Paramètres de Milanković

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Les paramètres de Milanković^[1] est le nom donné aux paramètres astronomiques terrestres qui ont un effet sur les changements climatiques. On parle aussi de cycles de Milanković. Ces paramètres sont l'excentricité, l'obliquité et la précession. La terminologie de « paramètres de Milankovitch » est surtout utilisée dans le cadre de la théorie astronomique des paléoclimats.

Joseph-Alphonse Adhémar, James Croll et Milutin Milanković sont les principaux scientifiques ayant avancé l'idée que ces trois paramètres interviennent dans les variations climatiques naturelles, en particulier sur Terre. Cette hypothèse n'a été soutenue par des données expérimentales cohérentes qu'en 1976, avec l'article fondamental de Hays, Imbrie et Shackleton^[2].

Ces changements climatiques naturels ont pour principale conséquence les périodes glaciaires et interglaciaires. Leur étude en termes de phénomènes périodiques est du ressort la cyclostratigraphie.

Les paramètres de la Terre

La théorie des paramètres de Milanković s'applique à toutes les planètes. Le climat de Mars a notamment été étudié (cf. la théorie astronomique des paléoclimats). Pour la suite, nous étudierons le cas de la Terre en utilisant un système de coordonnées écliptiques dans lequel le soleil sera fixe. Lorsque cela n'est pas précisé, l'hémisphère nord est pris en exemple pour les étés ou les hivers.

L'excentricité de l'orbite terrestre

Excentricité nulle de l'orbite terrestre

Excentricité maximale

L'orbite terrestre décrit une ellipse dont le Soleil occupe l'un des foyers. L'excentricité de l'ellipse est une mesure de la différence entre cette ellipse et le cercle. La forme de l'orbite terrestre varie dans le temps entre une forme quasi circulaire (excentricité faible de 0,005) et une forme plus elliptique (excentricité élevée de 0,058). La principale composante de cette variation fluctue sur une période de 413 000 ans. D'autres composants de cette variation fluctuent sur des période entre 95 000 et 125 000 ans. L'excentricité actuelle de la terre est de 0,017.

Cette excentricité est due aux attractions gravitationnelles exercées entre la Terre et les autres planètes du système solaire ainsi que le Soleil. Chaque planète attirant la Terre selon les lois de Newton, l'excentricité de l'orbite terrestre peut varier d'un facteur 10 (entre 0,005 à 0,058).

L'obliquité terrestre

Variation de l'obliquité terrestre

L'obliquité de la terre, aussi appelée inclinaison terrestre, correspond à l'angle entre son axe de rotation et un plan perpendiculaire au plan de son orbite. L'obliquité terrestre varie entre 22.1° et 24.5° approximativement tous les 41'000 ans. Quand l'obliquité croit, les deux hémisphères reçoivent plus de radiation du soleil en été et moins en hiver. Cette obliquité est due elle aussi aux interactions gravitationnelles que la Terre subit de la part des planètes. Cette variation est faible par rapport à la variation de l'obliquité martienne qui varie entre 14,9° et 35,5°. Actuellement, la Terre possède une obliquité de 23.44°. Ce qui correspond à une valeur moyenne entre les deux extrema. L'obliquité est dans une phase descendante et atteindra son minimum dans environ 10'000 ans. En prenant comme seul paramètre d'influence l'obliquité, les étés deviendraient plus froids et les hivers plus chaud.

La précession terrestre

La précession terrestre

La Terre ne tourne pas sur elle-même comme un ballon parfaitement sphérique mais plutôt comme une toupie car elle est soumise à la précession. Cette précession provient du fait que les attractions du Soleil et de la Lune ne sont pas uniformes sur Terre à cause du bourrelet équatorial de la Terre. Ceci a deux conséquences différentes.

D'un côté, cela va influer sur l'indication du Pôle Nord céleste (quelle étoile nous indique le nord). Reprenons pour cela notre toupie :

La toupie tourne dans un premier temps droite puis en perdant sa vitesse, sa tige va commencer à dessiner une sorte de cercle.

Cette tige sur Terre est en réalité l'axe nord-sud (passant par les deux pôles géographiques), cet axe dessine dans l'espace un cercle par rapport au pôle Nord céleste (qui ne varie pas). L'axe nord-sud effectue le cercle complet en 25 760 ans. Aujourd'hui, α Ursae Minoris, appelée étoile polaire, se situe à 0,8° du pôle Nord céleste.

D'un autre côté, cela influe sur ce que l'on appelle la précession des équinoxes (ce qui détermine les « changements de saisons » astronomiquement parlant).
Le point vernal rétrograde (se déplace vers l'ouest) de 50,38″ par an, mais la précession due aux autres planètes du système solaire (donc hors Soleil et Lune) est de 0,12″ dans le sens inverse ; donc la précession se fait de 50,26″ par an vers l'ouest.

La nutation

La précession de l'axe de rotation terrestre dessine un cercle sur la sphère céleste. Cependant ce cercle n'est pas parfait. L'attraction de la Lune (et du Soleil mais dans une moindre mesure) implique ce qu'on appelle la nutation. En effet, la Lune attire la Terre (nous pouvons d'ailleurs le voir avec le phénomène des marées) et cette attraction se remarque par une légère oscillation (ayant la forme d'une sinusoïde) de l'axe de rotation terrestre. Cette oscillation parcours un cycle complet en 18,6 année.

Le phénomène résulte du fait que l'influence de la Lune n'est pas toujours identique au cours du temps : elle est minimale lorsque la distance angulaire entre la Lune et l'équateur est la plus petite, elle est maximale lorsque la distance est la plus grande. Comme ce phénomène n'est pas très influent pour le sujet, nous allons l'ignorer pour les conséquences des paramètres de Milanković.

