Den astronomiske teorien om paleoklimater er en modell som brukes i jordvitenskap for å forklare den sykliske naturen til generelle variasjoner i klima over geologisk tid . Denne teorien forklarer at den strålingsenergien som mottas av jorden fra verdensrommet - hovedsakelig fra solen - er kvantitativt påvirket av langvarige variasjoner, korrelert med bane og rotasjonsparametere. Variasjonene tilsvarer nettomengden mottatt energi, men også distribusjonen og “forvaltningen” av jordens økosystem. Teorien antyder at disse variasjonene er periodiske, og at de derfor påvirker klimaet i henhold til sykliske mønstre (spesielt vekslende is- og mellomtid ). Det er mulig å finne et spor av det via forskjellige indikatorer, for eksempel i sedimentære bergarter eller iskjerner, hvor studien er en del av syklostratigrafi . Den astronomiske teorien om paleoklimater er i dag den klassiske forklaringen på fenomenet (de) ising i kvartæret , men finner også applikasjoner, mindre sikre, for eldre perioder av den geologiske tidsskalaen.
Klimaet på jorden er i stor grad påvirket av intensiteten av stråling fra plass , intensitet målt som energi fluks (W⋅m -2 ). Hvis vi ser på rom-tid-synspunkt av mannen, innstråling opplever variasjoner i henhold til årstidene (årlige sykluser, mellom sommer og vinter ), men også i henhold til breddegrad ( temperatur gradient fra polene til ekvator ). Den astronomiske teorien om paleoklimater sier at det er en astronomisk tvang av disse variasjonene på veldig lang sikt, på grunn av sykliske eller kvasi-sykliske endringer i konfigurasjonen av himmellegemer - de aktuelle gjenstandene er hovedsakelig solen, jorden og gigantiske planeter .
Hovedparametrene som påvirker jordens isolasjon, og som er ansvarlige for denne klimaendringen, er:
Disse parametrene utvikler seg under påvirkning av utviklingen av den relative plasseringen av forskjellige himmellegemer i solsystemet , med jevne mellomrom: vi snakker om Milankovitch-sykluser . Til en gitt astronomisk konfigurasjon tilsvarer et gitt nivå av isolasjon, det vil si en gitt energistrøm hvis verdi deretter endres av tilbakemeldinger , positive eller negative, som finner sted inne i jordens klimasystem (spesielt på grunn av samspillet mellom atmosfære og hydrosfære : terrestrisk albedo , virkning av klimagasser , absorpsjon av skyer , refleksjon av vegetasjon , etc.) 'opprinnelse til klimatiske trender (avkjøling eller oppvarming), hvis signal blir registrert spesielt i sedimentene , gjennom klimatiske indikatorer som nivå av deuterium. Teorien om astronomisk tvang av paleoklimater studeres og testes i syklostratigrafi , og griper mer generelt inn i klimatologien .
Opprinnelig utviklet for å gi et kvantitativt svar på problemene med glacial-mellomistid vekslinger i kvartær , pleier det å være generalisert for eldre tider, men likevel tilgjengelig gjennom et komplett stratigrafisk opptak, det vil si . helt opp til grensen med prekambrium . Vanskene man har opplevd i aldre tidligere enn kvartærperioden, er av flere typer: fraværet av kontinuerlige sedimentære serier man kan jobbe med; behovet for å dissosiere det som er i rekkefølgen av astronomisk tvang, tilbakemeldinger, og dette i klimatiske sammenhenger som er forskjellig fra den nåværende ( reduserende atmosfære osv. derfor mulige forskjellige tilbakemeldinger); upresisjonen og usikkerheten om verdiene til periodene av Milankovitch-parametrene utover noen titalls millioner år (kaotisk utvikling av solsystemet ).
Det er faktisk ingen enighet om anvendelsen av den astronomiske Teorien om paleoclimates utover en grense som omtrent svarer til den tertiær . Det er mulig at i eldre tider ble klimaet parametrisert både ved orbitalkontroll (isolasjon har alltid variert siden planetene og solen alltid har vært mobile i relative og absolutte termer), men også av tektonikken (fordeling av kontinentale masser, hav strømmer osv.).
I samsvar med teorien om en astronomisk tvang av klimaet, foreslås klimamodeller for å studere samspillet mellom denne tvungen og tilbakemeldingene. I motsetning til de første hypotesene er klimatisk utvikling under banekontroll ikke progressiv, men gjennomgår mer eller mindre brå overgangsfaser. Samspillet mellom forskjellige regulatoriske eller forsterkende mekanismer ser ut til å generere "terskel" atferd. Til disse første elementene av kompleksitet blir multiplikasjonen av faktorer som skal tas i betraktning for å avgrense modellene lagt til, små innledende variasjoner som kan resultere i store positive tilbakemeldinger.
