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Terre

Climats du passé : Le climat du dernier millénaire
lundi 16 juin 2008
par MUSY Cécile
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4.1 Les indicateurs du climat

4.1.1 Les archives historiques : les hommes racontent le climat

Les événements météorologiques et climatiques extrêmes ont des conséquences parfois dramatiques sur les activités humaines, en particulier sur la production agricole et sur les échanges commerciaux. C’est pour cela que depuis le Moyen Âge les hommes relèvent les événements météorologiques et climatiques marquants, comme les gelées longues et intenses ou les sécheresses. Pour rechercher les conditions climatiques du dernier millénaire, les scientifiques utilisent de nombreuses archives qui donnent des indications sur le climat, comme les annales des observations météorologiques :

« 1829-1830 : hiver l’un (sic) des plus rigoureux du siècle appelé le Froid Hiver. Il commença dès le 3 décembre et dura soixante-huit jours consécutifs […]. On entendait les arbres éclater dans les forêts et la terre était gelée à un mètre de profondeur, dans les lieux couverts de neige, et à un mètre et demi dans les lieux non abrités. La Moselle et la Moselotte, dans les Vosges, étaient partout prises et en certains endroits la glace avait jusqu’à un mètre et demi d’épaisseur. On constate, à Épinal, 26° centigrades le 3 février. »
Recherche sur les phénomènes météorologiques de la Lorraine, Par Orly, Instituteur, Officier de l’instruction publique. Bulletin de la Société de géographie de l’Est, 1885 (http://gallica.bnf.fr/).
Les dates d’ouverture des vendanges
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Bertall (1820-1882). La vigne, voyage autour des vins de France : étude ; http://gallica.bnf.fr/
Bertall (1820-1882). La vigne, voyage autour des vins de France : étude ; http://gallica.bnf.fr/

Depuis le Moyen Âge, les dates de début des vendanges du raisin sont décrétées par les notables de chaque village et notées dans des registres municipaux ou paroissiaux. Les plus anciennes séries de données, de Bourgogne, datent du 13ème siècle (Chuine et al, 2004). Les dates de vendanges sont influencées par la température du printemps et de l’été (Le Roy Ladurie, 2005). Lorsque ces saisons sont chaudes, elles favorisent la croissance de la vigne et la date de vendanges est précoce. Les dates de vendanges sont donc utilisables comme indicateurs (« proxies ») de la température du printemps et de l’été de l’année.

Les archives historiques sont parfois biaisées par des facteurs humains. Par exemple, les dates de vendanges au 18ème siècle sont plus tardives que celles des siècles précédents. Cet écart est dû au fait que les vignerons, pour faire un meilleur vin, vendangent plus tard dans la saison (Le Roy Ladurie, 2005).

4.1.2 Les données proxies naturelles

Les données obtenues à partir des cernes d’arbres

Les arbres produisent un cerne de croissance par an. L’épaisseur de ces cernes renseigne sur la température : une saison de croissance (printemps et été) chaude et humide favorise le développement de l’arbre et le cerne annuel est épais. En mesurant l’épaisseur de tous les cernes d’un arbre, les conditions climatiques de chaque année de sa vie peuvent être reconstituées. Pour retracer le climat du passé, les études s’effectuent sur des pièces de bois telles que des poutres de maisons anciennes ou des arbres fossiles retrouvés sur les sites archéologiques. La science qui étudie le climat à partir des cernes d’arbres est la « dendroclimatologie ». Des analyses chimiques de chaque cerne donnent des indications plus précises sur la température et l’humidité de la région (Encadré 4.1). Des courbes de l’épaisseur des cernes depuis 10 000 ans permettent de dater les pièces archéologiques.

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Encadré 4.1 : Les données isotopiques des cernes d’arbres
Les profils thermiques des sols

Les variations de température à la surface de la Terre se propagent lentement dans le sol (Figure 4.1). En mesurant la température dans des trous de forage à différentes profondeurs, il est possible de reconstituer les variations de température avec le temps (Encadré 4.2).

