1) Les facteurs naturels


Les cycles de Milankovitch, ou « cycles de glaciation »


    En 1941, en faisant suite à la théorie du climatologue suisse Louis Agassiz datée du XIXème siècle, le météorologue serbe Milutin Milankovitch mis en évidence trois cycles de variation des paramètres orbitaux de la Terre, responsables des passages d’ères glaciaires à ères interglaciaires et vice-versa. Cette découverte permit d’expliquer les variations climatiques de l’ère Quaternaire, alors peu connues – les variations climatiques des ères géologiques précédentes sont expliquées, selon Agassiz, par la tectonique des plaques, autrement dit de l’arrivée en position polaire, équatoriale, tropicale ou en zone tempérée des continents. En 1988, le mathématicien et astronome belge André Berger consolida la théorie de Milankovitch, également appelée la théorie astronomique des climats.

1er cycle  : L’excentricité de l’orbite terrestre

    L’excentricité de l'orbite de la Terre, elliptique, est un paramètre variable. Actuellement, elle est de 0.0167, ce qui signifie que la différence d’écart entre le Soleil et l’aphélie est supérieure de près de 5 040 000 kilomètres par rapport à la distance séparant le Soleil du périhélie. Cette excentricité varie entre 0 (orbite de la Terre circulaire autour du Soleil) et 0.053 ( l’écart est alors de 15 860 000 km entre les deux distances)  sur une période de 100 000 ans. Milankovitch soupçonnait aussi l'existence d'un cycle de 413 000 ans, dont l’existence a été confirmée récemment grâce notamment à l’étude des glaces du forage de Vostok.



    Ce cycle influe sur la disparité des saisons : plus l’excentricité est grande, plus le saisons sont contrastée (hiver rigoureux et été chaud)

    Un autre cycle, de 126 000 ans, a été mis en évidence ultérieurement : la précession de l’orbite terrestre, qui consiste en une rotation de l’orbite terrestre autour du Soleil. Cette variation est provoquée notamment par l’attraction gravitationnelle des planètes voisines de la Terre, telles que Vénus, Mars et Jupiter.



2ème cycle : La variation de l’obliquité de la Terre

    Si l’axe de rotation de la Terre semble immuable, il n’en est rien. Bien qu’il soit actuellement incliné de 23,5° par rapport à la normale à l’écliptique, cette obliquité varie de 21,5° à 24,5° selon un cycle de 41 000 ans (elle est en moyenne de 23,3°, autrement dit proche de la valeur actuelle). Tout comme le cycle précédent, celui-ci, induit par l’attraction gravitationnelle de la Lune, influe sur le contraste qui existe entre les saisons.



    Petite remarque : étant donné que plus l’angle d’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre est faible, moins les saisons sont contrastées, il paraît logique d’affirmer qu’avec une obliquité nulle, la notion de saison n’aurait plus lieu d’être.

3ème cycle : La précession des équinoxes

    Ce troisième et dernier cycle peut paraître comme étant le plus simple, mais son origine est bien plus complexe que celle des précédents (la forme de la Terre, sa rotation sur elle-même et l’attraction gravitationnelle du Soleil, de la Lune mais aussi des autres planètes interviennent). Sa périodicité est double, 19 000 et 23 000 ans, et a deux effets directs : le déplacement des pôles célestes et l’inversement des saisons.



    De plus, le cycle long, de 23 000 ans, se voit complété d’un autre cycle, extrêmement court en comparaison puisque d’une durée d’approximativement 20 ans, appelé nutation. Il consiste en de très légères variations de l’axe de rotation de la Terre. Cela dit, son impact sur le climat reste quasi nul.


Sur ce schéma, on peut observer la rotation R de la Terre autour de son axe, la précession P des équinoxes et les nutations N.














La variabilité naturelle du couple Océan-Atmosphère


Il existe cinq phénomènes majeurs caractérisés par une variation du couple Océan-Atmosphère : l’ENSO, la PDO, l’IOD, la NAO et l’AO. Ils sont repartis sur toutes les mers du globe et disposent chacun de deux phases, l’une dite « positive », l’autre dite « négative ».

ENSO : El Niño – Southern Oscillation

    Ce phénomène, intervenant tous les 2 à 7 ans pour durer pendant 6 à 18 mois environ, consiste en une variations de la température de la surface de l'eau, dans l'Océan Pacifique. Ce changement n'est néanmoins pas uniforme et consiste en deux phases opposées : El Niño, où les eaux tropicales se réchauffent et celles des latitudes plus hautes se refroidissent ; La Niña, où l'on observe un refroidissement des eaux tropicales et un réchauffement des eaux des latitudes supérieures.
    Le schéma ci-dessous récapitule ces variations de températures, exprimées en degrés Celsius. La valeur 0 correspond à la température moyenne de la surface de la mer.



