Histoire de la composition de l'atmosphère

1. A propos de la séquence

2. Histoire de la composition de l'atmosphère

Cette leçon cherche à illustrer les évolutions importantes de la composition de l’atmosphère de la Terre depuis sa formation et les relations de ces évolutions avec les grandes variations climatiques à différentes échelles de temps : historique, préhistorique et géologique.

En effet, au cours de l’histoire de la Terre, des changements importants dans la composition de l’atmosphère surviennent en parallèle d’alternances répétées entre périodes froides et chaudes, permettant de comprendre certains des mécanismes fondamentaux qui régissent le fonctionnement du système climatique terrestre. Ils soulignent en particulier le lien fondamental qui existe entre ce fonctionnement et l’abondance relative de certains gaz dans l’atmosphère : les gaz dits « à effet de serre ».

Ils permettent aussi de prendre conscience de l’importance particulière des échelles de temps. Si la composition de l’atmosphère et le climat de la Terre ont effectivement varié à de nombreuses reprises au cours de son histoire, et dans des proportions parfois plus importantes qu’actuellement, jamais ces modifications ne se sont opérées à des vitesses comparables à celles que nous observons aujourd’hui.

Cette séquence s’attache également à donner un aperçu des méthodes scientifiques qui permettent de recueillir les informations utilisées dans les reconstitutions de l’atmosphère et des climats.

2.1. Comment tracer l’évolution de l’atmosphère terrestre dans le passé ?

Reconstituer la composition de l’atmosphère dans le passé paraît complètement inconcevable ! Comment les gaz qui composent l’atmosphère terrestre pourraient-il laisser des traces durables ? Pourtant, c’est bien ce défi en apparence impossible que la recherche parvient aujourd’hui à relever en utilisant plusieurs indicateurs ou « proxies » (« proxy » au singulier). Ces proxies sont des témoins directs ou indirects de la composition de l’atmosphère à un moment donné de l’histoire de la Terre.

En voici deux exemples :

• L’observation des roches les plus anciennes préservées à la surface de la Terre permet de décrire l’apparition de l’oxygène dans l’atmosphère terrestre. Au début de l’histoire de la Terre, la couleur dominante des roches contenant du fer est un gris bleuté qui traduit la présence exclusive de ce fer sous sa forme réduite (c’est-à-dire non oxydée). Il y a environ 2,5 milliards d’années, les mêmes roches prennent une couleur rouge-orangée caractéristique de la forme oxydée du fer (celle qu’on observe communément dans la rouille). Ce changement n’est possible qu’à partir du moment où l’oxygène est présent dans l’atmosphère en quantités suffisantes. Les interactions entre les roches contenant du fer et l’atmosphère permettent donc de déduire (= proxy indirect) la teneur en oxygène de cette dernière. Ce qui permet d’affirmer que l’atmosphère initiale de notre planète était initialement pauvre en oxygène avant de connaître un épisode important d’enrichissement entre -2,5 et -2,2 milliards d’années (voir la séquence sur le système Terre à l'échelle des temps géologiques).

• Dans le cas désormais célèbre des bulles piégées dans les glaces polaires, nous avons affaire à un indicateur direct : les gaz contenus dans ces bulles sont tout simplement des vestiges de l’air qui s’est trouvé mélangé aux cristaux de glace lorsque la neige fraîche s’est déposée. Cet air finit par être emprisonné (on pourrait dire « fossilisé ») dans un piège hermétique lorsque la neige se transforme en glace sous l’effet de la compaction et du froid. Les bulles ainsi formées constituent donc un échantillon de la composition de l’air contemporain des précipitations neigeuses qui nous parvient directement et qui peut être analysé comme le serait un échantillon d’air actuel. C’est grâce à l’analyse des variations de composition de ces bulles au cours du temps que l’on a pu mettre en évidence la relation entre la teneur en CO₂ de l’atmosphère et les alternances entre périodes glaciaires (air appauvri en CO₂) et interglaciaires (air enrichi en CO₂).

Ces deux exemples emblématiques ne doivent pas faire oublier que d’autres types de traces sont laissées par les changements de composition de l’atmosphère terrestre au cours des temps géologiques aussi bien dans les roches que dans les fossiles. Elles constituent autant de proxies utilisables pour remonter à l’information recherchée.

