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AVERTISSEMENT AU LECTEUR

Aristarque de Samos Malgré plus de 10 années d’ajouts variés et de La dilapidation des ressources naturelles est, pour les modifications — et maintenant de pages web élèves Q- ou MC- nom de combustibles fossiles, irréversible pour la fraction déjà la page.htm, « Question » ou « Mot-Clef » indiqués au long de ce poly et consommée. Elle est même semble-t-il impossible à réduire que vous retrouverez en sur le site http://www.emse.fr/~bouchardon dans la pour les sociétés les moins industrialisées 2. Face à cette rubrique Wiki Elèves 2009-10-11 — ce poly de 200 pages, 23 situation, le plus dérangeant n’est pas tant la disparition tableaux et 310 figures environ n’est toujours pas un cours d’une énergie quand d’autres sont renouvelables et complet. Ce n’est d’ailleurs pas son objectif, même si sans seront largement à la disposition de l’homme dans le doute trouverez-vous ici ou là au long de ces cent cinquante futur, que l’épuisement d’un gisement source d’une foule pages, un fourmillement rebutant de connaissances parfois d’applications autres qu’énergétiques. Sur ce plan là, trop (?) pointues, typiques d’un cours. Le propos est de venir l’irréversibilité de nos actes doit peser dans nos décisions. en aide au lecteur, étudiant de l’EMSE ou autre, dans sa S’agissant d’éléments utiles à la fabrication de nos objets et compréhension des processus naturels en le baladant dans outils manufacturés, l’épuisement de la ressource est virtuel. des échelles de temps ou d’espace très variées et en tirant ici Le recyclage devient la norme et constituera demain le ou là sur la pelote de la complexité par quelques brins. nouveau gisement, délocalisé et permanent, dont la En effet, une approche globale (voire systémique) des raréfaction sera en quelque sorte presque seulement processus est indispensable à la compréhension des dépendante de la taille de la population mondiale 3. phénomènes naturels et cette culture devient d’autant plus L’utilisation des deux ressources vitales, l’air dont nécessaire qu’avec les temps modernes, l’homme est bien ere nous commençons à peine à saisir l’importance d’une devenu la 1 espèce consciente que son activité influence gestion, et l’eau, tombée du ciel et donc toujours considérée le futur de notre planète . Il ne faut ni s’en enorgueillir ni comme bénédiction de(s) (D)dieu(x) — utilisez à votre en avoir peur, mais garder à l’esprit que les générations que convenance majuscule, singulier et pluriel — sera demain au nous formons aujourd’hui auront à agir demain en étant cœur des préoccupations humaines. Protéger et gérer capables de considérer leur action en termes de problèmes nécessite une compréhension claire du cycle de l’eau, du globaux, dans leur complexité et dans le respect de ce qui carbone, des substances contaminantes etc., ainsi que des l’entoure, animal, végétal, minéral. Pour ces générations, de interactions entre tous les réservoirs. Passant par nos plus en plus peuplées et actives, le caractère holistique des processus naturels — au sens où ceux-ci ont tendance au travers de leur fonctionnement à créer des ensembles structurés qui présentent des dimensions supérieures à la somme de leurs parties 2 L’absolue nécessité de rattraper leur retard économique, ou — imposera de les aborder avec une pensée complexe en simplement de cuire, de se chauffer, de se déplacer implique, vue d’une politique de développement soutenable. Le mot pour les sociétés les plus pauvres, l’utilisation des ressources anglais « soutenable » est peut-être préférable à « durable », les moins chères, pour l’heure les combustibles fossiles, quel dont la connotation temporelle entrave la compréhension du qu’en soit le prix à payer à long terme. On voit combien il y concept en laissant penser qu’il s’agit de faire durer l’état a loin des intentions aux accords (Kyöto, Montréal ou actuel quand il s’agit au contraire de le faire évoluer. Le Copenhague) et des accords aux réalités qui les suivent… La développement soutenable implique une politique de mitigation passe ici très certainement par notre capacité à croissance responsable et respectueuse, fondée sur la proposer des techniques de substitution au moins aussi mitigation 1 et non sur un retour supposé vertueux (et rentables en terme de coût/performance. Une stratégie complètement irrationnel) aux temps d’avant, Eden adaptative s’impose à nous qui ne relève pas des éco-taxes écologique pour une pensée unique. Viser à limiter l'intensité ou autres incitations à consommer moins, quand le rêve du de certains aléas tels que ceux liés à des phénomènes modèle développé pilleur des ressources qui est le nôtre climatiques et géologiques impose d’en saisir les processus multiplie les besoins d’une population en pleine croissance, et les interactions. Et même si nous devions en venir à tant démographique qu’industrielle. C’est une Grameen considérer toute politique de mitigation comme inaccessible, green mitigation participative qu’il nous faudra inventer. en terme de coût aussi bien que de technique, il resterait à 3 On voit bien ici comment la mondialisation des échanges fournir l’indispensable effort d’adaptation aux changements s’accompagne d’une prise de conscience que le jardin d’environnement qui, de toute manière, attendent notre planétaire est borné. L’idée qu’un jour le nombre des espèce et auxquels, de toutes façons, nous n’échapperons individus devra l’être aussi est déjà perceptible à travers pas ! l’émergence de notions telles que le nombre d’individus que la Terre est capable de nourrir. Là encore une stratégie

d’adaptation prévaudra sur un « croissez et multipliez » 1 Mitigation : du latin mitigare ), signifie atténuation. Dans ancestral, nécessaire au salut d’un groupe initial faible vivant le cadre de la prévention de risques majeurs naturels, dans un espace infini pour lui, mais devenu destructeur pour l’objectif de la mitigation est d'atténuer les dommages sur les un groupe nombreux exerçant une prédation forte sur un enjeux, afin de les rendre plus supportables par la société. espace fini. - 1 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 besoins, cette eau merveilleuse rejoint un cours d’eau, (IPPC à paraître en octobre 2014, http://ipcc- « diluteur » muet des rejets dont nous le chargeons, dont wg2.gov/AR5/images/uploads/WGIIAR5-Chap29_FGDall.pdf ) s’en fait nous ne connaissons que la surface. Parfois seulement l’écho. Que n’a-t-on dit d’une catastrophe, pourtant (hélas), la vie de ce fleuve vient nous rappeler au détour prévisible, la submersion de la Nouvelle Orléans ? Qui se d’une angoisse médiatisée que nous nous sommes forgé un soucie des 4 à 5 Gigatonnes (10 9) de sédiments bloqués par vrai souci (e.g. les PCB, les antibiotiques …). Certes, les quelques 36389 barrages dans le monde (répertoriés par pays industrialisés ont pris conscience qu’ils ont les moyens Commision Internationnale des Grands Barrages, de s’éviter des problèmes à venir et l’eau de nos rivières http://www.icold-cigb.org/homeF.asp ), soit 1/4 des 16 à 19 devient chaque jour moins sale. Pour le reste, l’immensité Gigatonnes qui arrivaient avant jusqu’à l’océan (d’après océanique si mal connue 4 sert encore trop souvent de l’IPCC 2014), nourrissant ainsi des deltas qui ne plus que poubelle à nos déchets, on la considère à tort comme un reculer, et ce d’autant plus vite que la mer monte… Et le garde-manger inépuisable, comme le moyen idéal de sable de nos plages n’est qu’une infime fraction de la masse circulation sans entretien pour nos marchandises 5 sur des de sédiments qui arrivent à la mer. bateaux pollueurs (fortunes de mer, dégazages, conteneurs Bref, inconsciemment ou pas, l’homme etc.), voire parfois des quasi-épaves flottantes 6… Tous ces d’aujourd’hui a largement mutualisé ses déchets et gère problèmes ne sont pas récents. Le Nouvel Obs. écrivait en la ressource sans autre règle que la loi du plus fort (y 2000, N°1879, « 40 000 navires de plus de 300 tonneaux compris en U.E. [7] ). Il eut mieux valu une approche sillonnent en permanence les océans et un bateau rejoint systémique à l’échelle de la ressource et des déchets générés, tous les trois jours le fond des mers » et de rajouter, presque pour une gestion commune… Dans « la voie pour l’avenir en commentaire par anticipation à notre propos, « Mais plus de l’humanité » 2011, Edgard Morin explore des possibles que naufrages et dégazages sauvages, c’est la terre et ses réformes, rêves peut-être, utopies sans doute, mais la route fleuves poubelles qui polluent massivement la mer ». que l’humanité s’est tracée devra changer ; la réussite de 70% de la surface terrestre n’ont pour témoin de nos notre espèce a résidé dans sa capacité à coévoluer avec notre activités que les riverains de l’océan, ici une marée noire, là monde, pas sûr que nous gagnions à refuser plus longtemps une tempête trop brutale. Quid de l’impact de la surpêche sur d’en faire partie. la ressource halieutique ? Le désert du Sahara offre au Notre regard est en train de changer. La perception de marcheur l’incandescence d’un coucher de soleil ou le chant la finitude du milieu qui nous accueille (espace et temps), de dunes ; la solitude noire du fond des mers nous indiffère. dont la mondialisation n’est qu’une des manifestations, se La griffure mortelle du filet sur le fond de la mer existe-t- fait jour. Elle vient s’ajouter à celle de la diversité croissante elle puisque personne n’est là pour la voir. La plaie béante et non finie des connaissances indispensables à la prise en de la carrière réclame réparation au nom du droit du sol compte de la complexité des processus mis en jeux. lorsque cesse son exploitation, pas celle de la drague suceuse L’approche systémique de l’interface de sable et de tout le vivant qu’elle contient, la mer est à Géosphère ∩ Atmo-hydro-sphère ∩ biosphère tous, le sable à personne. Tout ce qui se passe sous l’eau est une absolue nécessité pour aider à mieux comprendre et à est hors du champ de conscience de l’humain . Que l’on y réduire la vulnérabilité des enjeux qui nous attendent… Ce arrache les récifs ou le sable — l’ordre de grandeur des dernier point n’est déjà plus notre propos, et nous limiterons chiffres avancés du « sand-mining » que l’on peut trouver ici les objectifs de ce poly à fournir quelques-unes des ou là se situent entre 75 et 150.106 tonnes, plus que ce que clefs indispensables pour les rivières apportent chaque année ? les bilans sont appréhender les processus naturels difficiles à étayer — pour produire des bétons, que l’on de manière globale . construise partout à l’excès au bord des plages, ne laissant ainsi aucune latitude au rivage pour s’adapter ou amortir les Il s’agit là d’une obligation particulière, qui impose variations saisonnières d’énergie et l’on accusera d’abord le une remobilisation très forte de nos modes de fonctionnement. J’emprunterai aussi à Edgar Morin la prise CO 2 de fondre les glaces et de provoquer la montée du niveau de la mer. Pourtant, Maldives et Iles Marshall sont de conscience qu’il nous faut faire, que la cause profonde du autant malades sinon plus du dragage de leurs sables côtiers danger qui nous guette « est d'abord dans l'organisation de que de la montée du niveau de la mer, le 5° rapport du GIEC notre savoir en systèmes d'idées, de théories, d'idéologies », que la science peut, par spécialisation excessive, conduire vers « une nouvelle ignorance liée au développement de la science elle-même, à l'usage dégradé de la raison. Tant que 4 La première carte des fonds océaniques, celle de nous ne relions pas les connaissances selon les principes de l’atlantique Nord, publiée par B. Heezen et M. Tharp , date la connaissance complexe, nous restons incapables de de 1957, et la publication de l’ensemble des fonds connaître le tissu commun des choses… …les erreurs océaniques mondiaux (par les mêmes auteurs) a attendu progressent en même temps que nos connaissances. N'est-il 1977. En outre, nous sommes encore très loin d’avoir pas urgent de réinterroger une raison qui a produit en son identifié toutes les espèces vivantes, leurs cycles de vie, leurs sein son pire ennemi, la rationalisation? interdépendances. Fort de cette interrogation, il m’a paru indispensable 5 En 2005, 50.000 navires sillonnaient les mers du globe, de confronter dans ce poly des arguments scientifiques qui, Plus de 6 milliards de tonnes ont transité par mer cette pourtant tous publiés dans des revues à comité de lecture, année-là, soit 80% du trafic commercial mondial. s’opposent dans l’exposé des faits ou dans les modèles que 6 Les pavillons de complaisance sont nombreux, les sociétés les auteurs en tirent. L’objectif d’une telle confrontation de classification des navires ne sont pas toujours n’est pas de définir une « vérité » mais d’inviter le lecteur à transparentes, 12 seulement des 50 sociétés existantes dans penser de manière critique, à éviter les courts-circuits de la le monde sont agrées par l’Europe. réflexion et les conventions culturelles qui alimentent la