    Les phénomènes climatiques engendrés, les plus importants en intensité après les saisons, touchent l'intégralité des terres bordées par l'Océan Pacifique, à savoir l'Amérique, l'Océanie et l'Asie du Sud.
    L’ENSO est dû à la variation de la thermocline, suite à des variations de pression atmosphérique à la surface de l’eau. Ces changements de pression trouvent leur origine dans la variation d’intensité des vents présents, les alizés, qui soufflent d’Est en Ouest, et le vent d’Ouest, qui souffle d’Ouest en Est.

PDO : Pacific Dedecal Oscillation

    Il s’agit d’une autre variation de la température de la surface de l’Océan Pacifique, qui coexiste avec l’ENSO. Sa phase positive est comparable à El Niño et sa phase négative à La Niña. Cependant, ce phénomène diffère avec le précédent par sa longévité qui est beaucoup plus importante, de 20 à 30 ans. Cette différence de cycle fait que les deux phénomènes peuvent soit s’associer pour voir leurs effets amplifiés, soit s’annuler.



Du fait de sa longue durée, les causes de ce phénomène sont encore mal connues. Il est donc relativement difficile de le prévoir avec précision.

IOD : Indian Ocean Dipole

    Aucune donnée cyclique n’a été établie pour ce phénomène, qui intervient différemment chaque année (phase positive ou négative). On sait en revanche qu’il intervient toujours en plein hiver, entre décembre et février. Sa phase positive correspond à un réchauffement de la surface Ouest de l’Océan Indien et des eaux au large du Japon, ainsi qu’à un refroidissement des eaux bordant l’Asie du Sud-Est et l’Océanie. On observe le phénomène inverse lors d’une phase négative. Il s’ensuit un changement de la direction des vents, étant donné que ceux-ci soufflent des zones froides vers les zones chaudes, et donc de la quantité de précipitations (celles-ci étant déplacées par ces mêmes vents).



















NAO : Northern Atlantic Oscillation


    Tout comme pour l’IOD, la seule information que nous ayons à propos du caractère cyclique de ce phénomène est qu’il revient toute les années, principalement en hiver ; il n’est également pas possible de prévoir s’il sera « positif » ou « négatif ».
    Sa phase positive correspond à une forte différence de pression entre l’anticyclone des Açores et la dépression d’Islande. Ceci a pour conséquence le maintien du Jet-Stream polaire à une latitude un peu plus basse que celle du Cercle Polaire Arctique. Lors d’une phase négative, qui correspond à une faible différence de pression entre l’anticyclone des Açores et la dépression d’Islande, ce courant d’air passe par des latitudes plus basses au niveau de l’Amérique du Nord où il atteint presque le Golfe du Mexique et passe ensuite par la péninsule ibérique pour remonter le long de l’Europe.


















                    NAO en phase positive                                            NAO en phase négative
(L = Low Pressure, dépression ; H = High Pressure, anticyclone)


AO : Arctic Oscillation

    A l’instar des deux précédents phénomènes, celui-ci se répète chaque année aux alentours de l’hiver, avec l’impossibilité à l’heure actuelle de prévoir si celui-ci sera dans une phase positive ou négative. Dans le premier cas, il s’agit d’une pression atmosphérique inférieure à la normale au niveau du Pôle Nord et dans le second cas, d’une pression atmosphérique supérieure à la normale.


Les variations de l'activité solaire


    L’activité solaire n’est ni stable ni désorganisée : on observe en effet plusieurs cycles qui y sont liés.

Le cycle de Schwabe
 
    Découvert par l’astronome amateur allemand Heinrich Schwabe au XIXème siècle suite à l’observation des taches solaires, ce cycles a une durée comprise entre 8 et 13 ans et permet d’étudier les variations de la puissance du flux d’énergie solaire. Grâce à divers satellites, les astronomes ont pu mesurer directement ce flux durant les cycles les plus récents. Il y a ainsi une différence de 0,10 % du maxima  au minima de ce cycle. Mais les données acquises par ces analyses sont aussi sous l’influence de trois autres cycles solaires.

