Les cycles astronomiques de Milankovitch pour expliquer les variations climatiques

par Pierre Bédard 2005 (revisé en 2008)

L'astronome Milutin Milankovitch avait calculé une courbe de variation de l'intensité du rayonnement solaire au sol à la latitude 65˚ en fonction de trois caractéristiques de la rotation de la Terre autour du Soleil, soit : (1) la variation de l'excentricité de l'orbite terrestre autour du Soleil, (2) la variation de l'inclinaison de axe de rotation terrestre par rapport au plan de l'écliptique et (3) la précession des équinoxes.  Dans le modèle de Milankovitch, l'émission solaire est constante et la variation de l'intensité solaire à la lattitude 65˚ ne dépend que de la distance Terre - Soleil et de son angle d'exposition. La sommation de ces trois cycles astronomiques (22 000 ans, 41 000 ans et 100 000 ans) produit la courbe d'oscillations de l'intensité du rayonnement solaire qui contrôle le climat terrestre, à l'échelle des temps géologiques.

Figure 1 : Rayonnement solaire à la latitude N 65˚, moyenne des 30 jours suivant le solstice d'été, entre -200 000 ans et +600 000 ans par rapport à l'actuel.

Ce modèle climatique est tombé dans l'oubli pendant plus de cinquante ans, jusqu'à ce que l'on découvre une cyclicité semblable enregistrée par le rapport oxygène-18/oxygène-16 dans la composition des fossiles carbonatés des fonds marins et de la glace des glaciers continentaux. 

Pour rappel, l'eau de mer est formé de 98% d'oxygène-16 et un peu moins de 2% d'oxygène-18. Au moment de l'évaporation l'eau lourde (contenant un O-18) passe moins rapidement en phase vapeur et la vapeur d'eau a toujours une composition appauvrie en oxygène-18 par rapport à l'eau en phase liquide. En temps normal, l'eau d'évaporation retombe rapidement sous forme de précipitations et se re-mélange avec l'eau demeuré en phase liquide. Durant une glaciation, l'eau appauvri en oxygène-18 tombe en neige sur les continents et demeure en grande partie piégée dans la glace des glaciers. Entre-temps, la composition de l'eau des océans s'enrichie en oxygène-18, proportionnellement au volume de l'eau appauvrie accumulée sur les continents sous forme de glaciers. La composition en oxygène-18/oxygène-16 de l'eau de mer est continuellement enregistrée dans la composition minérale de nombreux organismes marins incluant les coraux, les mollusques et les foraminifères. On peut connaître les compositions anciennes de l'eau de océans en oxygène-18/oxygène-16 en la déduisant de la composition minérale des fossiles marins. La variation du volume des glaciers continentaux au cours des temps géologiques reflète les variations climatiques sur Terre.

Figure 2 : Comparaison entre la courbe du rayonnement solaire à la latitude 65˚(en haut) et la courbe de températures calculée d'après le rapport O-18/O-16 de la glace à Vostok, Antarctique (en bas).

La variation de l'excentricité de l'orbite terrestre est le seul des trois cycles astronomiques qui influence la quantité totale du rayonnement solaire reçu sur Terre, en faisant varier la distance Terre - Soleil. Le deux autres cycles n'affectent que la distribution de la chaleur, selon la lattitude ou la saison. Malgré le fait que la variation de l'excentricité de l'orbite terrestre ne cause qu'une variation de seulement 1% de l'énergie solaire reçue sur Terre, ce cycle de 110 000 ans semble être le principal contrôle du climat pour les derniers 500 000 ans.


Figure 3 : Variation de l'excentricité
de l'orbite terrestre.

1- Variation de l'excentricité de l'orbite terrestre autour du soleil


CYCLICITÉ : 110 000 ans (100 000 ans et 413 000 ans)

AMPLITUDE : l'excentricité varie entre 0 - 0,06

SITUATION ACTUELLE : excentricité de 0,02 décroissante (l'orbite terrestre est présentement presque circulaire)


Figure 4 : Variation de l'obliquité et précession de l'axe de rotation terrestre

2- Variation de l'inclinaison de l'axe de rotation terrestre

CYCLICITÉ : 41 000 ans

AMPLITUDE : l'inclinaison varie entre 22˚ et 24,5˚

SITUATION ACTUELLE : 23,5˚ (décroissant)

3- Précession de l'axe de rotation terrestre

CYCLICITÉ : 22 000 ans (19 000 ans et 23 000 ans)

AMPLITUDE : l'axe de rotation terrestre balaye un cône de 44˚ à 49˚ sur la voûte célestre, entraînant un déplacement apparent de la position des étoiles, au cours des siècles, ainsi qu'une migration de la position des solstices et des équinoxes, le long de l'orbite elliptique de la Terre.

SITUATION ACTUELLE : l'axe de rotation de la Terre atteindra son meilleur alignement avec l'étoile polaire (Polaris) en l'an 2015 puis s'en éloignera peu à peu. Pour l'hémisphère Nord, le solstice d'été se produit à plus grande distance du soleil que le solstice d'hiver (été froid - hiver chaud).

Le cycle de variation de l'inclinaison de l'axe de rotation terrestre n'affecte pas la quantité totale de chaleur solaire reçue sur Terre mais sa distribution. Lorsque l'axe de rotation terrestre devient moins incliné, la chaleur solaire se concentre autour de l'équateur. Lorsque l'axe de rotation terrestre devient plus incliné, cela favorise une meilleure distribution de la chaleur solaire dans les hautes latitudes. Le cycle de variation de l'inclinaison de l'axe de rotation terrestre cause un refroidissement périodique dans les régions polaires, là où une glaciation peut s'amorcer.

Le cycle de la précession de l'axe de rotation terrestre n'affecte pas la quantité totale de chaleur solaire reçue sur Terre mais fait seulement varier l'écart moyen des températures entre la saison chaude et la saison froide. La situation actuelle (figure du bas) montre une alternance d'hivers chauds suivie d'étés froids. Il y a 11 000 ans (figure du haut), on avait une alternance d'étés chauds suivie d’hivers froids. Les étés chauds favorisaient la fonte de glaciers et les hivers froids leur apportaient peu de neige pour les réalimenter.  La situation actuelle (figure du bas) devrait favoriser l’extension des glaciers dans les régions polaires car les étés froids limitent la fonte des glaciers et les hivers chauds augmentent les précipitations de neige sur les glaciers. Cependant, l'effet réel de ce cycle varie selon le degré d'excentricité de l'orbite terrestre. Comme l'excentricité de l'orbite terrestre autour du soleil est presqu'à son minimum, c'est à dire que l'orbite de la Terre autour du soleil est presque circulaire, l'effet de la précession de l'axe de rotation terrestre sur le climat est présentement non significatif.

Figure 5 : Comparaison de l'effet de la précession de l'axe de rotation de la Terre pour
l'hémisphère Nord : Il y a 11 ka (en haut), situation actuelle (en bas)

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