- 2 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 doxa (voir épilogue). choses sur 5.6 milliard d’années d’une histoire toujours Utiliser ce poly dans le but d’assembler vos savoirs renouvelée (à différentes échelles), de l’inerte au vivant, ou en une trame vous donnant à lire la complexité du monde est comme l’aurait dit C. Allègre, « de la pierre à l’étoile ». plus important à mes yeux que d’apprendre par cœur tel ou Bonne lecture… tel nom de roche ou de minéral. Partant de là, prenez ce poly comme un tremplin, pour aller chercher les viatiques qu’il vous faudra porter, pour mieux explorer le tissu commun des J.L.B.

Prologue Un trop bref historique

Une remarque s’impose : la géologie et sa sœur démarche. D’un côté, comme l’écrit J.C. Ameisen en 2008 à jumelle au combien plus âgée, l’astronomie, se distinguent propos du vivant dans « Dans la lumière et les ombres », considérablement des autres sciences car l’expérience « la Genèse fige, une fois pour toute la diversité des espèces qu’elles étudient est unique, et contient ses vivantes. Et sépare radicalement la création de l’être expérimentateurs. Ni l’astronome ni le géologue ne peuvent humain de la création de toutes les autres espèces… Tels agir sur le milieu qu’ils étudient, pour des raisons d’échelle qu’ils sont, et demeureront, depuis l’origine ». Ainsi, le récit de temps ou d’espace, et ils doivent donc se contenter de fondamental des 3 grandes religions monothéistes, très l’observer ponctuellement de l’intérieur, à la rigueur le tester largement répandu maintenant, interprète-t-il notre univers à en petit, au mieux le modéliser, à partir de données éparses ; partir d’une intention divine unique et définitive. Le le risque de se tromper est donc grand ! Aussi, la collection 2°courant de pensée, hérité des Perses, développe, chez les des informations sur des temps qui dépassent souvent la Grecs, la vision d’un monde habité par les hommes mais durée de vie des observateurs a-t-elle joué et joue-t-elle aussi par les dieux et qui ne doit rien à ces derniers. Au ~V° encore un rôle essentiel dans le progrès de ces sciences. La siècle, pour Anaxagore de Clazomènes , « rien ne se perd, bibliothèque d’Assurbanipal contenait au ∼VII° siècle des rien ne se crée, tout se transforme (maxime célèbre que lui tablettes astronomiques dont les plus anciennes remontent empruntera Lavoisier). Les êtres et la matière ne se sans doute au ∼7XX ° siècle. Ces tablettes évoquent la marche produisent ni ne se créent, mais se transforment. Pour lui, en zigzag des planètes par rapport aux constellations, et tout est matière et chaque chose se compose des mêmes contiennent des tables des éclipses passées, qui servaient à éléments, qu’il aurait nommés atomes, mais en des prédire celles à venir. On comprend bien ici comment le proportions différentes. Cette idée préfigure celles de développement de ces sciences passe largement par le Démocrite, père de la théorie atomiste. Et le philosophe stockage et l’analyse d’observations fiables, et donc généralise sa pensée, écartant un éventuel « intelligent parallèlement par l’accroissement des performances des design » dans la nature : « ce n’est certes pas par réflexion instruments de l’observation. Toutefois, nous en arrivons ni sous l’emprise d’une pensée intelligente que les atomes vite à un tel degré d’accumulation de résultats, de ont su occuper leur place ; ils n’ont pas concerté entre eux multiplicité des méthodes d’études, que le nombre des leurs mouvements. Mais comme ils sont innombrables […] paramètres mesurés devient trop important pour que nous et qu’ils s’abordent et s’unissent de toutes les manières puissions les appréhender dans leur ensemble. Cela nous possibles […] il est arrivé qu’après avoir tenté unions et force souvent à recourir à l’image ( e.g. les cartes), dont mouvements à l’infini, ils ont abouti enfin aux soudaines « l’immanence » parle mieux à notre cerveau que de longues formations massives d’où tirèrent leur origine ces grands colonnes de nombres. Néanmoins, pour bien comprendre les aspects de la vie : la Terre, le ciel, les espèces vivantes » systèmes naturels complexes, il devient urgent d’apprendre Ibid. Dès cette époque, entre ~VII° et ~IV° siècle, pendant à combiner l’ensemble des informations, en se dépouillant que la bible hébraïque prend la forme que nous lui de l’inutile par la sélection des observations, et en connaissons, se met en place en Grèce chez les confrontant l’information à la théorie éphémère, dans un présocratiques une démarche scientifique pour laquelle tout aller-retour ouvert et fécond sans hiérarchie de valeurs. est toujours en train de naître = nature. Les philosophes Porte ouverte ? Il n’est que de regarder par exemple nos mettent l’observation au premier plan de leurs disciplines. débats modernes qui rassemblent souvent Grands Elle conduira à des déductions très précoces qui auraient pu Scientifiques et Politiques pour constater que l’argumentaire nous protéger du géocentrisme… idéologique est encore largement présent, et pas toujours seulement chez le Politique !… La question de la forme de la Terre apparaît très tôt dans l’esprit humain. A l’articulation des ~VII° et ~VI° La représentation du monde dans nos civilisations siècles avant JC, Thalès de Milet (vers ~625-547) se ouest-européennes est marquée très tôt par une double préoccupait déjà d’une représentation de l’univers. Dans celle-ci, la Terre était un disque flottant comme du bois sur l’eau, dans un espace rempli d’eau, la « matière primordiale ». On reconnaît souvent dans cette façon de 7 ~ = avant Jésus Christ ; AD = Anno Domini pour après voir de Thalès l’influence des mythologies anciennes pour Jésus Christ. lesquelles l’eau est un élément essentiel, tel le Nil des - 3 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

égyptiens ou les deux océans inférieur et supérieur à Fig. 1 : le monde et la Terre selon Anaximandre. Babylone. C’est avec l’école de Milet que naît la rationalité ; elle est la première à distinguer le naturel du surnaturel, et pour Thalès, la description du monde n’est plus seulement métaphysique (l’histoire d’une création) mais aussi une connaissance physique. La recherche de causes naturelles pour expliquer les phénomènes commence. Parallèlement, la discussion logique des arguments devient une nécessité.

Anaximandre de Milet (~610-546), élève de Thalès, est considéré comme le père de l’idée de « nature », c'est-à- dire de naissance perpétuelle du monde. Pour lui l’origine du monde n’est plus un point singulier dans le temps, mais une perpétuelle naissance dont découle ce qui est ou sera. Il le vise à sortir les 4 éléments, l’air, la terre, l’eau et le feu de jour en été la nuit en hiver leur conception mythologique pour en donner une http://fr.wikipedia.org/wiki/Anaximandre explication physique et expliquer comment se sont formés la Terre et les êtres vivants à partir des interactions entre les 4 éléments. Sa conception de l’univers est cylindrique (Fig. 1). Celui-ci est infini et la Terre en occupe le centre, où elle flotte en équilibre ; elle est un cylindre de hauteur égale à 1/3 de son diamètre, entouré d’une masse océanique circulaire. Un tel modèle cylindrique autour de la Terre rend compte (Fig. 1) de la disparition des astres sous l’océan La Terre… sans l’océan (jour-nuit) et de la hauteur variable des astres dans le ciel d’une forme d’intelligence organisatrice, le « noûs » (saisons), questions sur lesquelles la représentation de (prononcer nousse), l’observation du cosmos fait sortir les Thalès venait buter. Pour plus de détails, lire l’article astres du panthéon. Pour lui, ils ne sont pas des dieux mais aisément accessible de Wikipédia. des masses incandescentes. Il a eu l’intuition que les Avec Pythagore , (vers ~580 – vers ~490), bien planètes et la Lune étaient des corps solides analogues à la connu pour son fameux théorème, apparaît au ~VI° siècle la Terre, lancés dans l’espace. Il en avait déduit que les sphéricité de l’univers (qu’il nomme cosmos). Mais il ne la éclipses de Lune résultent de l'immersion de celle-ci dans démontre pas, elle est nécessaire ; L’empreinte l’ombre de la Terre, et que la lumière qu’elle émet n’est que mythologique est forte encore, la sphéricité du monde, le reflet de celle du Soleil… Il en mourra, car pas plus dans comme le caractère circulaire des orbites se doivent d’être le monde grec de l’époque qu’après ou ailleurs, il ne fut et parfaits. Il a été fortement marqué par la science des n’est partout possible d’irriter sans risque les croyances ou nombres, le calcul arithmétique, la géométrie et les tenants du blasphème facile. l’astronomie, et en fait les principes fondamentaux de sa Ainsi, si Socrate (~470-399) est souvent considéré vision du monde et de la cité. Pour lui les lois naturelles comme le père de la philosophie occidentale, c’est d’abord reposent sur des lois mathématiques. Les élèves de l’école parce qu’il compte parmi les inventeurs de la morale. Sa pythagoricienne seront à l’origine d’idées très fécondes : vision du monde est essentiellement spirituelle. Son monde pour Philolaos de Crotone , vers ~470, la Terre sera mobile était divisé en deux domaines, celui des hommes et celui des dans le cosmos ; plus tard, pour Hecitas de Syracuse , au dieux ; Ce faisant, il remplace par des causes finales les ~IV° siècle, la Terre tournera sur elle-même… C’est à causes physiques des phénomènes naturels mises en avant Parménide , (vers ~510 – vers ~450) que l’on attribuera le par les présocratiques, dont nous venons de parler. plus souvent la rotondité de la Terre, même s’il est probable Expliquer le comportement des astres (réputés du domaine qu’il faille l’attribuer à Pythagore. La même philosophie de des dieux) par le raisonnement (pertinent dans le seul perfection des cercles ou sphère portant les divinités est domaine des hommes) est donc synonyme d’impiété. Ainsi encore présente au ∼V° siècle quand Eudoxe , élève de Socrate est en parfait accord avec l’idée de causalité Platon, propose une représentation du mouvement des ordonnatrice des choses chez Anaxagore, mais il rejette planètes par des mouvements circulaires uniformes, «seuls toute causalité mécanique du même auteur… dignes de la perfection des corps célestes». Il faudra à Eudoxe un total de 27 sphères emboîtées (Fig. 2a), aux axes Avec Démocrite , (vers ~460 – vers ~370), on et vitesses de rotation bien choisis, pour rendre compte du retrouve l’idée de nature, et celle-ci est composée pour mouvement des astres autour de la Terre. Le l’auteur du ~IV° siècle de 2 principes : système de Ptolémée ne sera qu’une variante Fig. 2a : sphères d’Eudoxe. ce qui est plein, qu’il nomme atomes et bien plus tardive, mais plus efficace, de ces entre les atomes, le vide (ou néant). Les tentatives géocentriques de représenter notre atomes sont solides et indivisibles, leur univers. taille les rend inobservables. Ils constituent tous les composés, donc les 4 Par contre, encore au ~V° siècle, éléments, l’air, la terre, l’eau et le feu. Ils avec Anaxagore de Clazomène (~500-428), se déplacent éternellement, dans le vide dont nous avons déjà rappelé la vision infini, ils génèrent toute chose en se atomiste (avant la lettre) d’un monde qui se réunissant, et se maintiennent ensemble réorganise perpétuellement sous la direction jusqu’à leur dispersion, destruction de