Spesielt den nordlige halvkule ville spille en viktig rolle; faktisk er det i denne flertallet av de fremvoksende landene er funnet, på hvilke det kan bli funnet is og snø, som modifiserer albedoen og dermed solenergiens reflekterte eller absorberes av jordens overflate. Dette fenomenet vil være ansvarlig for de kvartære istidene. Dermed de kontinentale massene og deres posisjon, distribusjon, har en innvirkning på det jordiske klimaet.
Som mange jordvitenskapsparadigmer, vakte den astronomiske teorien om paleoklimat opprinnelig sterk motstand. Hensynet til å tvinge klimaet av orbitale determinanter ble syntetisert når en ny disiplin av stratigrafi , cyclo stratigrafi , ble organisert rundt analysemetoder tilpasset denne typen problemer.
I andre halvdel av XIX th århundre , og i den første av de XX th århundre , studiet av alternerende mellom glasiale og mellomistider i tid kvartær ledet til å vurdere klimaet generalsekretær jorden som sin viktigste determinant. Imidlertid tok ideen om at det jordiske klimaet i seg selv kan påvirkes av astronomiske parametere, derfor eksogene, og i tillegg konjunkturelle, lang tid å seire, fordi denne ideen ikke var åpenbar. Imidlertid er "astronomisk tvang" en hypotese foreslått i 1842 av den franske matematikeren Joseph-Alphonse Adhémar , som knytter periodene av istider oppdaget i 1837 av Louis Agassiz til fenomenet presesjon. Denne tilnærmingen ble tatt opp i 1864 av James Croll : den skotske klimatologen etablerte en sammenheng mellom eksentrisitet , presesjon , skråstilling og klima ved hjelp av et fenomen med positive tilbakemeldinger . Det dreier seg hovedsakelig om effektiviteten til albedoen : når mengden energi mottatt av de høye nordlige breddegradene avtar om vinteren , fremmer utviklingen av innlandsisen energirefleksjon. Som et resultat avkjøles det generelle klimaet, noe som opprettholder positiv isdynamikk og en tendens til selvbærende breing. Imidlertid var den store rollen som ble tilskrevet presesjonen å få denne teorien til å mislykkes, fordi det var umulig å få den til å stemme overens med fakta: periodene med isbre ville ha vært for lange og asynkrone mellom de to halvkulene . I 1895 tilskrev Gilbert kalksteinsvekslingene i Green River ( Colorado , USA) i Upper Cretaceous til klimapresesjon , men oppnådde ikke mer akademisk suksess.
Ved avvisning av Crolls teori var det også ideen om et klima som tvinges på sedimentærserien som ble forlatt på dette tidspunktet, og det var først på 1940-tallet at en komplett klimamodell , som involverer flere astronomiske parametere, igjen foreslås. . Det er arbeidet til den serbiske geofysikeren Milutin Milankovitch , som trekker på ideene til Brückner, Köppen og Wegener. Hvis prinsippet forblir identisk med Crolls modell, er det denne gangen somrene som spiller den dominerende rollen: når de er kule, fremmer de den årlige opphopningen av snø på nordlige breddegrader, fordi smelten svekkes. Så det er forsinket tilbakemelding . Milankovitch beregner spesielt en sommerisolasjonskurve, men hull i astronomiske modeller og upresisjon av den geologiske tidsskalaen tillater ikke at resultatene hans bekreftes eller ugyldiggjøres nøyaktig.
For å markere samspillet mellom orbital periodicities, klimatiske variasjoner og syklisiteter i sedimentære avsetninger - de tre viktige parametrene i cyclostratigraphy - måtte et signal frigjøres fra litologien som ble studert. I tillegg måtte dette signalet kunne gi tilgang til en betydelig tidsoppløsning, ellers kunne ikke klimasyklusene oppdages. Syklostratigrafi er faktisk basert på prøvetaking av paleoklimatiske indikatorer , eller fullmakter, kjent som "høy oppløsning": det første eksperimentelle målet består i verifisering av en presis og generalisert sammenheng mellom kjente astronomiske sykluser, kalt "Milankovitch" -sykluser., Og mulige syklikaliteter observert i sedimentære opptak på nivå med indikatorene. Studien av nivået av korrelasjon mellom indikatorer og Milankovitch-sykluser utføres ved hjelp av forskjellige teknikker, i henhold til følgende generelle prinsipp: fysisk deteksjon med sonder og / eller presis geokjemisk analyse , deretter behandling av dataene ved spektralanalyse . Tilgjengeligheten og pålitelighet av disse teknikkene kom bare i andre halvdel av XX th århundre . Det er derfor forståelig hvorfor ideen om en astronomisk tvang av klimaet først ble avvist, bare for å bli endelig akseptert mer enn et århundre senere, på 1970-tallet , da de nødvendige teknikkene og modellene ble tilgjengelige.
