durant la traversée des bras, la Terre serait par conséquent soumise à un important flux de rayons cosmiques. Une réduction de l’activité solaire aurait le même effet. L’idée défendue par le physicien danois Henrik Svensmark est que ce flux provoquerait une plus grande formation de nuages de basse altitude, d’où un refroidissement de la Terre. Cette idée n’a pas encore été prouvée et demeure très controversée, mais Nir Shaviv s’est basé dessus pour élaborer sa théorie : durant la traversée des bras spiraux, le refroidissement de notre planète provoquerait des ères glaciaires. Celles-ci sont bien connues. La nouveauté est qu’elles se voient attribuer une origine galactique.

Cette théorie est complexe et présente beaucoup d’incertitudes. Il a fallu par exemple vérifier que le flux de rayons cosmiques auquel est soumis le Système solaire a connu des variations périodiques. Pour cela, Nir Shaviv a utilisé les météorites ferreuses, qui ont été marquées par leur exposition aux rayons cosmiques quand elles étaient encore dans l’espace interplanétaire. Ceux-ci les pénètrent en moyenne sur une cinquantaine de centimètres de profondeur. Ils font varier leur composition isotopique, ce qui permet de leur attribuer un âge apparent. Shaviv trouvé que les âges de 20 météorites de moins de 520 Ma (millions d’années) se répartissent autour de quatre valeurs et il a interprété cette répartition comme un effet de la variation périodique du flux de rayons cosmiques. La période serait de 143 ± 10 Ma. Mais une telle variation devrait affecter tous les types de météorites qui tombent sur la Terre et ce n’est pas le cas. Plus probablement, ces quatre groupes d’âges reflètent des épisodes de créations de météorites. Les météorites ferreuses sont des fragments de noyaux d’astéroïdes de grande taille, brisés lors de collisions.

La théorie de Shaviv a été réfutée par des arguments astronomiques. En 2009, Andrew Overholt, Adrian Melott et Martin Pohl ont tenté de démontrer que la structure spirale de la Voie Lactée n’est pas régulière, que la trajectoire du Système solaire ne l’est pas non plus et qu’il n’y a pas conséquent aucune périodicité dans la traversée des bras. Nir Shaviv a pointé des erreurs dans leurs calculs en 2015. Il n’en reste pas moins que la structure de la Voie Lactée est assez mal connue. Le fait même qu’elle soit spirale est toujours discuté. Ce que l’on peut dire, c’est que le Soleil se trouve à 27 000 années-lumière du centre et qu’il orbite à une vitesse de 220 km/s. Pour Terry Sloan et Arnold Wolfendale, l’intensité des rayons cosmiques ne varie que de 10 à 20 % durant ce parcours. Leur étude, publiée en 2013, se base sur l’astronomie des rayons gamma. Une variation d’intensité aussi faible ne peut influer sur les climats.

Ici, je vais montrer que d’après la paléoclimatologie, les ères glaciaires n’ont pas de caractère périodique. Le rôle du dioxyde de carbone, et donc en définitive de la tectonique des plaques, dans l’évolution des climats, sera réaffirmé. Dans la première figure extraite d’un article de Nir Shaviv et Jan Veizer publié en 2003, les courbes du haut donnent l’évolution du taux de CO₂ sur une période de 500 millions d’années (plus exactement, le logarithme de base 10 du rapport entre les pressions partielles anciennes et actuelle de CO₂). La courbe bleue GEOCARB III de Robert Berner et Zavareh Kothavala, qui fait référence, a été obtenue par simulation complète du cycle du carbone. Tout ce qui fait varier son taux dans l’atmosphère a été pris en compte. Les incertitudes sont indiquées par des hachures bleues. Le taux de CO₂ était inférieur à 0,05 % durant une partie du Carbonifère et du Permien et il l’est maintenant, à la fin du Cénozoïque (Paléogène et Néogène). Ces estimations sont corrélées par des indicateurs géochimiques. Il existe en effet des moyens d’estimer le taux de CO₂ atmosphérique dans les archives géologiques :

1.La mesure des isotopes du carbone dans des minéraux provenant d’anciens sols (carbonate de calcium et goethite). Ces informations sont disponibles à partir du Dévonien, époque durant laquelle les premières forêts sont apparues.

2. L’observation des stomates des plantes terrestres. Elles permettent de remonter jusqu’au Carbonifère, qui a livré des feuilles très bien fossilisées.

3. La mesure des isotopes du carbone du phytoplancton, valable jusqu’au Crétacé.

4. La mesure des isotopes du bore des foraminifères planctoniques, un plancton animal très utilisé en paléoclimatologie, valable pour le Cénozoïque.