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Fig. 2b : déplacement rétrograde toute chose… Belle permettront l’observation de la rotondité de la Terre, grâce à de Mars sur la voûte étoilée. intuition… l’ombre portée par la Terre sur la Lune lors d’une éclipse. explication héliocentrée Mais il fut surtout un disciple de Platon, d’abord A la même dogmatique puis ensuite plus critique, mais il resta époque, ~V°- ~IV° néanmoins un philosophe spiritualiste. C’est pourquoi Saint siècle, Platon (~427- Thomas d’Aquin fera de la philosophie aristotélicienne, 17 348) creuse le sillon siècles plus tard, l’un des piliers de la doctrine chrétienne tracé par Socrate avant catholique, servant de référence à la fois spirituelle et lui, en particulier dans scientifique… son approche de l’éthique et dans le Héraclide du Pont (∼IV° siècle encore) eut quant à principe de causalité. lui l’idée de faire tourner la Terre sur elle-même pour Ainsi lit-on dans expliquer le mouvement apparent des étoiles (Fig. 3). Pour http://fr.wikipedia.org/wiki/Pla les Grecs cultivés de cette époque, la sphéricité des corps ton . « Pour connaître le célestes ne faisait plus de doute, et les notions de latitude et monde, il faut se de longitude sont alors apparues. rapporter à sa cause… » et « …pour que le Aristarque de Samos (~310-230), allait « pousser le monde sensible existe il bouchon » fort loin, en affirmant que la Terre est non faut qu’un démiurge le seulement ronde et qu’elle tourne sur elle-même, mais crée ». L’empreinte encore qu’ elle tourne autour du Soleil . Cela explique dès mythologique se traduit dans la conception de l’univers de cette époque l’alternance des saisons et simplifie Platon : La terre est au centre et immobile ; le mouvement considérablement le système des sphères d’Eudoxe. Il va des planètes est expliqué par un système de sphères plus loin encore en observant que le diamètre apparent de la emboitées. Lune peut être reporté trois fois dans le disque d'ombre de la Terre. Le diamètre de la Lune déduit du diamètre du Eudoxe de Cnide , cylindre d'ombre vaut donc 1/3 de celui de la (~408-355) fut l’élève de Fig. 3 : la Terre tourne sur elle-même Terre. Il mesure la taille angulaire du disque Platon ; Il est connu pour sa lunaire ∆ comme étant égal à 1°, commettant théorie des sphères là une erreur du simple au double (il n’est que homocentriques (Fig. 2a) qui de 0.5°) et calcule alors la distance Terre- sont venues parfaire le modèle Lune en fonction de cet l’angle solide et du de Platon. Pour rendre compte diamètre D de la Lune, qu’il a estimé à 1/3 de du déplacement rétrograde celui de la Terre. On pourrait écrire apparent des planètes externes l’approximation suivante : sur la sphère étoilée (Fig. 2b), ∆ x 180 / π x D = 57 x D le mouvement de chaque astre est construit par la Mais l’évaluation précise de π ne sera combinaison des mouvements de plusieurs sphères. Le faite que plus tard, par Archimède de Syracuse (~287-212) système géocentré des sphères homocentriques est faux, et les notions de trigonométrie n’apparaîtront qu’au ∼II° mais il est néanmoins d’une précision remarquable siècle avec Hipparque de Nicée (~190-120). Aristarque puisqu’Eudoxe calcule une durée de l’année égale à 365 utilisa donc pour ses calculs les tables de données jours ¼ ! Toutefois, ce système complexe présente un défaut astronomiques héritées des babyloniens, remontant jusqu’à majeur dont il semblerait qu’il fut décelé très vite, à Ninive aux environs du ~XX°. Aristarque observe aussi que l’époque d’Eudoxe : chacune des planètes reste à une le demi-quartier de Lune se produit lorsqu’elle reçoit les distance fixe de la Terre. Or, elles offrent une luminosité rayons solaires de façon exactement perpendiculaire au variable, qui ne s’explique qu’en faisant varier leur distance segment Terre-Lune (Fig. 4). Il mesure l’angle sous lequel à la Terre. Ce défaut ne sera gommé que plus tard, au II° se situe le Soleil par rapport au segment Terre-Lune, égal à siècle AD, par Ptolémée. Nous y reviendrons. 87° (il est en fait de 89.85°) et calcule une distance Terre Soleil égale à 19 fois ce segment Terre-Lune. Son erreur de Au ~IV° siècle, Aristote (~384-322) est le fondateur mesure sur l’angle (2°85) est suffisante pour que le résultat du Lycée, aussi nommé école péripatétique puisque l’on y de la distance relative Terre-Soleil soit très largement enseignait en marchant. Les idées d’Anaxagore lui minoré ; cette distance est 22 fois plus grande. Mais avec Aristarque, tous les éléments de l’héliocentrisme Fig. 4 : la mesure de la distance Terre Soleil par Aristarque de Samos. sont en place. On peut dire que dès cette époque, les Grecs anciens ont développé tous les arguments qui auraient dû faire perdre à notre globe « son caractère immuable et privilégié, au centre de tout » (E.Universalis). Pour substituer à la création parfaite et immuable des dieux l’image moderne d’un univers en mouvement et en perpétuelle évolution (ou renaissance), conforme à l’idée de nature, il ne manquait plus que l’observation clairvoyante des fossiles (bien qu’ Anaximandre de Milet ait déjà entrevu la http://fr.wikipedia.org/wiki/Aristarque_de_Samos

- 5 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 5 : 1° mesure de la rotondité de la Terre. Fig. 6 : point vernal et déplacement de l’axe de rotation de la Terre sur le cône de précession.

transformation du vivant dès le ∼VI° siècle).

∼ Au III° siècle, Eratosthène (276 - 194) pratiqua la première mesure précise de la sphéricité de la Terre (Fig. 5) ; il avait noté qu’au solstice d’été les puits d’Assouan (Syène à l’époque) étaient inondés de lumière, alors que l’obélisque d’Alexandrie conservait une ombre.

Estimant que ces deux localités sont sur le même méridien, Eratosthène mesura une différence de latitude de 7°12’ (au lieu 7°07’); connaissant la distance des 2 sites aux approximations près de l’époque, il en déduisit une valeur de la circonférence terrestre de 250000 stades, soit environ 46000 Km (soit 128 Km/°), une valeur somme toute très jusqu’à la Renaissance. Il est vrai que le discours sur les approchée des 40000 Km mesurés de nos jours (soit astres de Ptolémée n’est pas entaché des défauts du système 111.11 Km/°) ! d’Eudoxe. La théorie des épicycles (Fig. 7) rend parfaitement compte des mouvements apparents des Au ∼II° siècle, Hipparque (190 – 120), allait faire 8 planètes et introduit les changements de distance à la Terre l’invention géniale de la précession des équinoxes (Fig. 6). nécessaires. Elle s’ajuste parfaitement à plusieurs siècles On sait aujourd’hui que la précession est provoquée par le d’observations, et fait naître des tables numériques et des couple de forces exercées par la Lune et le Soleil (1 seul règles de calcul très performantes, qui permettent de prédire corps dans la figure 6) qui tend à ramener l’axe de rotation avec précision le positionnement des planètes et des étoiles. de la Terre sur la normale au plan de l’écliptique. Le Les connaissances des grecs nous seront transmises par les déséquilibre introduit par ce couple provoque la rotation de Arabes, enrichies de nouvelles observations acquises par la l’axe de la Terre autour de la normale au plan de construction d’observatoires réputés, comme celui de l’écliptique. Hipparque observa que la position de l’étoile Bagdad au IX° siècle. Le principal mérite reconnu aux Spica avait changé depuis les descriptions des Babyloniens. romains est d’avoir su archiver et traduire les connaissances Il calcula, en comparant la position de l’étoile Spica à de leurs administrés. Les tables de calcul de Ptolémée seront l’époque de Babylonien et à son époque, que l’axe de rotation de la Terre s’était déplacé de 2° sur le cône de Fig. 7 : illustration de la théorie des épicycles. précession ! Il estima que le déplacement était de l’ordre de 1°/siècle (au lieu de 72 ans) et qu’il était le même pour toutes les étoiles. Il allait hélas aussi réinventer le géocentrisme.