Le cycle de Gleissberg

    Découvert en 1958 par Gleissberg suite à l’étude des variations du diamètre solaire, ce cycle, dont la durée oscille entre 80 et 90 ans, a des effets sur l'amplitude du cycle de Schwabe, mais aurait aussi une influence sur les amplitudes de l’ENSO et du PDO, évoqués précédemment. Néanmoins, les mesures et prévisions acquises suite à l’interprétation de ce cycle sont souvent difficiles a obtenir et pas toujours fiables, du fait de sa longue durée à l’échelle humaine ; d’autres données sont ainsi utilisées, comme celles issues de l’étude des cycles de Suess et d’Hallstattzeit.

Le cycle de Suess

    Ce cycle, d’une durée oscillant entre un siècle et demi et deux siècles, a été déterminé suite à l’étude de la concentration en carbone 14 dans les troncs d’arbres. Cette concentration serait influencée en grande partie par l’activité solaire, car les minima de ce cycle correspondent à un amoindrissement de la quantité de taches solaires à la surface du Soleil.

Le cycle d’Hallstattzeit

    Encore mystérieux, ce cycle dont l’origine n’a pas encore été élucidée avec certitude est d’une périodicité de près de 2 300 ans. Deux hypothèses ont été émises quant à son origine : soit ce cycle est lié à l’activité solaire, soit à celle des variations du système océan-atmosphère.  Tout comme le cycle de Suess, il résulte de l’étude de la concentration en carbone 14 mais aussi en béryllium 14, non plus dans les troncs d’arbres mais dans les carottes glaciaires (étant donné que les arbres vivent relativement rarement jusqu’à 2 300 ans).

Comment ces cycles sont-ils liés ?

    Ces cycles sont liés par un phénomène périodique : l’amoindrissement, voire la réduction à zéro de la quantité de taches solaires à la surface du Soleil. Il fut particulièrement observé pour la première fois de 1645 à 1715, ce qui correspond au « Minimum de Maunder » et coïncide exactement avec le dernier minima du cycle de Hallstattzeit. Cette observation est confirmée par l’étude de la concentration de carbone 14 dans les troncs d’arbres et les carottes glaciaires. Par la même occasion, cette étude a permis de découvrir l’existence d’autres minimums similaires : le minimum de Spörer (1420-1530), le minimum de Wolf (1280-1340) et le minimum de Oort (1010-1050). La distance moyenne entre ces minimums est de 190 ans, ce qui les fait coïncider avec le cycle de Suess. De plus, il paraît évident de dire que les tâches solaires, sombres, réduisent la quantité d’énergie émise par le Soleil, et que les facules permettent au contraire de l'amplifier. Cela  établit alors un lien avec le cycle de Schwabe. Quant au cycle de Gleissberg, s’il influe lui aussi sur la puissance du flux d’énergie émis par le Soleil, son origine viendrait plutôt de l’interaction gravitationnelle des planètes et autres astres sur le Soleil.


L'activité volcanique


    Une éruption volcanique de forte ampleur peut influencer le climat de façon importante, et ce pour une durée allant de quelques semaines à plusieurs années. Bien que les éruptions elles-mêmes ne soient pas prévisibles à moyen et à long terme, on peut avoir une idée de leur effet sur le climat. Benjamin Franklin a été l’un des premiers à observer que les éruptions volcaniques les plus virulentes ont un impact sur le climat, notamment par l'hiver rigoureux de 1783-1784 causé par l'éruption de l'Eldeyjar et du Jökull en Islande. Au Sud de la France, on ne voyait que les étoiles situées uniquement au dessus de 40° par rapport à l'horizon.

    Ces effets sont dus à la quantité importante de dioxyde de soufre (SO2) et de cendres éjectés durant ces éruptions. La majeure partie de ces particules prennent de  l’altitudes et atteignent la stratosphère, à 20 kilomètres du sol, parfois jusqu’à 50. La stratosphère étant relativement stable et que les jet-stream sont surtout horizontaux, les gaz peuvent faire facilement plusieurs fois le tour de la Terre et rester en suspension pendant des années.


Les impacts météoritiques


    Un impact météoritique très important peut être à l’origine d’un bouleversement climatique plus ou moins long par les poussières et autres substance qui sont alors relâchées dans l’atmosphère, à l’instar des éruptions volcaniques les plus puissantes. Il est désormais quasi certain que de tels évènements sont à l’origine de deux extinctions massives, animales et végétales, terrestres et sous-marines, respectivement à la fin de l’ère primaire (il y a approximativement 250 millions d’années) et de l’ère secondaire (il y a environ 65 millions d’années). Les cratères de ces météorites auraient été identifiés : dans le premier cas, il s’agirait du cratère Bedout, situé dans l’Océan Indien à quelques kilomètres de la côte australienne et qui mesure plus de 173 kilomètres de diamètre, et dans le second cas, le cratère de Chicxulub, dans la péninsule du Yucatán, au Mexique, dont la météorite qui en est à l’origine aurait mesuré plus de dix kilomètres de diamètre.