De milanković-syklusene er definert for Jorden, men selve ideen om en astronomisk tvinge kan brukes på andre planeter i solsystemet ; muligheten for en astronomisk tvang av klimaet på andre himmellegemer er derfor ikke å utelukke. Imidlertid må flere store vanskeligheter overvinnes:
Blant de nærliggende planetene som er studert, er Mars den som har fått mest oppmerksomhet til dags dato. Den innstråling på Mars avhenger av de samme parametrene som på jorda, men de periodene og spill forstyrrelser er vidt forskjellig. Den gjennomsnittlige Mars- skjevheten er veldig sammenlignbar med Jordens: henholdsvis 25,2 ° og 23,3 °. Imidlertid skyldes ikke disse lignende verdiene den samme dynamikken. På jorden opprettholder Moon-Earth-paret skråstillingen innenfor et begrenset verdiområde, med en amplitude på bare en og en halv grad. Marsens skråstilling kjenner derimot en kaotisk utvikling og kan derfor beregnes med en akseptabel feilmargin bare i noen få millioner år tidligere. Blant faktorene som påvirker skråstillingen, er variasjonen av helningen til Mars 'orbitale plan (Jordens baneplan, eller " ecliptic plane ", opplever også vinkelvariasjoner).
Det viser seg at verdiområdet som er tatt av Marsens skråstilling og presesjon, resulterer i baneresonansfaser , der verdien av den klimatiske nedgangen er lik vinkelen til evolusjon av banen til banen. Disse fasene forsterker variasjonene i skråstillingen, noe som resulterer i dens kaotiske utvikling med "sprang" av verdier. Som et resultat opplever Mars flere baneregimer (sterk og svak eksentrisitet med rask overgang), en opprinnelig situasjon sammenlignet med jorden, relativt stabilisert. Hvilken modell for mulig klimatvinging kan foreslås for Mars under disse forholdene?
Mission Mars Surveyor 98 fra NASA ga tilgang til minimale geologiske data på iskappen på Sydpolen. Fotografiene viser, i nærheten av sprekker, lagdelte hauger tolket som lagdeling av suksessive isforekomster. Ved å bruke metoden utviklet innen syklostratigrafi ble det oppnådd resultater under forutsetning av at den effektive eksistensen av en klimatvinging postuleres - ellers var det åpenbart illusorisk å håpe å avdekke en sammenheng mellom klima og Mars Milankovich-sykluser. Indikatorene som ble brukt var lysstyrken til lagene og deres høydemetri. De klassiske men viktige forspenninger ble den konstante akkumulering hastighet, fravær av erosjon og ikke-avsetning hiatus , etc. Den spektrale analysen av dataene som ble samplet, etablerer en god korrelasjon for skråstillingen og den klimatiske presesjonen, med en gjennomsnittlig hastighet på isakkumulering lik ca. 0,5 mm per år. Denne sammenhengen er derfor indeksen for den effektive eksistensen av en astronomisk forcering av marsklimaet de siste par titalls millioner år.
Ytterligere undersøkelser, assistert av en relativt forenklende generell klimamodell, viser den sannsynlige eksistensen av langsiktige klimatrender: under sterk skråning akkumuleres is i noen få isolerte ekvatoriale regioner; i et regime med lav skjevhet smelter disse hettene og is akkumuleres på høye sørlige og nordlige breddegrader, på en generalisert måte. Vi finner da en pseudo- is-interglacial dynamikk i analogi med jorden. Faktisk er disse fasene mer markerte på Mars, og kan forklare hvorfor enorme områder av Mars-undergrunnen på høye breddegrader består av en blanding av is og regolit i forbløffende proporsjoner. Samlet sett er disse resultatene, selv om de er upresise og avhengige av sterke antagelser, kompatible med de geologiske og kjemiske dataene og hypotesene fra påfølgende romoppdrag.
Ved å bruke generelle klimamodeller utviklet innenfor rammen av den astronomiske teorien om paleoklimater, blir spådommer mulig. Foreløpig er det i hovedsak et spørsmål om å identifisere trender uten å sikte på for mye presisjon, selv om anvendelsene av den astronomiske teorien om paleoklimater i økende grad inkluderer validering av prediktive klimamodeller : når en modell trofast gjengir paleoklimerer også påfølgende stadier Som det nåværende klimaet, forbedres dets prediktive kapasitet.
Ved å bruke fremtidige anslag for Milankovitch-parametrene ble forskjellige scenarier testet med forskjellige parametere, startende med den atmosfæriske konsentrasjonen av CO 2. "[...] bare en nåværende konsentrasjon på 220 ppmv eller mindre tillater inngang til ising [i de 100.000 årene som kommer], en antagelse i det minste urealistisk med tanke på dagens situasjon og prognoser for fremtiden. »Tidligere poster indikerer at de lengste breene tilsvarer faser av sammenheng mellom null eksentrisitet og en hastighet i CO 2relativt lav. Om 20 000 år vil jordens bane nærme seg en sirkel, men nåværende anslag av C-konsentrasjonerO 2er neppe for en avbrudd i det interglaciale som vi lever i, Holocene .