Il allait en cela être suivi au II° siècle AD par Ptolémée . Dans son ouvrage « de Megale Syntaxi », rédigé en grec mais très répandu grâce à une traduction latine (« Almagestum »), Ptolémée invente la théorie des épicycles. Cette idée est si brillante qu’elle nous inspirera

8 il remarqua que l’axe de rotation de la Terre décrit un cône à la manière d’une toupie (en 36000 ans d’après Ptolémée). En mécanique, un objet tournant tel une toupie ou un gyroscope va connaître un mouvement de précession s'il n'est pas équilibré, c'est-à-dire si la résultante des moments des forces qui s'exercent sur lui n'est pas nulle. Dans ces conditions, la période de précession TP est la suivante: 2 TP = 4 π .I s / C.T s Dans laquelle: Is est le moment d'inertie, Ts la période de http://serge.mehl.free.fr/chrono/Hipparque.html rotation autour de l'axe de rotation et C est le couple. - 6 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 réécrites au XIII° siècle sous Alphonse X de Castille ( Tables avoir parcouru 1° de latitude vers le nord, il revint à son Alphonsines ), car le rôle essentiel de l’astronomie et de la point de départ par le coche, en comptant le nombre de tours médecine de l’époque se confond encore, comme dans de roue effectué par celui-ci. Après moult corrections de l’antiquité, avec ce que nous nommons aujourd’hui topographie, il obtint la valeur de 110.6 km. En 1617, le astrologie. On voit encore mal comment, face à tant de géographe hollandais Snellius , inventeur de la mesure à cyclicité, tant de prédictibilité, l’esprit humain pourrait un longue distance par triangulation donnait une valeur très jour admettre définitivement qu’il n’est pas régit par un inexacte de 107 km pour 1° en hollande. L’abbé Picard , en Ordre supérieur. Même de nos jours, bousculée par inventant le théodolite en 1669 (lunette de Galilée munie l’astronomie moderne, la « science divinatoire» a certes d’un réticule), permet des mesures plus précises et obtient quitté le panthéon astronomique, mais c’est pour mieux aux environs de Paris la valeur de 111.212 km. C’est à peu crédibiliser le thème astral, le tarot ou la boule... près à cette époque (1660-1665) qu’Isaac Newton formula sa fameuse loi de la gravitation universelle, qu’il ne publiera Pour la première fois depuis Aristarque, le Soleil que plus tard, en 1687, mais il est important de noter revient au centre de notre monde avec les redécouvertes de qu’avec la mesure du méridien terrestre, Newton a pu Copernic (« Commentariolus » écrit en 1514 et « De entreprendre la première vérification numérique de sa loi. Revolutionibus orbium coelestium », 1543). Il remplace les Admettons avec lui en première approximation que le sphères de Ptolémée par des «orbes» solides qui entraînent mouvement de la Lune ne dépend que de la Terre, qu’il est chacune des planètes autour du Soleil. Pourtant, l’œuvre de circulaire autour de la Terre et que la Lune est animée d’une Copernic n’est déterminante que parce qu’elle implique vitesse angulaire ω constante. Posons encore que l’héliocentrisme. Elle ne repose sur aucune observation l’accélération de la pesanteur terrestre est égale à g à la nouvelle, et si Copernic place le Soleil au centre du monde, surface de la terre, c’est à dire à la distance R du centre de la c’est seulement parce qu’il est l’astre le plus brillant et que Terre, et qu’elle vaut ω2D au centre de la Lune. Leur rapport c’est de lui qu’émanent chaleur et lumière. En outre, il g/ ω 2D est égal au rapport inverse du carré des distances considère comme les philosophes anciens que le mouvement D2/R 2. Or en raison de l’observation de la parallaxe circulaire et uniforme est le seul possible car «le plus astronomique de la Lune, le rapport D/R est déjà connu avec parfait ». Dans la 2° moitié du XVI° siècle, Tycho Brahe précision à cette époque, et Newton put calculer la valeur du fait construire par Frédéric, roi de Danemark, un 2 3 rayon terrestre R= g/ ω *(R/D) . L’excellente cohérence de observatoire remarquablement instrumenté, qui lui permet ce calcul avec le résultat de la mesure de Picard allait d’accumuler 20 ans d’observations systématiques de la l’encourager grandement à publier ses résultats. En 1672, à Lune, des planètes et du Soleil, avec une précision angulaire l’occasion du déplacement d’une horloge à Cayenne, exceptionnelle, de l’ordre de la minute. Johannes Kepler , l’horloger Richer constate que celle-ci, parfaitement réglée adepte de Copernic, tirera des cahiers que Tycho Brahe à Paris, prend ici un retard de 2’30’’ /jour. Newton laisse à sa mort en 1601 que les orbites solaires ne sont pas interprète immédiatement ce retard comme le résultat de la des cercles mais des ellipses, et que le Soleil en occupe l’un force axifuge (nulle au pôle et maximum à l’équateur) qui des foyers. Il déterminera alors le mouvement réel des diminue la valeur de g, et il comprend aussi que cette Terre planètes. qui pour lui avait dû se comporter comme un fluide en révolution au moins durant ses premiers âges, devait aussi L’Eglise ne s’opposa pas tout de suite au système de avoir la forme d’un ellipsoïde de révolution. La mesure de Copernic. Elle, qui considérait la création de Dieu comme 9 1°d’arc méridien devrait donc augmenter de l’équateur au parfaite et donc immuable , n’y voyait qu’une nouvelle pôle (fig.4 Chp. 3.A.2). méthode de calcul des tables des planètes. Ce n’est que lorsqu’elle réalisa que cela remettait en cause le Dans Philosophiae naturalis principia mathematica , géocentrisme d’Aristote qu’elle réagit, en brûlant vif en qui est souvent considérée, avec le De revolutionibus de 1600 le disciple de Copernic Giordano Bruno qui affirmait Copernic, comme une des œuvres majeures de l’esprit que les étoiles sont d’autres soleils, puis en condamnant humain, Isaac Newton allait enfin formuler en 1687 la Galilée en 1633. En effet, grâce à l’usage de la lunette synthèse tentée pendant tant de siècles entre les phénomènes (1610), les observations de Galilée sur la rotation du Soleil, terrestres et célestes, et mise au goût du jour par Copernic, les satellites de Jupiter et les phases de Vénus, témoignaient Brahe, Galilée et Kepler. Principe de l’inertie, loi de avec une précision redoutable en faveur du système de l’accélération F = mg, et enfin principe de l’action et de la Copernic. réaction constituent la base de l’ouvrage. Ensuite, à partir des lois de Kepler, Newton remonte à la cause première, la Parallèlement, le médecin Fernel avait tenté dès gravitation universelle: « Deux corps quelconques s’attirent 1530 de mesurer un arc de 1° en partant de Paris. Après en raison directe de leurs masses, et en raison inverse du carré de la distance de leur centre de gravité ». Certes, la vulgarisation définitive des idées des grecs anciens et des coperniciens devra attendre les vues prises des grands 9  C’est le même fixisme pilier de la pensée officielle télescopes et des satellites qui nous en apporteront la fondée par la scolastique sur un corpus de textes choisis confirmation par l’image, mais avec Newton les outils du rigoureusement (essentiellement le nouveau et l’ancien raisonnement sont déjà en place et la planétologie peut dès  testament, plus les écrits aristotéliciens) qui s’opposera lors avancer à grand pas. encore au XIX° siècle aux idées transformistes de Jean- Baptiste de Monet de Lamarck (" La Philosophie Au début du XVIII° siècle, à la suite d’une mesure zoologique ", 1809 ) puis et surtout à l’évolutionisme que erronée de la longueur du méridien Dunkerque-Perpignan, Charles Robert Darwin développe en 1859 dans Cassini prétendait, en désaccord avec les idées de Newton, " L’Origine des espèces ". que la Terre avait la forme d'un citron, avec un rayon polaire - 7 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 plus grand que le rayon équatorial. C’est P.L. Moreau de Les mêmes coupures, avec présence d'un noyau Maupertuis qui vérifia le premier l’aplatissement polaire de métallique Fe ou Fe+S, sont observables sur les autres notre globe. Il compara la longueur d’un arc de méridien planètes dites « telluriques » proches du soleil (Fig. 8a, lire qu’il mesura lors d’une expédition en Laponie en 1736-1737 MC - Planeto - Telluriques et Gazeuses -Biron & Padet.htm ), alors que avec la longueur de l’arc de méridien mesuré à Paris. Lors les planètes plus éloignées, à cœur rocheux de petite taille, de la campagne d’exploration menée au Pérou, de 1735 à dites « joviennes », n'ont pas de noyau métallique Fe ou 1744, P. Bouguer et C. M. de La Condamine effectuèrent la Fe+S (Fig. 8b). Les télescopes puissants du XX° siècle même mesure. Les résultats sont sans appel! Le rayon auront largement contribué à l’observation des 9 planètes de polaire est de 6356 Km et le rayon équatorial de 6378 notre système (Tableaux 1 à 3), mais il reste beaucoup à Km, 22 Km de différence , et la Terre n’est donc faire pour en comprendre la physique, la chimie, et par-delà, décidément pas ronde. Aller plus loin dans l’analyse des l’origine et le devenir. formes de la Terre attendra ensuite l’avènement du satellite Notons ici que la distribution des masses volumiques artificiel, dont le détail de la trajectoire, en nous renseignant des corps du système solaire n’est pas quelconque (tableau 2 avec précision sur la distribution des masses à l’intérieur du et fig.9 page suivante). Situées au voisinage du Soleil, les «globe» terrestre, nous permettra passer de la morphologie planètes rocheuses et leurs satellites ont une masse mathématique de l’ellipsoïde à la forme mesurée de volumique élevée ( ρ>3Kg/dm 3) dans la première séquence. l’équipotentielle de pesanteur, que nous appelons géoïde. Elles sont donc très largement appauvries en éléments légers Néanmoins, dès la fin du XIX° siècle, Wiechert avait par rapport au reste. Mercure, Vénus et Mars voient leur montré par l'analyse des mouvements du globe que la Terre masse volumique décroître avec la distance au Soleil. Le ρ ρ est constituée d'au moins 2 couches de densités très couple Terre Lune n’obéit pas à cette loi ( = 5.52 et =3.34 différentes . En effet, le moment d'inertie de la Terre serait respectivement), même si le barycentre des deux masses égal à 0.4 MR 2 (M = masse, R = rayon) si elle était volumiques (pondéré par les volumes) occupe une place homogène et de densité uniforme; il est en fait plus petit moins anormale ( ρ= 5.46). La naissance tourmentée de ce (0.33MR 2), ce qui indique un excès de masse vers son couple, que l’on pourrait presque considérer comme une centre. A l'aube du XX°, les 3 couches essentielles de notre planète double, est une cause probable de perte planète sont reconnues. Les coupures sont de nature supplémentaire en éléments légers (cf. Chp. 4.D.1). Jupiter chimique : (en vert) est la première des planètes externes (gazeuses) ; elle appartient à la deuxième séquence, mais montre encore 1 - l'atmosphère - Associée à l’hydrosphère, elle de nombreux satellites dont la masse volumique moyenne regroupe les éléments volatils et gaz rares; son histoire supérieure à 2 les situe encore dans la première séquence de est encore largement controversée ; la figure 2. Saturne (deuxième planète gazeuse) et son 2 - le manteau - Il est solide et de nature silicatée; la cortège (violet), apparaissent clairement comme les corps croûte terrestre, elle aussi de nature silicatée ne les moins denses de notre système ; ils constituent toute la représente qu’une pellicule superficielle à la surface du troisième séquence et la partie «légère» de la deuxième. manteau dont elle dérive ; longtemps mise en doute, la Enfin, Uranus (marron), Neptune (bleu) et Pluton (cyan) se séparation du manteau en deux réservoirs indépendants rangent par ordre croissant de masse volumique avec leur est maintenant largement acceptée, avec un manteau distance au Soleil, et appartiennent toutes trois à la séquence inférieur relativement primitif et un manteau supérieur moyenne, de densité voisine de celle du Soleil (en jaune). appauvri parce qu’ayant donné naissance à la croûte Une telle distribution des masses volumiques autour d’un terrestre. minimum assez éloigné du Soleil (Saturne) impose une histoire précoce complexe à notre étoile et à son cortège de 3 - le noyau - Il est liquide et de nature métallique (fer) ; planètes, nous y reviendrons. le cœur, ou graine, est solide. Il donne naissance au champ magnétique terrestre.