Les conséquences sur Terre

Les variations de tous les paramètres

Les conséquences de l'excentricité terrestre

L'excentricité est l'un des facteurs les plus importants dans les changements climatiques naturels puisque la Terre au périhélie peut recevoir de 20 à 30% d'énergie (émise par le Soleil) de plus qu'à l'aphélie. Étant donné que l'excentricité n'est pas liée aux changements de saisons, cela peut avoir deux conséquences différentes :

• Si l'été correspond au périhélie et l'hiver à l'aphélie alors la Terre reçoit beaucoup d'énergie en été et moins en hiver, donc il y a des étés «chauds» et des hivers «froids».
• Si par contre l'été correspond à l'aphélie et l'hiver au périhélie (comme «plus ou moins» actuellement dans l'hémisphère nord), la Terre reçoit peu d'énergie en été mais plus en hiver, donc les étés sont «frais» et les hivers sont «doux».

Les conséquences de l'obliquité terrestre

L'obliquité possède une influence sur les saisons. En effet, si la Terre est dans une période de forte inclinaison par rapport au Soleil, alors les saisons seront très marquées (différences importantes entre été et hiver) et à l'inverse une faible inclinaison homogénéise les saisons (peu de différences entre l'été et l'hiver).
Cependant, il faut préciser que ces différences se sentent seulement lorsque l'on s'éloigne de l'équateur, où l'obliquité a peu d'influence (dans un climat équatorial on trouve 2 périodes très chaudes et très humides aux équinoxes et 2 périodes relativement froides et sèches aux solstices, dont l'intensité varie avec l'obliquité).

Les conséquences de la précession terrestre

La précession a deux conséquences. La première n'a aucune influence sur les changements climatiques, (elle est indiquée pour information), l'étoile qui pointe le pôle nord céleste change avec le temps. En effet, aujourd'hui il s'agit de α Ursae Minoris mais dans 12 000 ans, ce sera Véga.

Plus intéressant, la précession des équinoxes n'influence pas directement les changements de température ; en fait la précession est responsable de la date du changement de saisons (printemps/été par exemple). Il faut savoir que les saisons sont délimitées par ce que l'on appelle la ligne des solstices et la ligne des équinoxes.

Exemple simple : lorsque la Terre dépasse la ligne des solstices le jour du solstice d'été, la Terre rentre dans l'été.

La précession agit donc sur la croix formée par ces lignes, elle la fait tourner autour du Soleil. En d'autres termes, le 21 juin n'est pas (astronomiquement parlant) toujours le jour du solstice d'été.
De cela, nous pouvons donc dire qu'une année selon le calendrier n'équivaut pas à une année astronomique.

Plus simplement, les 365,25 jours ne correspondent pas à un tour (parfait) de la Terre autour du Soleil.

Cet effet est donc indirect, mais pour les scientifiques, il est important.

Les conséquences de ces trois facteurs

Les variations et la conséquence sur la température. 1 kyr = 1 KiloYeaR ( = 1000 ans )

Ces trois facteurs combinés ont donc différentes conséquences:

• La variation d'énergie solaire reçue sous les hautes latitudes au cours de l'année.
• Les différences de température entre les continents et les océans à cause de l'albédo.
• Les variations sur les changements de saison (plus élevées aux hautes latitudes).
• Les différences de température entre les hémisphères dues à l'inclinaison.
• Par contre, ces paramètres n'ont aucune influence sur la quantité totale annuelle d'énergie solaire reçue par la Terre.

Confirmation de cette théorie

Suite au forage de Vostok (Antarctique), les chercheurs ont pu étudier le rapport ¹⁸O/ ¹⁶O (qui est noté δ ¹⁸O) dans la glace extraite.
Ils se sont aperçus que la courbe représentant le rapport ¹⁸O/ ¹⁶O avait des similitudes avec la courbe issue des cycles de Milanković. Etant donné que la correspondance température / δ ¹⁸O est fermement établie, on peut alors penser que les paramètres de Milanković peuvent être la cause des changements climatiques naturels.

Depuis que ces variations orbitales sont établies, les scientifiques tentent de trouver un modèle capable de relier insolation à 65° et δ¹⁸O marqueur des variations passées du climat. Ce n'est pas évident à trouver car la fonte d'un inlandsis est mal cernée. Dans le passé récent (-1 Myr), la périodicité est de l'ordre de 100 000 ans avec environ 90 000 ans d'englacement et 10 000 de dégel ; mais au-delà , le forçage est plutôt à une période de 41 000 ans (c'est la transition du Pléistocène moyen), correspondant à un forçage plus direct par l'obliquité. Les forages benthiques permettent de remonter jusqu'au Néogène, ce qui a permis de fonder la nouvelle échelle de temps géologique (ATNTS 2004).

Voir aussi

• Changements climatiques
• Théorie astronomique des paléoclimats
• Cyclostratigraphie

Liens externes et bibliographie

• André Berger, Le climat de la terre, Un passé pour quel avenir ?, Bruxelles : De Boeck université, 1992 - 479 p. ISBN 2-8041-1497-X.
• (fr) ens-lyon.fr Articles de l'ENS Lyon à ce sujet.
• (en) nasa.gov Site comprenant les images.
• Gradstein,Ogg, Smith : geological time scale 2004 ,CUP,ISBN 0-521-78673-8
• Laskar et al., A long-term numerical solution for the insolation quantities of the Earth, Astronomy and Astrophysics, Volume 428, Number 1, December II 2004, Page 261 - 285 [1]

Notes

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