Historique

Cycle de Milankovitch

1. Biographie

    Milutin Milankovitch est né en 1879 en Autriche-Hongrie (aujourd'hui Croatie) et mort en 1958 en Serbie. C'était un ingénieur, astronome, géophysicien et climatologue.

Il a publié la Théorie astronomique du climat (1941), concernant l'ensoleillement global ou mettant en évidence l'existence des cycles climatiques et leur relation avec les conditions astronomiques. Il a par ailleurs proposé la théorie des mouvements des continents sur Terre. Il est l'auteur du calendrier astronomique le plus précis, entre autres.

Il a été proclamé par la NASA comme l'un des plus importants savants dans le domaine des sciences de la Terre et un prix décerné depuis 1933 dans le domaine de climatologie et de météorologie porte son nom.

2. Le Cycle

    Cette théorie astronomique des climats se fonde sur l'idée que les variations à long terme des paramètres de l'orbite et de la rotation terrestre entraînent des variations de l'ensoleillement sur Terre, et donc des variations climatiques. En effet, le mouvement elliptique de la Terre change avec le temps à cause des forces exercées sur elle par la Lune et les autres planètes du Système Solaire. Ainsi, les paramètres orbitaux et l'orientation de la Terre sont affectés et modifiés. Les variations de l'insolation à la surface de la Terre, et surtout aux Pôles, sont dues à la variation de la distance entre la Terre et le Soleil et à la variation de son orientation. Les variations de l'ensoleillement sont donc contrôlées par 3 paramètres :

    Les variations de l'excentricité de l'orbite terrestre

C'est le degré d'aplatissement de l'ellipse tracée par la Terre par rapport à un cercle. En effet, le mouvement elliptique dû à l'attraction du Soleil sur la Terre est modifié par l'attraction des autres planètes du système solaire et de la Lune, en fonction de leur position et de leur éloignement par rapport à la Terre (étant donné qu'il y a 8 planètes de différentes tailles, densités, etc... les forces ne se compensent pas). Il y a donc une variation de la distance entre la Terre et le Soleil du périhélie (la plus petite distance entre la Terre et le Soleil, de valeur 0,983 ua ou unité astronomique, soit 147 054 700 km) à l'aphélie (la plus grande distance entre la Terre et le Soleil, de valeur 1,017 ua, soit 152 141 000 km) avec une distance moyenne de 1,00 ua, soit 149 597 870 700 m. Le cycle des variations de l'excentricité de l'orbite terrestre dure 100 000 ans.

On peut calculer l'excentricité de l'orbite par : e = FC / a avec :

[AF] = 152 097 701 km

[PF] = 147 098 074 km

2a = AF + PF = 299 195 775 donc a = 149 597 887.5

Ainsi e = ( 2a - a - PF ) / a 

         e = 2 499 813.5 / 149 597 887.5

         e = 0.016

Donc l'excentricité est de 0.016. Etant compris entre 0 et 1, l'orbite est une ellipse.

Les échelles n'ont pas été respectées sur ce schéma pour une meilleure compréhension.

    Les variations de l'obliquité de l'axe par rapport au plan de l'écliptique

Ce sont les variations de l'angle entre l'axe de rotation de la Terre et la perpendiculaire au plan de l’écliptique de la Terre. A cause des perturbations planétaires, cet angle évolue et oscille. D'autre part, la Terre n'étant pas tout à fait sphérique, mais aplatie aux pôles, les forces exercées par le Soleil et la Lune la font tourner comme une toupie autour de la perpendiculaire au plan de l'écliptique. Ces deux effets engendrent une oscillation de l'obliquité de l'axe de rotation de la Terre entre 22° et 24,5°. Le cycle dure 41 000 ans. L'obliquité est à l'origine des saisons : elle module la quantité d'ensoleillement aux différentes latitudes en fonction des saisons. Plus l'axe est droit, plus la chaleur est concentrée à l'équateur, alors qu'une forte obliquité favorise un meilleur ensoleillement des pôles. (Ainsi, si l'obliquité était nulle, il n'y aurait pas de saisons sur Terre. On remarque aussi que les hautes latitudes sont beaucoup plus sensibles aux variations de l'obliquité de l'axe que celles du plan équatorial à cause de l'étalement des rayons du Soleil.)

   La precession des équinoxes

C'est le changement de direction de l'axe de rotation de la terre, due au fait que la Terre ne tourne pas sur elle-même comme un ballon sphérique, mais comme une toupie : d'abord droite, puis en ralentissant sa « tige » (son axe de rotation) décrit un cercle autour d'alpha ursae minoris, une étoile de la Petite Ourse, qui indique le nord céleste. Mathématiquement, c'est le produit entre l'excentricité et le sinus de l'angle entre l'équinoxe de printemps et le périhélie. Cela détermine les changements de saison au niveau astronomique. En effet, l'axe balaye un cône variant entre 44° et 49° : la positions des solstices et des équinoxes évolue le long de l'orbite terrestre. Ce cycle dure 22 000 ans.