Fig. 8a : les planètes rocheuses. Mercure Venus Terre Mars

Fig. 8b : les planètes gazeuses.

Jupiter, Saturne, Uranus Neptune,

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Tableau 1 : les planètes du système solaire et leurs satellites VÉNUS MERCURE TERRE MARS JUPITER SATURNE URANUS NEPTUNE PLUTON Lune Phobos Métis Atlas Miranda Néréide Charon Deimos Adraste Janus Ariel Amalthée Prométhée Umbriel Thébé Epiméthée Titania Io Mimas Obéron Europe Pandore . Ganymède Encelade Callisto Thétis Léda Télesto Himalia Calypso Lysithée Dioné Elara Rhéa Ananké Titan Carmé Hypérion Pasiphae Iapetus Sinope Phoebé

Tableau 2 : planétologie comparée : rayons et masses volumiques du Soleil, des planètes et de leurs satellites Corps Rayon Masse Corps Rayon Masse Volumique Volumique

Soleil 695000 1.41 Mercure 2440 5.42 Saturne 60268 0.69 Venus 6052 5.25 Pandore 45 0.7 Terre 6378 5.52 Prométhée 50 0.7 Lune 1737 3.34 Epiméthée 55 0.7 Mars 3397 3.94 Janus 90 0.67 Phobos 10 2 Phoebé 110 0.7 Deimos 6 1.7 Hypérion 150 1.4 Jupiter 71492 1.33 Mimas 196 1.17 Léda 8 2.7 Encelade 250 1.24 Adraste 10 4.5 Thétis 530 1.21 Ananké 15 2.7 Dioné 560 1.43 Sinope 18 3.1 Iapetus 730 1.21 Lysithée 18 3.1 Rhéa 765 1.33 Métis 20 2.8 Titan 2575 1.88 Carmé 20 2.8 Uranus 25559 1.29 Pasiphae 25 2.9 Miranda 236 1.15 Elara 38 3.3 Ariel 579 1.56 Thébé 50 1.5 Umbriel 585 1.52 Amalthée 90 1.8 Obéron 761 1.64 Himalia 93 2.8 Titania 789 1.7 Europe 1569 3.01 Neptune 24764 1.64 Io 1815 3.55 Triton 1350 2.07 Callisto 2403 1.86 Pluton 1137 2.05 Ganymède 2631 1.94 Charon 586 1.83

Fig. 9 : distribution des poids volumiques dans le système solaire. Elle se découpe en trois séquences : la première, à droite, débute avec Léda à la "densité" 2.7 et se termine avec la Terre (r=5.52) ; la deuxième est celle des "densités" moyennes, elle est centrée autour de celle du Soleil ( r=1.41) et s’étale continûment entre Miranda (r=1.15)et Triton(r=2.07) ; la troisième, de "densité" minimale (r=0.7) est celle de Saturne et de certains de ses satellites.

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Tableau 3 : planétologie comparée Planète Mercure Vénus Terre Lune Mars Jupiter Saturne Uranus Neptune Pluton Distance au soleil (u.a.) 0.387 0.723 1.000 1.523 5.202 9.538 19. l8l 30.057 Période de révolution 87.969 224.701 365.256 27.321 686.980 4332.589 10759.22 30685.4 60189.0 90465.0 (jours) Temps de rotation 58.65j -243.01 23.934 h id. 24.622h 9.841 h 10.233 h l7.2 h l7.8h L6.38 h Obliquité de l’axe de 0° - 2° 23.44° L 6.41 ° 23.98° 3.08° 29° 97.92° 28.80° ? rotation Inclinaison sur 7.00 3.39 - 1.32 1.85 1.3 2.49 0.77 1.77 17.2 l’écliptique Excentricité de l’orbite 0.205 0.006 0.016 0.055 0.093 0.048 0.055 0.047 0.008 J 0.250 Rayon équatorial (km) 2439 6052 6378 1738 3397 71998 60000 26145 24300 l20O? Rayon polaire 2439 6052 6356.5 1738 3380 66770. 54000 ? 23650 ? Aplatissement O O r 0.003 0 0.005 0.062 0.105 ? 0.02 ? Masse (unité de masse 0.055 0.815 1.000 0.12 0.107 317.893 95.147 14.54 17.23 0.002 ? :Terre) Densité moyenne 5.42 5.25 5.52 3.34 3.94 1.314 0.69 1.19 1.71 r 0.6-l.7? Pesanteur à l’équateur 3.78 8.60 9.78 1.63 3.72 22.88 9.05 7.77 11.00 r 4.3? Vitesse de libération 4.3 10.3 1.2 2.37 5.0 59.5 36.6 21.22 23.6 5.3 ? (km/s) Nombre de satellites O O 1 - 2 17 15 8 connus 1/100 du 3.3.10 -5T 2/100 du 4. l0-4 T Faible Et Champ magnétique champ non à champ à oui oui oui? ? fossile terrestre 7.10 -5 T terrestre 15.10 -4 T +430°C- +50°C +120°C 0°C Température au sol 460°C -145°C -133°C -223°C -193°C ? 170°C -90°C - 180 °C -70°C Albédo 0.055 0.7 039 0. 1 2 0. 1 54 0.45 0.45 0.46 0.53 0.6 CO 96:5% N2 78% CO 95% He 17% Oui mal Atmosphère non 2 non 2 93% H2 H2 oui N2 3.5% O2 21% N2 5 % H2 82% connue Pression au sol - 95 bars 1 bar - qqs mbar ? ? ? ? ? Rayonne Rayonne Pas Présence Révolution .Présence de 2.5 fois + 1.8 fois + La plus Peut-être Particularités d’évolution Présence d’anneaux Rétrograde vie Un gros Satellite d’énergie d’énergie dense des un ancien géologiques depuis 3.5. de glace Révolutio Atmosphère satellite : la de la Terre qu’il n’en qu’il n’en géantes satellite de remarquables l0 9 années au d’eau n dense Lune reçoit reçoit Anneaux Neptune? moins rétrograde Anneaux Anneaux Principaux atomes Si O Al Mg Si O Al Présence d’un petit noyau de silicates et de glaces reconnus (à la surface Si Al Mg Fe Si Al O Ca Si O Fe Ti Mn Fe K Ca Mg Fe S entouré d’hydrogène et d’hélium sous forte ? pour les planètes O Mg Fe Ti Mg Ca pression et sans doute à l’état métallique telluriques) Sites WEB consultés http://msowww.anu.edu.au/library/thesaurus/french/ http://www.iap.fr/saf/ http://solarsystem.nasa.gov/index.cfm http://www.astrosurf.com/luxorion/ http://www.earthsky.com/ http://www.nasa.gov http://www.damtp.cam.ac.uk/user/gr/public/index.html http://nineplanets.org/ http://www.geologylink.comhttp://web.cortial.net/bibliohtml/epiclc_j.html http://system.solaire.free.fr/sommaire.htm http://www.planetary.org/ http://pubweb.parc.xerox.com/map http://www.globe.gov http://visibleearth.nasa.gov/Atmosphere/ http://web.ngdc.noaa.gov/mgg/image/images.html http://www.solarviews.com/eng/homepage.htm http://solarsystem.nasa.gov/index.cfm

Quelques idées fortes : Le mouvement relatif des planètes par rapport aux étoiles est connu depuis au moins à 4000 ans (tablettes d’argile). La notion d’une Terre ronde apparaît chez les Grecs, il y a environ 2500 ans : D’abord par souci « esthétique », et par l’observation des éclipses de Lune ensuite Il y a 2300 ans, Eratosthène prouvait que la terre est ronde Aristarque affirmait que la Terre est ronde et qu’elle tourne autour du Soleil Entre le ∼II° et le XVI° siècle, le géocentrisme : Hipparque Au ∼II°, puis Ptolémée au II° siècle, et tous les savants du moyen âge affirment le géocentrisme Copernic, De revolutionibus au XVI° et Galilée au XVII° siècle remet le Soleil au foyer, et notre Terre à sa place Newton ( Philosophiae naturalis principia mathematica ) pose en 1786 les bases de la planétologie moderne La Terre n’est donc décidément pas ronde Le rayon polaire = 6356 Km ; rayon équatorial = 6378 Km 22 Km de différence Les planètes internes Mercure Venus Terre Mars sont rocheuses Les planètes externes Jupiter, Saturne, Uranus Neptune, sont gazeuses Pluton,constituée de glace et de roche (comme les comètes) est considérée comme un objet Transneptunien - 10 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

