forcage_astronomique

Le forçage astronomique des climats

Selon la théorie de Croll-Milankovitch, 3 paramètres astronomiques modulent le climat :

  1. Excentricité
  2. Obliquité
  3. Précession des équinoxes

Ces paramètres sont valables pour les temps récents, ils ne sont pas directement applicables aux temps anciens.

Excentricité

L’excentricité E d’une ellipse est égale à :

E= (a2 – b2)1/2/a

L’excentricité passe d’une valeur nulle (orbite circulaire) à une valeur maximale de 7% (ellipse légèrement aplatie). Pour l’orbite terrestre, il y a 2 périodes :

  • une période courte (« excentricité courte« ) de 95 800 ans (c’est-à-dire proche de 100 000 ans),
  • une période longue (« excentricité longue« ) de 413 000 ans (pour le Crétacé une valeur de 405 ka est retenue comme étant la plus stable, selon Laskar et al., 2011)
excentricité
excentricité de l’orbite terrestre

Ce graphique donne le bilan radiatif sur une année en 106Jm-2. Il montre un excès d’énergie dans l’hémisphère sud. Ceci tient au fait que le solstice d’été austral (notre hiver) coïncide avec le périhélie.

bilan radiatif
bilan radiatif

Ce schéma est dans le plan de l’écliptique. Au solstice d’hiver, c’est le pôle sud qui pointe vers le soleil.  Au solstice d’été c’est le pôle nord qui pointe vers le soleil. On dessine la ligne des solstices. Elle passe par le soleil qui se trouve à un des foyers de l’ellipse. On peut dessiner la ligne des équinoxes qui est perpendiculaire à la ligne des solstices. Les 4 quadrants représentent les saisons.

La direction de la ligne des solstices ne correspond pas au grand axe de l’ellipse (ligne aphélie – périhélie). On remarque que la durée des saisons n’est pas égale (loi de Kepler : la vitesse angulaire est plus forte au voisinage du périhélie). En particulier, les automnes et les hivers sont plus courts (environ 89 jours et sachant que 365/4=91,25. Le solstice d’hiver correspond environ au périhélie, l’irradiation est maximale (351 W/m2).

saisons
Les saisons

On en conclut :

  • Quand l’excentricité est nulle (cercle) , la distance terre-soleil est constante au cours de l’année -à été/hiver moins contrastés,
  • Quand l’excentricité est maximale, la distance terre-soleil est le plus variable au cours de l’année -à été/hiver contrastés.

Du point de vue climatique :

  1. L’excentricité joue donc sur contraste chaud/froid annuel.
  2. L’excentricité joue sur la durée des saisons.

Inclinaison ou obliquité

L’obliquité ou inclinaison est l’angle que forme l’axe des pôles avec la normale au plan de l’écliptique. L’obliquité explique les saisons.

inclinaison
Inclinaison de l’axe terrestre

Cette inclinaison varie de 22° 02’ à 24° 32’

  1. Périodicité 41 000 ans
  2. une autre de 54 000 ans (qui se retrouve très peu dans les archives climatiques).
inclinaison
Variation de l’inclinaison

On a deux configurations extrêmes pour lesquelles au voisinage des pôles et au solstice d’été, la variation d’énergie est de 14%.

Effet climatique de l’obliquité :

  1. Lorsque l’inclinaison de l’axe de la Terre est maximale, les rayons du soleil peinent à atteindre les hautes latitudes en hiver et inversement en été  les étés sont chauds et les hivers rigoureux. Ceci correspond aux climats interglaciaires avec peu de glaces aux hautes latitudes sur les continents.
  2. Inversement, une diminution d’inclinaison correspond à des étés moins chauds et à des hivers moins froids, configuration qui cependant permet le développement des calottes glaciaires continentales.

Précession climatique

precession
La précession climatique

La précession climatique est une combinaison de deux mouvements:

  1. La rotation de 360° dans le sens direct du grand axe de l’orbite de la terre (mouvement de hula-hop).
  2. La rotation conique de l’axe de la terre dans le sens rétrograde (période de 26 000 ans).
précession climatique
La précesssion climatique : une somme de deux phénomènes

Hula-hop : Par rapport aux étoiles, le grand axe de l’ellipse effectue une rotation en 135 000 ans. Ce phénomène modifie le mois de l’année à laquelle la terre est au périhélie. Le périhélie correspond au moment de l’année où la terre est la plus proche du soleil.

hula
Mouvement de hula-hoop

Précession axiale :

La forme ellipsoïdale de la Terre (due à sa rotation sur elle-même et à la force centrifuge qui crée un  bourrelet équatorial) fait que celle-ci oscille comme une toupie. Son axe de rotation, qui pointe actuellement vers l’étoile polaire, décrit un cône autour de la direction perpendiculaire au plan de l’écliptique. Ce mouvement, appelé précession axiale, est très lent puisque l’axe reprend la même position tous les 26 000 ans.( Attention, ceci est indépendant de l’obliquité qui ne concerne que la valeur de l’angle et non la direction de l’axe dans l’espace). Cependant à cause de la rotation simultanée du grand axe de l’ellipse, la position de la Terre sur l’écliptique à chaque saison n’est pas rigoureusement la même tous les 26 000 ans.

Précession
Précession

La précession climatique = hulla-hop + précession axiale. La combinaison des deux mouvements ramène la périodicité à  21 500 ans.
La combinaison de ces deux phénomènes permet de définir la précession climatique. Elle est définie par l’angle entre le périhélie et l’équinoxe de printemps.
Ainsi, à un moment de l’année, par exemple à l’équinoxe de printemps, la Terre ne se trouve pas toujours au même point de son orbite et sa distance au Soleil varie.

  1. Il y a 11 000 ans, au solstice d’été (pour l’hémisphère nord), la Terre était presque au périhélie. Les hivers étaient plus froids mais les étés plus chauds. Cette situation a favorisé la disparition des grands inlandsis édifiés lors de la dernière glaciation.
  2. Aujourd’hui, le solstice d’été intervient dans la partie de l’ellipse orbitale la plus éloignée du Soleil, les étés sont plus frais et les hivers plus doux. Cette situation favorise la croissance des inlandsis.
variations climatiques
Variation climatique due à la précession