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Figure 4.1. Exemple de propagation d’une variation annuelle de température
Propagation dans le sol et diminution de l’amplitude de la variation (données : http://planet-terre.ens-lyon.fr/pla...).
Figure 4.1. Exemple de propagation d’une variation annuelle de température
Propagation dans le sol et diminution de l’amplitude de la variation (données : http://planet-terre.ens-lyon.fr/pla...).
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Encadré 4.2 : Les profils thermiques en détail
Les carottes de glace

Des forages de glace renseignent sur le climat des derniers millénaires : température, composition de l’atmosphère, précipitations, etc. (Jones & Mann, 2004). Hou et al (2007) ont par exemple étudié, dans des carottes de l’Himalaya, la fonte qui s’est produite chaque été durant les derniers 1000 ans. La fonte dépend de la température de l’été, dont les scientifiques ont pu retracer l’évolution au cours du millénaire.

L’avancée des glaciers de montagne

La taille d’un glacier est contrôlée par le climat : les précipitations de neige en hiver augmentent le volume de glace alors que la fonte en été diminue son volume. Si le climat se refroidit, le glacier augmente de volume et descend plus bas dans les vallées. A l’inverse, il recule lors d’un réchauffement. La taille des glaciers peut être utilisée pour reconstituer le climat depuis les années 1700 (Figure 4.2) (Oerlemans, 2005).

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Figure 4.2. Fluctuations de longueur de glaciers depuis 1700
Les longueurs sont exprimées en variations par rapport à 1950 (Oerlemans, 2005)
Figure 4.2. Fluctuations de longueur de glaciers depuis 1700
Les longueurs sont exprimées en variations par rapport à 1950 (Oerlemans, 2005)

4.1.3 Les reconstructions de température en pratique

Les reconstructions de température du millénaire se basent sur des méthodes indirectes, appelées « proxies ». Les données proxies sont complémentaires mais chaque méthode possède des biais et des limitations : informations sur une saison seulement, imprécisions sur la datation, etc. Les reconstitutions du climat du millénaire combinent plusieurs types d’archives, qui peuvent être réparties sur une large région du globe (par hémisphère par exemple). Comme elles associent plusieurs proxies, elles sont appelées « reconstructions multi-proxy » (Jones & Mann, 2004).

4.2 Les grandes périodes climatiques du dernier millénaire

4.2.1 L’optimum climatique médiéval

Un Groenland tiède ?

Le Groenland tire son nom du danois et signifie « terre verte ». Pourtant cette région est maintenant plutôt froide ! La raison en est que lorsque les Vikings ont colonisé le sud du Groenland, vers l’an 1000, son climat était doux. Cette région était recouverte de végétation et relativement hospitalière, c’est pourquoi ils l’ont nommée ainsi.

Les faits
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Les Très Riches Heures du duc de Berry, aout (détail) ; 1412 - 1416 ; frères de Limbourg ; www.wikipedia.org
Les Très Riches Heures du duc de Berry, aout (détail) ; 1412 - 1416 ; frères de Limbourg ; www.wikipedia.org
  • Température

Les archives climatiques montrent que l’hémisphère Nord était relativement chaud entre l’an 950 et 1200 (Figure 4.4). Cette période est appelée « optimum climatique médiéval » (OCM) (Jones & Mann, 2004). Néanmoins, toutes les reconstitutions climatiques montrent que la température a évolué différemment suivant les régions. A l’heure actuelle, les preuves sont insuffisantes pour affirmer que l’OCM était aussi chaud ou plus chaud que le 20ème siècle, ce qui fournirait des arguments aux partisans d’une origine naturelle du réchauffement moderne (IPCC, 2007a). Cependant, l’OCM semble au contraire légèrement plus froid que la période actuelle : les températures estimées sont entre 0,1 et 0,2°C inférieures à la moyenne 1961-1990 et sont significativement inférieures à la période postérieure à 1980 (IPCC, 2007a). De plus, le réchauffement médiéval a été plus lent : il s’est accompli en plusieurs siècles, alors que le réchauffement moderne s’est réalisé en quelques décennies seulement.