CHAPITRE 1

Evacuer la Chaleur de la Planète Francis Picabia, 1915 « Très rare tableau sur la Terre » http://www.dadart.com/dadaisme/dada/011- dada -francis -picabia.html œuvre. Dans une sphère en rotation, lors d’une convection La Terre est une machine thermique « deux en un » : méridienne, le fluide subit une déviation (gauche ou droite selon l’hémisphère) qui transforme sa trajectoire en une 1 - Depuis la naissance de la Terre jusqu’à sa mort, la hélice. Dans les 2 milieux à grande fluidité que sont d’une machine thermique endogène n’aura cessé de part l’atmosphère-hydrosphère et d’autre part le noyau, le transporter une chaleur interne aux origines diverses: rôle de la force de Coriolis est très important. Il est • chaleur « initiale » récupérée de l’énergie cinétique négligeable dans le manteau car, même si les masses des poussières, cailloux et planètésimaux et autres transportées sont considérables, les vitesses de déplacement lunes lors de sa naissance par accrétion, lire MC - du matériau rocheux (solide) n’y dépassent certainement pas Planeto - Chaleur initiale - Letellier.htm ; quelques cm/an à quelques dm/an au maximum. • chaleur latente de cristallisation de son noyau, encore à l’œuvre pour longtemps ; • chaleur provenant de la désintégration des éléments A - La conduction radioactifs contenus dans le manteau et la croûte, lire MC - Energie interne - Radioactivite - Letellier.htm ; Elle représente d'une part le transport de chaleur par rayonnement (mais celui-ci doit être très faible compte tenu 2 - Depuis l’allumage du Soleil, la machine thermique de l'opacité du milieu terrestre) et d'autre part la partie exogène transporte la chaleur externe provenant du rayonnement solaire dans l’atmosphère, l’hydrosphère évacuée par vibration de l'architecture cristalline, qui se et la partie superficielle de la croûte terrestre. traduit par le terme de conduction pure. Les ordres de grandeurs des puissances de ces deux La 1° loi de Fourier , J =-k grad T , machines sont très différents et leur mesure prend notre exprime le flux de chaleur par unité de surface et par imaginaire complètement en défaut, habitués que nous unité de temps. Le flux est proportionnel au gradient de T° sommes à lézarder sous le soleil d’été et à être effrayés par (= dT/dx selon la direction x). Le coefficient de les violentes colères ponctuelles de Gaïa, la Terre mère. En proportionnalité k est appelé conductivité thermique . effet, l’énergie solaire reçue par la Terre est estimée à 342 A travers la 2° loi de Fourier , loi de conservation de W. m -2, alors que le flux de chaleur interne traversant la la chaleur, k.∆T + Q = ρCp∂T/ ∂t où ρ est le poids surface du sol est estimé quant à lui à 0,08 W.m -2, soit volumique (kg.m -3) et C la chaleur spécifique à pression environ 0,02% seulement de la puissance reçue du Soleil ! p constante (J.kg -1.K -1) s’exprime comme la somme de la Dès le XIX°, Hopkins avait noté que l'état physique quantité de chaleur qui traverse une unité de volume du globe, liquide, solide ou mixte, résulte de la compétition (= k.Laplacien de T°) plus la quantité de chaleur produite à entre les 2 modes d'évacuation de la chaleur, la conduction l'intérieur de ce volume Q, et la convection, eux-mêmes fonction de la viscosité du on écrit que selon x : fluide. La conduction est insuffisante dans les deux 2 2 k∂ T/ ∂x + Q = ρCp∂T/ ∂t machines terrestres, tant pour évacuer la chaleur interne à On suppose ici que k est indépendant de la T°, est travers les enveloppes rocheuses, que pour transférer la la densité. On accède ainsi à la variation de T° avec le chaleur solaire de l’équateur vers les pôles à travers temps, selon x, l'atmosphère et l’hydrosphère ou la croûte. Par conséquent, ∂T/ ∂t = K ∂2T/ ∂x2 + Q avec la Terre utilise aussi la convection, à travers trois «fluides ρ caloriporteurs»: K=k/ Cp, diffusivité thermique . 1 - le Fer liquide dans le noyau; le magnétisme terrestre Le rayonnement correspond au transfert de chaleur est la preuve directe et mesurable en surface de cette entre deux corps séparés par un milieu transparent aux ondes convection profonde ; électromagnétiques. On définit un corps de référence appelé 2 - les solides silicatés du manteau; le déplacement des « corps noir » dont on peut définir la propriété d'émittance plaques lithosphériques témoignent de M, comme la puissance émise à travers une cette convection solide ; unité de surface sur l’ensemble des 3 - les liquides et gaz (éléments volatils) longueurs d’ondes (0< λ< ∞). On démontre de l’hydrosphère-atmosphère. que ce flux d’énergie est de la forme dΩ M=σT4 où σ En outre, chaque fois qu’il sera fait est la constante de Stefan, et T la appel à la convection, nous devrons nous θ température. souvenir que la Terre est en rotation, et dS donc que la force de Coriolis est mise en ϕ Rappel : si l’on considère une source

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émettant sur un ensemble de λ, Le flux énergétique goutte sera plus froide que son environnement, donc plus polychromatique (puissance) élémentaire dΦ à travers la dense. Elle redescendra et la convection avorte. Inversement surface dS sous l’angle solide dΩ (stérad) est tel que : si le gradient de T° est super adiabatique , grad T

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dε/dt = cte, il faut appliquer une contrainte de Wegener , a permis d'avoir un regard à l'échelle de la planète cisaillement σ. La viscosité, η, est de la forme de σ/ε. sur les phénomènes géologiques. Lire cours_derive-des- continents_2007.pps , nous n’aborderons pas la tectonique des 2 - Un solide supporte la déformation de manière élastique plaques dans ce poly, voir MC - Tectonique - Plaques - Martin- en dessous d'une certaine valeur, et une déformation Mayembo.htm et poly La Dérive des Continents . Il est maintenant irréversible au-delà. Une contrainte quelconque, admis que le mouvement perceptible en surface des plaques appliquée longtemps, provoque une déformation qui lithosphériques rigides de la croûte terrestre n'est que le croît avec le temps. Le solide s'écoule comme un η reflet de mouvements convectifs intéressant tout le liquide, on dit qu’il flue, et sa viscosité est encore manteau . Celui-ci est un solide à l'échelle de temps des σ ε ε définie par le rapport / , où est la vitesse de fluage. phénomènes acoustiques qui nous permettent de l'ausculter Le modèle du corps de Maxwell (Fig.2) rend compte (cf. Chp. 3.B), mais un fluide à l'échelle des temps de ce comportement, en écrivant que la déformation géologiques. Si l'observation directe des parties profondes totale est égale à la déformation élastique ( σ/µ) plus la de cette circulation nous est hélas impossible, il nous reste déformation visqueuse: bien sur Jules Verne, mais surtout les modèles dérivés des ε = ( σ/µ) + σ/ηdt études de séismologie (cf. Chp. 3B et 4.C). Le temps de relaxation d'un tel corps est égal à τ σ η Nous avons exprimé plus avant que la convection ,= / dans le manteau est contrôlée par le nombre de Rayleigh, Fig. 2 : viscoélasticité : corps de Maxwell. qui décrit la vigueur de la convection. Dans les modèles terrestres, si l’on peut considérer que le plancher océanique constitue la surface supérieure des cellules convectives du manteau terrestre (cf. Chp. 4.E.2 lithosphère océanique), il n’en est pas de même des continents. En effet, la lithosphère µ η continentale échappe presque complètement au recyclage convectif (Chp. 4.E.1 lithosphère continentale). Elle est certes mobile à la surface de la Terre, mais elle reste à la Pour une contrainte appliquée pendant un temps surface. En outre, elle est quasi exclusivement solide, et ne inférieur au temps de relaxation, le corps a une réponse peut donc transférer la chaleur apportée à sa surface élastique, alors que pour une contrainte appliquée pendant inférieure par la convection mantellique que par conduction. un temps très supérieur, la réponse sera un écoulement Bien identifiée par la sismique, les anglo-saxon donne à visqueux. Pour le manteau terrestre, on sait que : cette « seismic-lithosphere » le nom de LID (=couvercle). 1 - la viscosité η est estimée de l'ordre de 10 22 poises (ou Elle agit comme un bouclier thermique, dont l´effet plus ou Pascal.seconde); moins isolant est introduit dans les modèles de convection mantellique ( e.g. S. Labrosse, C. Jaupart et C. Grigné ) par 2 - le module élastique de cisaillement µ est estimé de un second nombre sans dimension, le nombre de Biot. Le l'ordre de 70 GPa. nombre de Biot s´écrit : B=(k c dm)/(k m dc), où k c et k m sont D'où l'on tire un temps de relaxation, qui pour le les conductivités thermiques respectivement du continent et manteau terrestre est de 450 ans , valeur tout à fait du manteau, et d c et d m sont leurs épaisseurs. Utilisé dans les compatible avec la convection à l'échelle des temps calculs de transfert thermique en phase transitoire, il géologiques. On estime à cet égard qu'une cellule convective compare la résistance au transfert thermique à l'intérieur du est parcourue en 10 6 années. La valeur du nombre de volume d’un corps (ici le continent) à celle de la surface du Rayleigh obtenue pour la Terre est de l'ordre de 108. Elle est corps considéré (ici l’interface entre le continent et le donc très supérieure à la valeur critique. manteau situé au-dessous). Pour une sphère en rotation rapide comme la Terre, On peut montrer que le flux de chaleur sortant du et un fluide à faible viscosité comme le fer liquide du noyau, manteau sous le continent est proportionnel à B.T i, où T i est la force de Coriolis devient significative. Busse a montré la température à l´interface entre les deux milieux. Un que la circulation convective prend alors la forme de nombre de Biot élevé, correspondant à une épaisseur du colonnes étroites parallèles à l’axe de rotation de la sphère. continent d c faible ou à une conductivité thermique kc La formulation de la théorie des plaques, en élevée, implique un effet isolant très faible de la part du combinant la géophysique et la dérive des continents de continent. A l´inverse, un nombre de Biot faible correspond Fig. 3a : convection, passage de la convection en rouleaux à la convection en panaches avec le nombre de Rayleigh.

1) R = 10 5 2) R= 10 6 3) R= 10 7 (C. Grigné)Le nombre de Biot dans ces modèles est B=10 ; flux de chaleur à la surface du manteau (en haut) ; gamme des températures (en bas).

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à une forte épaisseur du continent ou à une conductivité continent influe directement sur la taille des cellules faible, et donc, à un fort effet isolant : convectives, on observe en outre une évolution très nette de la largeur des cellules convectives avec le 1 - Pour un continent immobile , la convection d'un fluide déplacement du continent. Initialement larges tant que sous un couvercle conductif se traduit toujours par le le continent reste immobile, elles sont rapidement développement d´une zone de remontée chaude remplacées par un système de cellules de longueur centrée sous le couvercle-continent, quel que soit son nombre de Biot. En outre la largeur des cellules de d’onde bien plus petite dès lors que le continent est convection augmente par rapport à celles du modèle de mobile. L’effet cumulatif de bouclier (qui se traduit par l’allongement des cellules) disparaît avec la convection semblable sans couvercle, et leur nombre mobilité de ce dernier. décroît (2 au lieu de 4). En fonction de la vigueur de la convection, les modèles suggèrent que l’on passe La géologie nous enseigne par exemple que le rift d’une convection en rouleaux correspondant à un océanique (qui correspond à un ascendant mantellique) peut écoulement lent et laminaire (Fig. 3a1, Nombre de se poursuivre à travers le continent, et qu’il peut entraîner sa Rayleigh faible 10 5) à un modèle de gouttes séparées rupture (e.g. la ride Indienne qui se poursuit en Mer Rouge de fluide chaud (panaches) plus rapides que leur et dans le rift Est-Africain). Le bouclier continental afro- environnement, qui traduisent la turbulence du milieu arabique apparaît ici passif, fragilisé et dilacéré par la (fig. 3a2-3a3, Nombre de Rayleigh moyen et fort, convection mantellique. Quelle est l’influence réelle de la respectivement 10 6 et 10 7). L´écoulement peut surchauffe continentale sur la position des ascendants atteindre un état stationnaire dans le mode lent, mais mantelliques ? La position des continents détermine-elle pas dans le mode rapide. Le second enseignement de celle des panaches ascendants ? Si la convection engendre ces modèles de circulation mantellique est que la en surface la dispersion des continents elle provoque aussi largeur des cellules convectives est corrélée d’une part leur rassemblement en un seul supercontinent, sur un rythme au nombre de Rayleigh (fig. 3a) et d’autre part à la qui pourrait être de l’ordre de 400 Ma (la Pangée, dernière taille du couvercle (fig. 3b). occurrence de ce phénomène date du Permien, 250 à 280 Ma). Un tel couvercle conductif amène ainsi probablement 2 - Pour un continent mobile , au stade initial, le une modification très importante de la géométrie de cellules continent est immobile. Dans un premier temps la de convection, nous y reviendrons au chapitre 4. Nombre de divergence installée sous le continent par les ascendants mantelliques provoque la dérive du géologues discutent encore le mouvement relatif des plaques continent jusqu’au droit d’un descendant mantellique, et suggèrent qu’il résulte de la traction par les plaques subductées. La question a-t-elle un sens ? Nous verrons aux point de convergence des cellules convectives. L’effet chapitres 3 et 4 que la distinction d’un manteau inférieur et de bouclier thermique du continent devenu stable se d’un manteau supérieur vient compliquer encore la traduit alors par une modification complète de la circulation dans le manteau, et que les interactions entre le distribution des cellules, jusqu’à apparition d’une nouvelle divergence sous le continent. Si la taille du manteau et le noyau sont aussi un facteur à prendre en compte. Fig. 3b : modèles de convection mantellique ( C. Grigné) . présence d’un continent mobile et influence de la largeur du couvercle ; Nombre de Biot B=10 ; Nombre de Rayleigh R = 10 7 C - L’advection

La convection est le mode premier du transfert de chaleur dans le manteau, ce qui n’interdit pas bien entendu qu’une partie de la chaleur du manteau est aussi transmise vers l’extérieur par conduction. Nous venons de voir que la lithosphère, partie rigide de la Terre (et en particulier la lithosphère continentale), ne permet pas la convection, et donc que le transfert la chaleur s’y effectue par conduction.