La variabilité du champ magnétique terrestre


    Les pôles magnétiques terrestres sont loin d'être immuables. En effet, leur position varie légèrement avec le temps. Le phénomène le plus important à ce niveau reste l'inversion totale du champ magnétique : le pôle Nord devient le pôle Sud et vice-versa

    Cette inversion fut découverte au milieu du XIXème  siècle par le physicien italien Macedonio Melloni. Il découvrit en effet que les roches volcaniques sont polarisées, et il émet l'hypothèse que cette aimantation est due au champ magnétique terrestre. Lorsque la lave volcanique se refroidit, certaines particules qu'elle contient, nommées « grains magnétiques », s'alignent avec le champ magnétique terrestre. Résultat : les roches volcaniques conservent à la fois l'orientation et l'intensité du champ magnétique présent au moment de leur formation. Cette découverte fut confirmée au début du XXème siècle par deux chercheurs français, Brunhes et Mercanton.

    Contrairement au Soleil, qui connaît des inversions magnétiques tous les 11 ans, qui se manifestent sous la forme de tempêtes solaires, les inversions terrestres se produisent de manière totalement irrégulière. En effet, certaines inversions magnétiques ont à peine subsisté 10 000 ans alors que d'autres se sont maintenues durant plus de 25 millions d'années. La dernière, celle de Brunhes-Matayama, se serait produite il y a environ 780 000 ans. D’après certains scientifiques, une inversion s’étale elle-même un intervalle d'environ cinq millénaires.




    Etat du champ magnétique terrestre lors d'une inversion, à t=500 ans après le debut de celle-ci, t=1000 ans et t=1500 ans. En orange, le champ magnétique "entrant" dans le noyau (pôle Nord) ; en bleu, le champ magnétique "sortant" (pôle Sud).


    Malheureusement, les mécanismes de ce système ne sont pas encore très bien compris de la communauté scientifique et les seuls résultats concrets obtenus sont issus de l’extrapolation des données actuelles.

    Aujourd'hui, le champ géomagnétique global est devenu plus faible que ce qu'il devrait être. Cet affaiblissement a débuté il y a approximativement un siècle et demi et s'est étrangement accélérée ces dernières décennies. En tout, la force du champ magnétique terrestre a chutée de 10 à 15%. Cependant,  étant donné que personne n'a jamais pu observer ces inversions et comme le mécanisme de génération du champ magnétique n'est toujours pas bien compris, il est difficile de dire avec certitude si la diminution de ce champ continuera dans le futur et pourra conduire à une inversion.


L’effet de serre naturel


    L’effet de serre est un phénomène, naturel à l’origine, qui permet de retenir certains rayonnements émis depuis le Soleil, tels les infrarouges, qui constituent une source d’énergie thermique. Ainsi, l’atmosphère terrestre, en capturant une partie de ces rayons « chauds » grâce à la présence des certains gaz dotés de cette propriété, appelés « gaz à effet de serre », permet à la Terre d’avoir une température moyenne de 15°C, au lieu de – 18 C° (toute vie serait alors impossible). Si par son activité, l’Homme émet également des gaz à effet de serre, qui créent ce que l’on appelle « effet de serre additionnel » qui vient se compléter à celui existant, contentons-nous de celui présent naturellement pour l’instant.

    Les deux principaux gaz responsables de l'effet de serre naturel sont la vapeur d'eau (H2O, plus de 50 % des gaz à effet de serre présents dans l’atmosphère) et le gaz carbonique (CO2, près de 40%). Il en existe d'autres, dont notamment le méthane (CH4), issu de l’activité de certaines bactéries lors de la décomposition (très présentes dans les zones humides telles que les marécages ou les deltas), le protoxyde d'azote (N2O, autre nom du gaz hilarant) et l'ozone (O3, qui protège également la surface de la Terre des rayonnements ultraviolets du Soleil, nocifs).

    Il est important de préciser que dans l’atmosphère terrestre, l’ensemble des gaz à effet de serre représente à peine 1 % de la totalité des gaz présents (les autres gaz sont l’azote, à hauteur de 79 %, et le dioxygène, 20 %).