2.2. Une approche à plusieurs échelles

Les indicateurs décrits précédemment présentent la particularité essentielle de s’inscrire dans des échelles de temps très différentes. Cette caractéristique doit impérativement être prise en compte pour ne pas commettre d’erreur d’interprétation. En effet, comparées à l’histoire de l’oxygénation de l’atmosphère terrestre qui s’étend sur plusieurs milliards d’années, l’histoire des dernières glaciations décrite par les bulles d’air des glaces polaires ne représente qu’un évènement «anecdotique» de quelques centaines de milliers d’années. Chacun de ces évènements a son propre intérêt pour éclairer différentes facettes du fonctionnement de l’atmosphère et du climat, mais à condition de bien comprendre comment les échelles de temps s’emboîtent à la façon de poupées russes.

Ce point est particulièrement important pour comprendre les enjeux liés à l’évolution climatique actuelle. Si on ne comprend pas que les mécanismes impactés par les activités humaines fonctionnent sur des échelles de temps bien supérieures à la durée d’une vie humaine, nous ne serons pas en mesure de prendre les décisions sur le long terme qui peuvent efficacement infléchir les courbes du réchauffement.

Cette problématique des échelles de temps trouve une illustration parfaite dans une confusion souvent mise en avant par les climato-sceptiques. Cette erreur classique, popularisée par un ancien président américain qui n’était pas à une approximation près, consiste à s’appuyer sur une observation météorologique (de préférence un épisode de froid ponctuel et spectaculaire) pour nier la tendance globale au réchauffement du climat.

Or, si la météo s’intéresse aux variations à court terme (un instantané du « temps qu’il fait » au jour le jour avec des prévisions qui vous indiquent comment vous habiller le matin si vous ne voulez pas être surpris par la pluie, le froid ou la chaleur au cours de votre journée), le climat correspond quant à lui à une observation à long terme qui permet d’identifier des évolutions sur des durées plus importantes (plusieurs décennies, siècles, millénaires, millions, voire milliards d’années). La caractérisation des climats s’appuie sur des analyses statistiques de longues séries de données (par exemple les données météo de votre quotidien, mais compilées sur de longues périodes) qui permettent de dégager des tendances de fond : réchauffement, refroidissement, augmentation ou raréfaction des précipitations…

Température moyenne annuelle de l'air sous abri aux stations météorologiques de Metz-Frescaty et Nancy-Essey depuis le XIX^e siècle

Les deux courbes en trait gras correspondent à une moyenne glissante sur 5 ans.
Source : Météo France

Avec cet exemple de distorsion de la réalité scientifique, nous nous sommes un peu éloignés de la composition de l’atmosphère pour glisser vers l’évolution climatique. De fait, les deux questions sont désormais traitées ensemble en raison du lien bien établi entre gaz à effet de serre et changement climatique (voir l’analyse des bulles d’air contenues dans les glaces). Cela transparaît nettement dans les types de données utilisées aux différentes échelles de temps pour reconstituer les évolutions climatiques et atmosphériques dans le passé.

2.3. Les relevés à l’échelle historique

Les relevés météorologiques sont des pratiques anciennes, déjà vieilles de plusieurs siècles, liées à l’apparition des premiers thermomètres et baromètres. Mais il faut attendre la fin du XIX^e siècle pour voir ces mesures se fiabiliser grâce à la calibration des instruments (voir la figure suivante et en particulier la disparité initiale des mesures liée au mauvais calage des instruments).

Le Treut et al., 2007: Historical Overview of Climate Change

Les relevés ainsi obtenus permettent de discerner des tendances dans l’évolution globale des températures sur une période d’un peu plus d’un siècle.

Pour des périodes antérieures, ces données sont complétées par les informations que l’on peut trouver dans divers écrits anciens. Il peut notamment s’agir d’indications sur les dates de récoltes, tributaires des conditions climatiques, comme dans la figure ci-dessous qui rassemble les dates des vendanges depuis la fin du XIV^e siècle.

Chuine et al., 2004 - ® Tous droits réservés

2.4. A l'échelle de la dernière ère glaciaire

C’est à ce niveau que se situent les analyses des carottes glaciaires évoquées dans le paragraphe précédent. Elles constituent les dernières mesures « directes » de la composition de l’atmosphère lorsqu’on remonte dans le passé (ici 800 000 ans avec l’objectif réaliste de pouvoir remonter bientôt jusqu’à 1 million d’années).