L’hémisphère Sud a également connu un réchauffement, mais plus tardif : aux 14ème et 15ème siècles. Ce « retard » de 150 ans entre les deux hémisphères serait dû au délai du transfert de chaleur par les océans (Goose et al, 2004).

  • Précipitations

Au cours du Moyen Âge, certaines régions ont connu des sécheresses violentes alors que d’autres ont subi des pluies exceptionnelles. La distribution spatiale de l’hydroclimat présentait des similitudes avec la répartition des sécheresses du réchauffement des dernières décennies (Seager et al, 2006). Par exemple, la région méditerranéenne et le Sahel étaient secs, comme actuellement.

Le climat médiéval n’est donc pas caractérisé par un réchauffement global ; il est de plus marqué par des contrastes régionaux de précipitations. Certains auteurs suggèrent qu’il serait préférable de nommer cette période « anomalie climatique médiévale » (Bradley et al, 2003) ou « période sèche prolongée » (Jones & Mann, 2004).

Les causes

Durant l’optimum climatique médiéval, la radiation solaire est élevée. La stratosphère absorbe plus d’ultraviolets et se réchauffe (Bradley et al, 2003). La circulation atmosphérique est modifiée (Encadré 4.3). C’est pour cette raison que seules certaines régions du globe se réchauffent, comme l’Europe.

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Encadré 4.3 : La circulation atmosphérique au Moyen Âge
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Figure 4.4. Forçages radiatifs (a-c) et températures de l’hémisphère Nord simulées (d) du dernier millénaire
a : activité volcanique ; b : variations de l’irradiance solaire ; c : autres forçages, différents selon les modèles mais incluant toujours les gaz à effet de serre et, excepté pour ceux en lignes pointillées après 1900, les aérosols sulfatés troposphériques. (d) températures (°C) de l’hémisphère Nord simulées à partir des forçages "a" à "c". Les forçages et les températures sont exprimés en anomalies par rapport à la moyenne 1500 à 1899 et sont moyennés sur 30 ans (IPCC, 2007a)
Figure 4.4. Forçages radiatifs (a-c) et températures de l’hémisphère Nord simulées (d) du dernier millénaire
a : activité volcanique ; b : variations de l’irradiance solaire ; c : autres forçages, différents selon les modèles mais incluant toujours les gaz à effet de serre et, excepté pour ceux en lignes pointillées après 1900, les aérosols sulfatés troposphériques. (d) températures (°C) de l’hémisphère Nord simulées à partir des forçages "a" à "c". Les forçages et les températures sont exprimés en anomalies par rapport à la moyenne 1500 à 1899 et sont moyennés sur 30 ans (IPCC, 2007a)

4.2.2 Le petit âge glaciaire

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Paysage d’hiver (dans le Brabant en Belgique), Détail ; Pieter Brueghel le Jeune, 1565 ; www.ibiblio.org
Paysage d’hiver (dans le Brabant en Belgique), Détail ; Pieter Brueghel le Jeune, 1565 ; www.ibiblio.org

De nombreux tableaux réalisés entre le 17ème et le 19ème siècles montrent des paysages enneigés et des étangs gelés. La période entre 1450 et 1850 est en effet relativement froide (Figure 4.4) (Jones et Mann, 2004). Elle est appelée « petit âge glaciaire » (PAG), du nom des « longues » périodes glaciaires du dernier million d’années.

Cette tendance est ponctuée de périodes plus froides à l’échelle décennale. Comme durant l’optimum climatique médiéval, le climat est très variable suivant les régions du globe. En Europe le climat est plus froid vers 1600, à la fin du 17ème siècle et au 19ème siècle, qui a été le siècle le plus froid depuis 1500 (Luterbacher et al, 2004).