    Actuellement

L'excentricité actuelle est très faible : de 0,016 710 22

L'obliquité de l'orbite terrestre vaut 23,5, elle est décroissante et atteindra son minimum dans environ 10 000 ans.

L'axe aura le meilleur alignement avec alpha ursae minoris en 2015 et s'éloigne au cours du temps. Au solstice d'été dans l'hémisphère Nord, la Terre est à une plus grande distance du Soleil qu'au moment du solstice d'hiver, ce qui donne des étés plus frais et des hivers moins rigoureux.

Paramètres qui déterminent les variations de l'ensoleillement d'après Milankovitch

Inclinaison de l'axe au cours du temps

    Au fil des années et des découvertes, la Terre nous révèle ses secrets. En effet, grâce au cycle de Milankovitch nous savons maintenant que les trois paramètres qu’il a définis influent sur le climat de la Terre. La période la plus récente des temps géologiques, le Quaternaire, est marquée par la succession de périodes de glaciation et des périodes chaudes. Or, les mises en glace, c'est-à-dire lorsque la Terre connaît en son hémisphère Nord des étés plus frais et des hivers plus doux sont plus lentes que les déglaciations (nous ne nous intéressons pour ce sujet qu’à l’hémisphère Nord car peu de choses changent dans l’hémisphère Sud lors des glaciations et des déglaciations). L’inclinaison de l’axe joue un rôle dans l’établissement de ces périodes car plus cette inclinaison est faible, plus les étés sont frais et inversement. Ainsi, sachant que l'inclinaison a toujours varié au fil du temps entre 21,60° et 24,50° sur une période de 41 000 années, plus l’angle est proche des 21.6°, plus la Terre se situe dans une position favorable à la mise en place d’une époque glaciaire. Heureusement pour nous, l’axe est aujourd’hui incliné de 23.5° !

Vous trouverez ci-dessous une chronologie des périodes glaciaires et périodes chaudes pendant le Quaternaire :

    L’analyse de la glace qui s’est formée durant les périodes anciennes nous permet de savoir qu’il existe une relation entre elle et la température qu'il faisait à cette époque. D'autre part, la température de la planète nous permet de connaître la position de l'axe à ce moment donné. En effet, nous savons maintenant qu’une période froide (étés frais et hivers doux) est une condition nécessaire au commencement de la glaciation. Pour reconnaître une période froide d'une période chaude, nous comparons un indicateur appelé le delta O18 (notée δ¹⁸O). Cette mesure quantifie la quantité d’isotope (le même élément mais avec un nombre différent de neutrons) 18 de l’oxygène par rapport à l’oxygène 16 dans un échantillon (que l'on prélève dans les carottes glaciaires). On utilise la formule suivante :

(¹⁸O / ¹⁶O) _standard = 2. 10^-3 = 2 ^o/_oo Ce standard fait office de référence universelle.

    Une évaporation faible est due à une période froide. Quand la température chute, la vapeur d’eau se condense. De ce fait, elle s’appauvrit en isotopes lourds, ¹⁸O, ainsi on trouve essentiellement des isotopes plus légers, ¹⁶O, dans les nuages. Les précipitations qui se déversent aux pôles et forment les glaces ont un δ¹⁸O faible. Si la quantité d’isotope 18 dans l’échantillon est importante, alors le numérateur est grand et donc le δ¹⁸O est élevé. Au contraire, s’il y a peu d’oxygène 18 dans l’échantillon, alors le numérateur est petit et le δ¹⁸O est donc faible.

    Afin d'en avoir un aperçu, nous pouvons nous baser sur les mesures effectuées par la station russe, Vostok, en Antartique. Elle a réalisé un forage de 3623 m et a pu reconstituer le climat de la Terre sur 400 000 ans. Nous pouvons donc reconnaître les périodes de glaciation. En effet, il y a environ 150 milliers d'années, le rapport (¹⁸O / ¹⁶O)échantillon = 1,98x10-3. Ainsi, nous pouvons réaliser le calcul pour trouver δ¹⁸O  déterminer si cette période était une période glaciaire ou chaude.

    δ¹⁸O = [ ((1.876x10^-3) / (2x10^-3)) -1 ] x 1000

    δ¹⁸O = [ (1.876 / 2) - 1 ] x 1000

    δ¹⁸O = [ 0.938 - 1 ] x 1000

    δ¹⁸O = -0.062 x 1000

    δ¹⁸O = -62

Grâce à ce graphique, nous pouvons déterminer quelles étaient les périodes glaciares des autres. Celles-ci se produisent lorsque δ¹⁸O =  -62. De fait il y a 150 milliers d'années, la Terre subissait une période froide. Nous pouvons en conclure qu'à cette époque, l'angle de l'axe de rotation était proche de 21.60°, positionnant la Terre favorablement à la mise en place d'une glaciation. Cependant nous ne pouvons pas nous appuyer uniquement sur δ¹⁸O  mais aussi sur l'étude es concentrations en CH₄ et CO₂ . Le graphique ci-dessous nous permet de constater que ces trois éléments dans les glaces suivent la même évolution à travers les différentes périodes.