Adaptation V. Huault d'après données NASA et graphique A. Landais

L’intérêt de ces informations tient à la période particulière qu’elles couvrent : les derniers épisodes de glaciation. Les informations recueillies sont précieuses puisqu’elles illustrent directement la variation de la teneur en gaz à effet de serre qui accompagne la mise en place d’une glaciation, sous l’effet de paramètres complexes qui ne seront pas décrits ici.

2.5. A l'échelle des temps géologiques

Les informations directes sur la composition de l’atmosphère étant beaucoup plus rares dans les temps anciens, on utilise essentiellement des mesures « indirectes » : partant des indices sur les caractéristiques climatiques fournies par les roches et les fossiles, des modèles mathématiques permettent d’estimer les concentrations de gaz à effet de serre nécessaires à la mise en place des climats correspondants.

Bien que de nombreuses questions induites par ces méthodes restent encore en suspens, les informations ainsi recueillies sont précieuses puisqu’elles permettent de remonter aux compositions les plus anciennes de l’atmosphère terrestre et fournissent ainsi des clés pour comprendre les mécanismes qui lient le fonctionnement du climat à l’évolution de l’atmosphère terrestre sur le temps long géologique.

Les proxies fournis par la géologie sont de natures très diverses, mais on peut citer pour illustration :

• Les informations fournies par les fossiles contenus dans les roches, sur la base de leurs préférences écologiques. C’est ainsi qu’on identifie, par exemple, un épisode particulièrement chaud au cours du Crétacé qui permet l’installation d’organismes tributaires de températures élevées (palmiers, crocodiles) au Groenland, alors que cette région était déjà très au Nord à cette période.
• Les informations fournies par la composition des roches : soit parce que leur formation nécessite des conditions climatiques particulières (roches issues de phénomènes d’altération en milieu chaud et humide par exemple), soit parce que leur composition chimique implique des interactions avec l’atmosphère (stockage de CO₂ dans les roches calcaires ou consommation de CO₂ dans les processus d’altération).
• Les traces laissées par les phénomènes climatiques sur les roches : stries provoquées par le déplacement des glaciers par exemple.

Grâce à l’utilisation combinée de ces outils, nous disposons aujourd’hui d’une vision synthétique assez fiable de l’évolution de l’atmosphère terrestre au cours des temps géologiques comme le présente la figure ci-dessous.

GIEC, Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report

2.6. Les enseignements du passé au service de l’anticipation du futur

Les données dont nous disposons aujourd’hui décrivent une histoire de l’atmosphère et des climats assez fiable dans ses grandes lignes. On peut considérer comme un fait désormais bien établi que la composition de l’atmosphère et les climats qui en découlent ont varié considérablement au cours des temps géologiques. Parmi les grands repères aujourd’hui bien documentés, on peut citer l’histoire de l’oxygénation de l’atmosphère primitive décrite dans les paragraphes précédents, mais aussi :

• Au moins 5 grands épisodes de refroidissement correspondant à un amoindrissement des teneurs de l’atmosphère en gaz à effet de serre : 
• entre 2,5 et 2,2 milliards d’années, 
• entre -850 et -600 millions d’années (épisode particulièrement intense qui a pu voir un englacement total jusqu’à l’équateur à l’origine du concept de « Terre boule de neige »), 
• puis à -450 millions d’années, 
• -300 millions d’années 
• et enfin depuis les 34 derniers millions d’années (la présence actuelle de glaces aux pôles nous rappelle que nous sommes dans une période interglaciaire de la grande glaciation en cours !).
• Des périodes chaudes, les plus récentes étant marquées par le développement accru d’environnements récifaux il y a 540 millions d’années, puis vers -380 Ma et surtout durant le très long intervalle compris entre -250 et -35 Ma.

Cette histoire grossièrement résumée ici est en réalité suffisamment documentée pour servir de base à l’évaluation des fameux « modèles mathématiques ». Ces modèles auxquels on confie l’élaboration des scénarios climatiques futurs doivent d’abord être capable de reproduire les évolutions constatées dans le passé géologique avant d’être mis en œuvre. Si ce n’était pas le cas, quelle confiance pourrait-on accorder à leurs prévisions ? L’observation détaillée du passé est donc indispensable à l’amélioration des modélisations.