Ces refroidissements sont attribués à une faible activité du Soleil , dont l’énergie envoyée à la Terre diminue. De plus, les nombreuses éruptions volcaniques réduisent l’ensoleillement. Entre 1400 et 1850, la part du volcanisme dans la température est de 49 % (Crowley, 2000). Ainsi, les éruptions du volcan Laki en Islande en 1783 ont provoqué un refroidissement de l’hémisphère Nord de 0,2°C sur l’année entière (Highwood & Stevenson, 2003).

4.3 Les facteurs climatiques

Les phénomènes susceptibles de forcer le climat sont déterminés à partir des données proxies. Les modélisations numériques permettent de connaître si les forçages auraient réellement l’effet observé sur le climat décrit par les données.

4.3 1 L’activité solaire

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Image du soleil dans l’ultraviolet (TRACE)
http://melamp.obspm.fr/Astrofluides...
Image du soleil dans l’ultraviolet (TRACE)

A l’échelle du millénaire, les variations orbitales représentent un forçage négligeable. En revanche, l’énergie en provenance du Soleil (l’« irradiance solaire ») varie sensiblement au cours du temps et a des répercussions sur le climat (Figure 4.4) ( Encadré 4.4).

Les proxies de l’irradiance solaire

L’irradiance solaire ne peut être évaluée précisément qu’à partir de satellites et n’est donc mesurée que depuis quelques décennies seulement. Des méthodes indirectes (« proxies ») sont utilisées pour retrouver les variations d’activité solaire du millénaire ; les plus utilisées sont les taches solaires et les isotopes cosmogéniques ( Encadré 4.4).

  • Les taches solaires

Une tache solaire est une zone relativement plus froide et plus sombre que le reste de la surface du Soleil (photosphère). La température y est de 3900°C au lieu de 5700°C (Hoyt & Schatten, 1997). Ces figures sont remarquées dès l’Antiquité. Elles seront consignées à partir du 17ème siècle. Un nombre de taches important signifie que l’irradiance solaire est élevée ( Encadré 4.4).

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Encadré 4.4 : Les proxies de l’irradiance solaire
Les variations passées de l’irradiance

Le millénaire a connu plusieurs périodes caractérisées par une activité solaire élevée (maxima) ou faible (minima) (Figures 4.3 et 4.4). Ces périodes concordent avec les épisodes climatiques doux ou froids (Tableau 4.1).

Période d’activité solaire Période climatique
maximum médiéval (1140-1200) optimum climatique médiéval
minimum de Spörer (vers 1500) Petit age glaciaire
minimum de Maunder (1645-1715) Petit age glaciaire
minimum de Dalton (vers 1800) Petit age glaciaire
maximum moderne (depuis 1900) réchauffement moderne

Tableau 4.1 : Principales périodes d’activité solaire et variations climatiques liées (données : Fröhlich & Lean, 2004)

L’irradiance solaire varie selon des cycles (Deconinck, 2006). Il existe de nombreux cycles à l’échelle séculaire ou millénaire, comme le cycle de Gleissberg de 90 ans, le cycle de Suess de 210 ans ou le cycle de Hallstattzeit de 2300 ans. Les variations climatiques depuis 100 000 ans sont également contrôlées par un cycle solaire de 1500 ans. L’activité solaire depuis le maximum médiéval (vers 1200) jusqu’au maximum moderne correspond au dernier cycle (Bond et al, 2001). Entre le minimum de Maunder et la période actuelle (1750-2005), l’irradiance a augmenté de 0,12 W.m-2, soit 0,08 % (IPCC, 2007a).

4.3.2 Le volcanisme

Les éruptions volcaniques rejettent du dioxyde de soufre (SO2) jusqu’à 30 km d’altitude (Robock, 2000). Ce SO2 forme dans l’atmosphère des particules très fines en suspension, appelées « aérosols ». Le nuage d’aérosols effectue le tour du globe, en restant à la latitude du volcan, en quelques semaines. Il se déplace ensuite vers les plus hautes latitudes en quelques mois. Pour les éruptions proches de l’équateur, les aérosols parcourent les deux hémisphères et circulent dans l’atmosphère du globe entier. Au contraire, pour les éruptions à des latitudes plus hautes, le nuage ne s’étend que sur un hémisphère.