Les deux périodes à taux bas de CO₂ correspondent aux deux grandes ères glaciaires du Phanérozoïque, l’éon qui s’étend du début du Cambrien, il y a 541 Ma, jusqu’à maintenant. Celle du Carbonifère et du Permien a duré environ 65 Ma. Il s’agit en fait d’une série de glaciations qui a débuté vers 325 Ma et qui s’est terminée vers 260 Ma, avant une remontée brutale des températures. Elle a affecté le nord et le surtout le sud de la Pangée, un supercontinent assemblé durant le Carbonifère. La baisse du taux de CO₂ est due à cette orogenèse et à l’abondante sédimentation de charbon. La deuxième ère glaciaire, la nôtre, coïncide avec de nouvelles orogenèses, dont l’Himalaya. Un nouveau supercontinent est en train de naître puisque l’Afrique et l’Australie vont s’accoler à l’Eurasie.

Les courbes du bas sont des rapports isotopiques de coquilles d’animaux marins (bélemnites, brachiopodes, foraminifères…) ayant vécu dans des eaux tropicales superficielles. Elles donnent une idée de l’évolution des températures. Un accroissement constant, qui s’étend sur tout le Phanérozoïque, en a été supprimé. Les différentes courbes correspondent à autant de méthodes de calcul – lissage sur des moyennes mobiles. Elles commencent à partir de l’Ordovicien. Les paléolatitudes des débris de roches transportés par des icebergs (paleolatitudinal distribution of ice-rafted debris, PIRD) dont données à droite. Elles vont de 90° à 30° de latitude. Ces débris ont été lâchés par les icebergs sur lesquels ils voyageaient et se sont retrouvés dans des sédiments marins. Leur descente vers des latitudes basses témoigne de climats froids. Les autres indices de glaciations (other glacial deposit, OGD) ont été indiqués en mauve, avec une échelle arbitraire.

Ces courbes ont une allure sinusoïdale et Nir Shaviv leur a attribué une période de 145 ± 7 Ma qui correspond très bien à son estimation de la variation du flux de rayons cosmiques. Cependant, elles sont contestables. La durée estimée de la glaciation ordovicienne est beaucoup trop longue. Il a existé une calotte glaciaire sur le supercontinent Gondwana, qui s’est plus tard accolé à la Laurussia pour former la Pangée, mais elle n’a pas duré plus d’un million d’années. Si elle doit son existence à une baisse du taux de CO₂, celle-ci a été trop brève pour apparaître dans le modèle GEOCARB III, car les calculs ont été effectués avec des pas de 10 Ma. Un noyau glaciaire s’est formé à la fin du Dévonien, non indiqué sur cette figure. Il se trouvait sur le Gondwana, sur la future Amérique du Sud. Il n’y a jamais eu de calotte glaciaire durant le Mésozoïque (l’ère des dinosaures), même si un refroidissement s’est produit à la fin du Jurassique. L’existence de débris de roches transportés par des iceberg n’est pas du tout certaine. Cette ère a été globalement chaude.

Ainsi, la correspondance proclamée entre l’évolution des climats de la Terre et le flux supposé de rayons cosmiques est fausse. Mais alors, cela implique que les coquilles en calcite et en aragonite des animaux marins fournissent des indications erronées sur les paléotempératures. En 2004, Dana Royer, Robert Berner et trois autres scientifiques ont expliqué ce phénomène par une influence du pH de l’eau de mer sur ces coquilles. Leur explication a immédiatement été rejetée par Veizer et Shaviv, mais cela n’empêche pas cette correspondance de rester fausse.

L’absence de périodicité des ères glaciaires apparaît de manière plus évidente si l’on remonte jusqu’à un milliard d’années. Nir Shaviv a pourtant pris le risque de maintenir son explication. Cette figure, publiée dans New Astronomy en 2003, met en parallèle le passage du Système solaire dans les quatre bras spiraux de la Voie Lactée, l’augmentation du flux de rayons cosmiques et les données paléoclimatiques. Les évènements majeurs de cette période sont deux glaciations totales de la Terre, dites sturtienne et marinoenne. Elles couvrent une période allant de 720 à 635 Ma, séparées par une dizaine de millions d’années. Plus tard, vers 580 Ma une autre glaciation, sévère mais pas totale, se produit : la glaciation varangienne ou de Gaskiers. Les chronologies fournies par Shaviv doivent être révisées. Si l’on maintient celle de la traversée des bras, le Cryogénien se voit correspondre au passage de la Terre dans une zone inter-bras, censée être une période chaude pour notre planète. De plus, Shaviv a placé une glaciation vers 900 Ma, avec tout de même un point d’interrogation, qui n’est pas attestée. Elle aurait été provoquée par le passage parfaitement hypothétique de la Terre dans le bras Norma.