Un autre enjeu est aujourd’hui de comprendre les causes des variations observées au cours de l’histoire de la Terre. Pour y parvenir, on peut s’appuyer sur l’observation de coïncidences entre des périodes de refroidissement et de grands évènements géologiques ou biologiques. Ces évènements ont en commun d’aboutir à une forte consommation de CO₂ : ce sont les végétaux qui deviennent abondants au Carbonifère et finissent par provoquer la formation d’énormes gisements de charbon (dans lequel le carbone se trouve piégé) ou bien les chaînes de montagne dont les roches subissent une altération qui a pour effet de consommer le CO₂ en grandes quantités. Les grands épisodes de glaciations cités précédemment coïncident tous avec l’altération de grandes chaînes montagneuses : 

• chaîne calédonienne pour l’Ordovicien, 
• chaîne hercynienne pour le Carbonifère-Permien
• chaîne alpine (au sens large, Himalaya compris) pour la glaciation actuelle. 

On notera que la glaciation carbonifère cumule les deux causes (chaîne hercynienne et développement des végétaux), ce qui peut constituer une explication pour son intensité et sa durée.

A l’inverse, les périodes chaudes sont des périodes au cours desquelles ces pompes à CO₂ sont absentes ou moins efficaces et ne compensent pas le rejet continu de CO₂ dans l’atmosphère, conséquence de l’activité volcanique permanente de notre planète.

Cette observation importante n’explique pas l’intégralité des variations car d’autres paramètres que nous n’avons pas le temps de décrire ici entrent également en ligne de compte. Ce qu’on peut toutefois en retenir à ce stade, c’est que l’atmosphère terrestre fonctionne un peu à la manière d’un système thermostaté. La régulation de la quantité de gaz à effet de serre par différents phénomènes empêche l’installation définitive d’un climat froid ou d’un climat torride et a ainsi permis le maintien de la vie sur Terre. La lenteur des phénomènes qui entrent en jeu rend également ces évolutions assez progressives (sauf lors de certaines crises biologiques).

Cette progressivité nous ramène de nouveau à la question de la vitesse des changements actuels… Les climato-sceptiques aiment à souligner que le climat a été plus chaud par le passé. C’est absolument vrai ! Mais ils oublient de pousser la comparaison jusqu’aux vitesses des changements. Jamais des changements dans la composition de l’atmosphère et les perturbations climatiques qui les accompagnent ne se sont produits à des vitesses telles que celles que nous observons actuellement. Des changements majeurs qui se déroulaient sur des centaines de milliers, voire des millions d’années dans l’histoire de la Terre sont actuellement mesurés sur des durées comprises entre décennies et siècles.

Face à cette évolution préoccupante, la réaction de l’humanité tarde à s’organiser. Cela tient bien entendu à un fort conservatisme au service de la protection d’intérêts divers, mais cela tient aussi au fait qu’il nous est plus facile de concevoir des changements à court terme (la météo de notre quotidien) que de nous projeter dans le temps long des mécanismes du climat. C’est pourtant une tendance contre laquelle il va falloir lutter si l’on veut agir efficacement, sur le long terme, pour limiter les effets des changements en cours et ceux qui sont encore à venir.

3. Idées d'activités

• Au sein d’une liste d’évènements attribuer ceux qui relèvent de la météo et ceux qui relèvent de l’évolution climatique
• Analyse de documents historiques (relevé historique, chronique) : faire le lien avec l’une des évolutions décrites dans la leçon.
• Exercice sur l'évolution de la composition de l'atmosphère (Format Word)
  

4. Ressources complémentaires

5. Crédits

Cette leçon fait partie du Socle commun de connaissances et de compétences transversales sur l'anthropocène (S3C), produit par la Fondation UVED et soutenu par le Ministère de l'Enseignement supérieur et de la Recherche.

Elle est mise à disposition selon les termes de la Licence Creative Commons - 4.0 International : Attribution - Pas d’Utilisation Commerciale - Partage dans les Mêmes Conditions

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Première édition :  octobre 2023