Les aérosols sulfatés persistent dans l’atmosphère pendant un ou deux ans. Ils forment un « voile » qui empêche le rayonnement solaire d’atteindre la surface terrestre, ce qui refroidit la planète (Figure 4.4) ( Encadré 4.5).

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Encadré 4.5 : Les répercussions du volcanisme sur le climat

4.4 Le climat, déclencheur de la Révolution Française ?

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Prise de la Bastille, JP Houël , 1789 ; détail ; www.wikipedia.org
Prise de la Bastille, JP Houël , 1789 ; détail ; www.wikipedia.org

La fin des années 1780 se situe pendant une période froide du petit âge glaciaire (Figure 4.4). Les conditions météorologiques des années 1787 et 1788 sont très néfastes pour les cultures de céréales, qui sont la nourriture de subsistance du peuple : l’automne 1787 est pluvieux et perturbe les semailles, l’hiver 1787-1788 est doux et apporte des parasites et des mauvaises herbes, le printemps 1788 chaud et sec empêche la croissance des céréales, l’été est pluvieux et les cultures pourrissent (Le Roy Ladurie, 2006). Aux prix élevés des céréales insuffisantes s’ajoutent les taxes du roi et des seigneurs. Le peuple se retourne alors contre le roi…


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Figure 4.3 : Observations des taches solaires depuis 1870
(a) aire des taches solaires en fonction de la latitude solaire (diagramme de Maunder ou diagramme papillon ; (b) aire des taches solaires totale (http://solarscience.msfc.nasa.gov)
Figure 4.2. Fluctuations de longueur de glaciers depuis 1700
Les longueurs sont exprimées en variations par rapport à 1950 (Oerlemans, 2005)
Figure 4.1. Exemple de propagation d’une variation annuelle de température
Propagation dans le sol et diminution de l’amplitude de la variation (données : http://planet-terre.ens-lyon.fr/pla...).
Figure 4.4. Forçages radiatifs (a-c) et températures de l’hémisphère Nord simulées (d) du dernier millénaire
a : activité volcanique ; b : variations de l’irradiance solaire ; c : autres forçages, différents selon les modèles mais incluant toujours les gaz à effet de serre et, excepté pour ceux en lignes pointillées après 1900, les aérosols sulfatés troposphériques. (d) températures (°C) de l’hémisphère Nord simulées à partir des forçages "a" à "c". Les forçages et les températures sont exprimés en anomalies par rapport à la moyenne 1500 à 1899 et sont moyennés sur 30 ans (IPCC, 2007a)
Image du soleil dans l’ultraviolet (TRACE)
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Paysage d’hiver (dans le Brabant en Belgique), Détail ; Pieter Brueghel le Jeune, 1565 ; www.ibiblio.org

Les Très Riches Heures du duc de Berry, aout (détail) ; 1412 - 1416 ; frères de Limbourg ; www.wikipedia.org

Bertall (1820-1882). La vigne, voyage autour des vins de France : étude ; http://gallica.bnf.fr/


Prise de la Bastille, JP Houël , 1789 ; détail ; www.wikipedia.org

Disponible en téléchargement
Encadré 4.1 : Les données isotopiques des cernes d’arbres
Type : PDF (19.8 ko)
Mis à jour le : samedi 14 juin 2008

Encadré 4.2 : Les profils thermiques en détail
Type : PDF (13.9 ko)
Mis à jour le : samedi 14 juin 2008

Encadré 4.3 : La circulation atmosphérique au Moyen Âge
Type : PDF (16.8 ko)
Mis à jour le : samedi 14 juin 2008

Encadré 4.4 : Les proxies de l’irradiance solaire
Type : PDF (280.6 ko)
Mis à jour le : samedi 14 juin 2008

Encadré 4.5 : Les répercussions du volcanisme sur le climat
Type : PDF (15.7 ko)
Mis à jour le : samedi 14 juin 2008


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