Les glaciations du Cryogénien sont expliquées par des facteurs purement terrestres. Cette époque correspond à la fracturation du supercontinent Rodinia. C’était une immense étendue de roches et de sables dépourvus de végétation, car la vie n’existait alors que dans les mers sous forme d’organismes unicellulaires et d’algues. Les roches nues réfléchissaient plus la lumière du Soleil que la végétation, ce qui baissait la température globale. La dislocation de la Rodinia s’est accompagnée d’abondantes émissions de basalte. Ces roches étaient en position intertropicale et donc soumises à de fortes pluies. Leur érosion a retiré du CO₂, selon un processus chimique qui explique également les ères glaciaires du Phanérozoïque.

En 2014, Nir Shaviv, Andreas Prokoph et Jan Veizer ont annoncé la découverte d’un autre cycle de 32 Ma, qu’ils ont attribué à l’oscillation du Système solaire autour du plan de la Voie Lactée. Ce phénomène, qualifié de mouvement vertical, est reconnu par les astronomes. Elle se ferait avec une période de 90 Ma. La distance actuelle du Soleil au plan principal de la Voie Lactée serait comprise entre 16 et 98 années-lumière. Leur découverte a été confirmée en 2018 par Slah Boulila, Jacques Laskar et trois autres scientifiques, par une méthode différente : l’étude des variations du niveau des mers. Elles peuvent se lire dans les sédiments conservés sur les anciens plateaux continentaux. Un niveau bas correspond à un climat global froid, voire à une glaciation. La courbe ci-dessus montre un cycle de 33 Ma superposé à un autre cycle beaucoup plus long, d’environ 250 Ma, mais il y a des incertitudes pour le début du Phanérozoïque (P = Paléozoïque, M = Mésozoïque, C = Cénozoïque).

Le cycle de 145 Ma supposé par Shaviv est absent de cette courbe. On y retrouve en revanche les deux ères glaciaires dont il a été question ici, celle de la fin du Paléozoïque et celle du Cénozoïque, appelées icehouses « glacières ». Le niveau des mers était alors bas. Il était élevé durant les périodes greenhouses « serres », en particulier durant le Mésozoïque. La France a été en grande partie inondée durant le Jurassique et le Crétacé. La brève glaciation de l’Ordovicien semble être une anomalie dans une période plutôt chaude. Les cinq chercheurs pensent qu’une origine galactique de ces deux cycles est possible, le cycle de 250 Ma étant dû à la variation de la distance du Système solaire au centre de la Voie Lactée. Ils n’excluent cependant pas une cause géologique, liée à la formation de supercontinents.

Ils acceptent la théorie de Svensmark, qui a été l’un des relecteurs de leur article. Mais elle reste une théorie, tandis que l’effet du dioxyde de carbone sur le climat est prouvé. Plus son taux dans l’atmosphère est élevé, plus il fait chaud.

Voir Les climats du Cénozoïque

*******************************************************************************

Nir J. Shaviv, Cosmic Ray Diffusion from the Galactic Spiral Arms,Iron Meteorites, and a possible climatic connection ?, Physical Review Letters 89, 051102, 16 July 2002.

Nir J. Shaviv, The Spiral Structure of the Milky Way, Cosmic Rays, and Ice Age Epochs on Earth, New Astronomy 8-1, 39-77, January 2003.

Nir J. Shaviv, Jan Veizer, Celestial driver of Phanerozoic climate?, GSA Today, July 2003.

Dana L. Royer et al., CO2 as a primary driver of Phanerozoic climate, GSA Today, March 2004.

Nir Shaviv, Jan Veizer, CO2 as a primary driver of Phanerozoic climate : COMMENT, GSA Today, 2004.

Andrew C. Overholt et al., Testing the link between terrestrial climate change and Galactic spiral arm transit, The Astrophysical Journal, 20 October 2009.

T. Sloan, A.W. Wolfendale, Cosmis rays and climate over the past 1000 million years, New Astronomy 25, 45-49, December 2013.

Nir Shaviv et al., Is the Solar System’s Galactic Motion Imprinted in the Phanerozoic Climate ?, Scientific Reports, 21 August 2014.

Slah Boulila et al., Long-Term Cyclicities in Phanerozoic Sea-Level Sedimentary Record and their Potential Drivers, Global and Planetary Change 165, 128-136, June 2018.