Mais dans la lithosphère, le volcanisme en provenance du manteau transporte lui aussi de la chaleur vers la surface, sous forme de matériau chaud qui reste a) couvercle de petite taille stocké dans la lithosphère. Le volcanisme représente ainsi une perte de chaleur qui ne s’effectue ni par conduction ni par convection, mais par advection.

D - Les bilans énergétiques internes

La Température mesurée dans les mines, croît si vite avec la profondeur, en moyenne 30°C.Km -1 dans les continents, que l'on a admis longtemps que sous l'écorce solide, la Terre devait être encore liquide. En fait, si le gradient (ou géotherme) mesuré en surface était linéaire, la température serait si forte au centre (environ 200 000°) que b) couvercle de grande taille la Terre devrait être volatilisée! voir animations de C Crigné sur http://www.emse.fr/~bouchardon/ - 14 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 4a : les éléments radioactifs et radiogéniques dans le tableau périodique. 1 - Les sources de chaleur de la Terre Lire MC - Energie interne - Chaleur initiale - Letellier.htm ; MC - Planeto - Energie interne - Autixier.htm Avant la découverte de la radioactivité ( Becquerel 1896 ), on était obligé d'admettre que la chaleur dissipée de nos jours était due exclusivement à l'énergie cinétique primitive emmagasinée sous forme de chaleur lors de la formation de la Terre. Cette chaleur primitive d'origine gravitationnelle a été récupérée lors des 500 premiers millions d’années de la vie de la Terre . En un premier temps, c’est la condensation du gaz et des poussières de la nébuleuse en petits corps qui transforme son énergie potentielle en chaleur. Progressivement, la période d’accrétion à froid (voir Chp.4D1a) cède place aux impacts entre corps de moins en moins petits, puis entre planètésimaux (lire MC - Planeto - Planetoides - Padet.htm ), qui très lithophiles, c'est-à-dire ayant une affinité chimique forte transforment de l’énergie gravitationnelle en chaleur. Enfin, pour les magmas granitiques et les minéraux des roches de dans une Terre que l’on s’accorde à penser être devenue la croûte terrestre, ils sont absents ou quasi-absents du entièrement liquide, la différenciation du noyau en fer et noyau, ils sont relativement abondants dans le manteau et ils nickel achève cette période de récupération de l’énergie sont très largement concentrés dans la croûte terrestre avec gravitationnelle en chaleur. La séparation de ces deux les autres éléments lithophiles. éléments, très abondants, a deux causes : i) ils sont les plus massiques des éléments abondants, oxygène, Quelques autres éléments pères silicium, aluminium et magnésium (voir Chp.2B1, Fig. sont le fruit d’interactions de 6a) ; ii) ils s’associent aisément en alliage et sont l’atmosphère avec les radiations volontiers constitutifs de minéraux sans oxygène (e.g. les cosmiques qui y parviennent ; ils sont sulfures). Ils ont un donc un comportement chimique dits cosmogéniques et se déstabilisent voisin, comparable aussi à celui du cuivre, on les dit eux aussi en éléments radiogéniques « chalcophiles ». Ils se séparent donc à cette époque fils. Ils sont bien sûr présents précoce et occupent le centre de la Terre, constituant ainsi essentiellement dans l’atmosphère et le noyau. Les autres constituants, aluminium, alcalins, sur la surface de la Terre, dans les sols alcalino-terreux et autres, combinés à l’oxygène et au par exemple. Ainsi, pour le béryllium 9 10 silicium, constituent la seconde enveloppe de cette Terre (Be), qui possède 10 isotopes dont le Be stable, le Be est initiale, le manteau. Les éléments volatiles, qui ne peuvent le produit d’une spallation N ou C dans la haute atmosphère. entrer qu’en petite quantité dans les structures minérales, se Il est « récolté » avec la pluie, et son comportement dans les rassemblent en une enveloppe extérieure, constituant une eaux est très contrasté en fonction du pH : il est très soluble atmosphère à cette Terre primitive. sous pH ≤5.5, et précipite au-delà. Aussi est-il volontiers bloqué dans les sols, pour lesquels le couple 10 Be → 10 B, de Si l’on imagine que la Terre fut essentiellement période 1.5 Ma devient un excellent traceur de leur liquide dans un premier temps mais qu’elle ne l’est plus de formation ou érosion, mais aussi de l’activité solaire, qui se nos jours, il faut ajouter à cette énergie initiale la chaleur traduira par le taux de spallation ; on peut aussi l’utiliser latente de cristallisation de la planète. En outre, le pour la datation des glaces. Mais le 10 Be peut aussi provenir changement de densité qui accompagne ce changement de la spallation des atomes de Si dans les grains de quartz de d’état implique la récupération simultanée d’un peu la surface du sol. Au sein de ces minéraux, il constitue aussi d’énergie gravitationnelle en chaleur. un traceur bien utile. Parmi les éléments cosmogéniques, Pour en terminer avec les sources de chaleur citons le 11 C dont la période très courte (11mn) en fait un primitive, il faut ajouter le rôle des éléments radioactifs à vie traceur à usage médical, le 36 Cl et le 41 Ca, et enfin l’ 26 Al. courte, 129 I et en particulier 26 Al, de période 740 000 ans Nous avions noté plus avant l’intérêt de ce dernier dans la (voir Chp.2D1). Leur contribution fut éphémère et peut être datation des chondrites. Il est aussi produit en continu par considérée comme négligeable au-delà de 10 périodes10 . spallation Ar dans la haute atmosphère et peut, comme le 10 Be, être incorporé dans les cycles de l’eau et dans les Lire MC - Energie interne - Radioactivite - Letellier.htm sédiments ou les sols. Pour l’essentiel, la radioactivité est due à quelques On estime à 4.2 10 13 W (environ 40 térawatts) le éléments pères, dits radioactifs, qui se déstabilisent flux de chaleur qui traverse actuellement l’interface spontanément en éléments fils radiogéniques (Fig. 4a). Tous lithosphère-atmosphère , soit 82 mW.m -2, une quantité 10000 fois moindre que celle fournit par le soleil (cf. Ch.5) Cette estimation est faite à partir de mesures de surface dont 10 Rappel : la période (demi-vie) d’un élément radiogénique λ la répartition n’est certes pas homogène, mais elle nous est proportionnelle à la constante de désintégration qui semble satisfaisante. A titre indicatif, soulignons que cette représente la probabilité de désintégration de cet élément par énergie interne que dissipe la Terre dans l'espace est environ λ; unité de tps, T=Ln2/ l’expression de la concentration C de 104 fois plus faible que celle qu'elle reçoit du Soleil ! Lire cet élément en fonction de sa concentration initiale C 0 et du Cours/2007-2008/Geol/Geoth/Cours_2007_2008_geotherme.ppt -λt temps t est de la forme C = C 0.e .

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Fig. 4b : Bilan énergétique interne. Les bilans d’énergie que l'on dresse de nos jours montrent (tableau 1 et Fig. 4b) que 50% au moins de l'énergie interne dissipée provient de la désintégration des éléments radioactifs à période longue ( 238 U, 235 U, 232 Th, 40 K en particulier). On connaît bien la quantité de chaleur produite par unité de masse de U, Th ou K, et l’on connaît très bien la composition de la croûte supérieure ; l’estimation de la production est donc aisée pour cette tranche superficielle. Par contre on connaît moins bien la croûte inférieure. De même, on connaît relativement bien le manteau supérieur, grâce en particulier aux ophiolites, véritables radeaux de lithosphère océanique déposés sur les continents, mais nos connaissances sur le manteau inférieur restent très limitées. Néanmoins, on peut proposer le schéma suivant : beaucoup évolué avec le temps (Fig. 4c), à la fois 1 - les chaînes de désintégration de l’Uranium 238 U ⇒ globalement on estime le dégagement de chaleur radioactive 206 Pb , de période λ=4.5 Ga., et 235 U ⇒ 207 Pb (λ=0.71 des premiers instants à 2.5 10-11 w.kg-1 contre 0.6 Ga.) produiraient 10 13 watts dans le manteau ; actuellement ; dans la figure, on note que les contributions relatives des différents éléments ont beaucoup évolué, d’une 2 - La chaîne 232 Th ⇒ 208 Pb (λ=14 Ga.), produirait aussi part en fonction de leur abondance initiale et d’autre part en 10 13 watts dans le manteau ; fonction de leur période ; ainsi, 235 U qui était initialement le 3 - La chaîne 40 K ⇒ 40 A, 40 Ca (λ=1.28 Ga.) serait 1° contributeur à la chaleur dégagée, est quasi épuisé responsable de 0.4 10 13 watts dans le manteau maintenant (1/64° de sa concentration initiale) et ne représente plus rien en terme de chaleur actuellement. Ces sources U, Th, K dégageraient 0.8 10 13 watts dans la croûte. Bien que celle-ci représente un petit volume Le total représente 3.2 10 13 watts. Il reste donc 10 13 par rapport à celui du manteau, elle apporte une contribution watts qui représentent la part de la chaleur initiale, soit comparable à celle du manteau supérieur, car les éléments environ 24% radioactifs à vie longue y ont été concentrés principalement Le comportement du potassium lors de la par différenciation à partir du manteau supérieur, qui différenciation initiale de la Terre (Cf. § météorites représente les 670 premiers Km du manteau terrestre. différenciation) n'est pas encore clairement compris. Si l'on La contribution des principaux éléments radioactifs a admet qu'une partie du 40 K a été entraînée dans le noyau liquide lors de cet épisode, celui-ci possède sa propre Tableau 1 : bilans énergétiques internes centrale. Dans le cas contraire, l’énergie radioactive du quantité lieu de noyau est nulle et il doit compter sur la chaleur sensible qu'il Nature d’énergie détient encore  chaleur initiale plus chaleur accumulée par dissipation 12 10 W les éléments radioactifs à vie courte ( 129 I ou 26 Al par croûte exemple) disparus depuis longtemps  et sur la chaleur continentale latente de cristallisation pour fonctionner (cf. § noyau). croûte 4.2 - 5.6 océanique 0.06 Si l’on considère les contributions respectives de la radioactivité manteau 1.3 Fig. 4c : évolution de la chaleur dégagée par la radioactivité supérieur 3.8 - 11.6 à vie longue depuis la création de la Terre. manteau 0 - 1.2 inférieur noyau manteau 7 - 14 chaleur initiale noyau 4 – 8 chaleur de différentiation

chaleur latente de noyau liquide 1 - 2.8 cristallisation 1 énergie gravitaire mouvements différentiels manteau 0 – 7 processus tectoniques lithosphère 0.3 séismes lithosphère 0.03 météorites ? total 42 - 16 -

ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 croûte et du manteau, on remarque que le gradient Fig. 5b : fig. 50 du poly « la dérive des continents » ; géothermique doit nécessairement diminuer avec la Valeurs du flux de chaleur en fonction de la distance à profondeur, au moins dans le manteau supérieur. l'axe de la dorsale pour divers taux d'expansion selon le L'augmentation de T° n'est donc pas linéaire et l 'intérieur modèle de Bottinga. D'après Borringa, 1974. de la Terre n'est pas nécessairement liquide, au contraire ! Les sondages les plus profonds ne dépassent guère la dizaine de Km, 12 Km environ dans le forage scientifique de la presqu'île de Kola en Russie, et les difficultés techniques rencontrées sont déjà énormes (temps de montée des trains de tiges, T° proche de la T° de fusion du matériel, circulation du fluide de refroidissement - lubrification...). Il ne paraît pas possible de dépasser beaucoup cette profondeur dans un futur proche. Les approches indirectes de la géophysique  la gravimétrie , le géomagnétisme et tout particulièrement la sismique  constituent nos seules fenêtres pour observer l'intérieur de la Terre, nous y reviendrons au chapitre 3. Nous disposons toutefois en surface de deux échantillonnages distincts : On notera qu’au voisinage immédiat de la ride (d = 0) et 1 - les basaltes qui proviennent du manteau remontent sur une distance d’autant plus faible que la ride est lente, le des fragments intacts de la partie supérieure du flux de chaleur chute brutalement au lieu d’être maximum. manteau très significatifs des 200 premiers Km de profondeur, que nous évoquerons au chapitre 4. L’intense fracturation ouverte (distension) de la ride permet la circulation d’une énorme quantité d’eau qui 2 - les météorites, tombées du ciel, et qui nous procurent transfère la chaleur vers l’océan par advection (cf. fumeurs des éléments de comparaison avec le reste du système noirs Chp 4). solaire ; Elles font l’objet du chapitre 2 Dans les bassins océaniques d'âge supérieur à 80 Ma., le flux mesuré ne varie pas considérablement et la 2 - L’état thermique de la Terre lithosphère est proche de l’état d'équilibre thermique. La Les rides océaniques constituent les frontières des croûte océanique étant mince (Chp. 4.E.2.a) et de nature plaques divergentes. Leur manteau chaud monte jusqu'à la basaltique donc pauvre en éléments radioactifs (par rapport surface puis se refroidit en s'éloignant de la dorsale. Le à la croûte continentale granitique), on peut admettre que flux de chaleur mesuré près des dorsales océaniques est loin de la ride, la valeur du flux de surface est voisine de très élevé (110mWm -2). Le manteau étant quasi affleurant celle du flux en provenance du manteau hors des en cet endroit, ce flux est celui du manteau ascendant sous ascendants mantelliques, soit environ 50 mWm -2. Ainsi, les les dorsales. La carte mondiale du flux de chaleur de W.D. régions les plus anciennes de la lithosphère océanique Gosnold (Fig. 5a) montre qu’il décroît systématiquement (Chp. 4.E.2a), côtes Est-Américaines et Ouest-Africaines en s’éloignant de la ride vers les fosses océaniques, de l’océan Atlantique-Nord, plancher du vieil océan avorté 48 Wm -2 (Poly « LDC, La dérive des continents »). entre Afrique et Madagascar, plancher Pacifique du Sud- L'évolution thermique de la lithosphère océanique peut Est du Japon à l’est des Philippines, sont parmi les plus ainsi être modélisée par le refroidissement d'une plaque froides. d'épaisseur constante. Le calcul permet d'établir comment Dans les continents, la figure 5a montre que le flux varie le flux de chaleur en fonction de l'âge (Fig. 5b et poly de chaleur est globalement faible par rapport aux rides. LDC), en fonction de la vitesse d’expansion de la plaque. Mais il est fort par rapport à celui du plancher océanique Fig. 5a : carte du flux de chaleur géosphérique actuel. qui les borde. La croûte est beaucoup plus épaisse et très hétérogène (Chp. 4.E.1), et elle contient des quantités importantes mais variables d'éléments radioactifs (U, Th et K). Nous ne sommes donc pas en mesure de construire un modèle simple et fiable du flux de chaleur continental actuellement. Il faut mesurer 11 ce flux en effectuant le plus

11 La température est mesurée en fonction de la profondeur dans un forage avec une précision de 0.005 K. La conductivité thermique est mesurée pour les roches du forage en laboratoire. Le gradient thermique est mesuré sur une épaisseur finie dans un milieu souvent hétérogène. Le profil thermique peut subir plusieurs types de perturbations qui sont quantifiés (topographie, circulation d'eau, variations de composition...). Enfin les variations du climat ont engendré des changements de température à la surface de la http://www.geo.lsa.umich.edu/IHFC/heatflow.html Terre. Ces perturbations peuvent être détectées et éliminées - 17 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 6a : modèle de composition minérale du manteau, et courbe température profondeur ? accessoirement du noyau. Nous disposons pour l’établir de quelques contraintes fortes : 1- les kimberlites, témoins volcaniques directs les plus profonds de l’état du manteau nous indiquent comme raisonnable une température de 1000°C (#1300 K) à 70 km de profondeur 2- La sismique nous informe de l’état solide du manteau (Ch.p3). La valeur de la pression en fonction de la profondeur est elle aussi très bien modélisée (modèle PREM Chp.3.B.4), et l’on considère que les sauts de densité indiqués par la sismique correspondent à des changements de phases en réponse à l’augmentation de la pression. Sachant que l’olivine (MgSiO 4) est le constituant majeur du manteau supérieur, on s’intéresse grand nombre possible de mesures dans des provinces d’abord aux transformations qu’elle peut subir. On a géologiques différentes. C. Jaupart et J. C. Mareschal ainsi : • (1999) puis J. C. Mareschal, A. Poirier et al . 2000) ont Dans la zone de transition, au sein du manteau montré à propos du bouclier canadien, qui est constitué de supérieur, la transformation progressive de la grandes provinces géologiques d'âges très différents Mg-olivine β orthorhombique Ï Spinelle cubique. (Chp. 4.E.1.a, Fig. 26a), qu'il n'y a pas de tendance à la Elle débute vers 400 km de profondeur, soit une décroissance du flux avec l'âge géologique. Le flux de pression de 18 GPa ; la température expérimentale chaleur ne décroît pas non plus d'une manière systématique de cette transformation est d’environ 1500 K ; vers le bord du continent Nord-Américain. Mais le flux l’olivine étant une solution solide de silicate de varie de manière significative entre les différentes magnésium et de fer, pour être dans la gamme des ceintures d'une même province, et ces variations ne concentrations du manteau on prendra une peuvent être dues qu'à des différences de composition de la Mg 0.9 -Fe 0.1 -olivine β, pour laquelle la température croûte. Les données de flux de chaleur du bouclier du changement de phase est de 1400 K. La figure canadien montrent ainsi la difficulté de définir une colonne 6a montre que la première structure obtenue crustale typique ou moyenne pour les études thermiques. s’appelle wadsleyite , monoclinique dont la structure est plus compacte que l’olivine puis elle Par contre, il faut noter que le flux de chaleur varie se transforme à peine 50 à 100 km plus bas en rapidement en bordure des continents : les mesures de flux ringwoodite, cubique à structure spinelle. En de chaleur dans la mer du Labrador indiquent des valeurs -2 -2 parallèle, le clinopyroxène de la péridotite variant de 48 et 59 mWm à plus de 75 mWm . Ces mantellique disparaît au profit du grenat, plus valeurs montrent une transition abrupte du flux de chaleur compact. du manteau (quelques x100 km) qui confirme la différence de nature et l’épaisseur des deux types de croûte. Si la valeur du flux de chaleur en provenance du manteau est Fig. 6b : modèle de pression et de nature du manteau, du noyau une donnée fondamentale pour la structure thermique et de la graine (La recherche). crustale, elle permet aussi de contraindre les valeurs de l'épaisseur de la lithosphère continentale. Le flux du manteau étant limité à une gamme très restreinte, l'épaisseur de la lithosphère est elle aussi limitée (voir Chp. 4B4 la différence fondamentale qui existe entre lithosphère et croûte). La lithosphère ne peut pas être plus mince que 200 km environ et plus épaisse que 350 km. D’après les auteurs, la lithosphère dans l'est du bouclier canadien a une épaisseur variant entre 200 et 250 km.

3 - L’allure du géotherme terrestre Lire MC - Planeto - Energie interne - Geotherme - Mayembo.htm . voir cours_2012_2013_geotherme.ppsx . Nous avons noté que le géotherme terrestre ne pouvait être linéaire et que nécessairement la production de chaleur devait décroître rapidement au-delà de la croûte. Quelles sont donc les ordres de grandeur et l’allure générale de la

par des mesures dans plusieurs forages profonds. En pratique, le gradient géothermique est mesuré dans des forages dont la profondeur est supérieure à 250 mètres. http://www.ipgp.jussieu.fr/pages/060204.php - 18 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

• Le second changement de phase possible est convection (producteurs du champ magnétique Ringwoodite Ï pérovskite + magnésio-wüstite ; terrestre) ; il est donc raisonnable de considérer que l’olivine cubique très comprimée subit vers 25 le gradient de température au sein du noyau liquide GPa, environ 670 km, une réorganisation des comme adiabatique ; l’application d’un tel gradient tétraèdres de SiO 4 en octaèdres SiO 6 qui libère et à partir de d’un interface noyau-graine à 5000 K des atomes de Mg et Fe qui composent l’oxyde conduit à une température du sommet du noyau, magnésio-wüstite (Mg,Fe)O. La température sous le manteau, à 2900km, de l’ordre de 3800 K d’équilibre de cette transformation à la pression de Nous pouvons donc admettre cette valeur pour le 25-30 GPa est de l’ordre de 1600-1700K ; sommet du noyau. Rappelons celle du sommet du manteau Outre la température et la pression à la surface de la inférieur, 1600 K, la différence est de 2200 K, à répartir Terre et des mesures directes que nous pouvons faire dans dans le manteau inférieur ? La tectonique des plaques et la les premiers kms, plus les valeurs tirées des volcans, nous tomographie sismique (chp.4) nous imposent de disposons donc de 2 point profonds pour construire le considérer que le manteau est un solide en convection. diagramme P,T du manteau supérieur (Fig. 6b). Comme pour le noyau, nous admettrons donc que le gradient de température y est adiabatique. Eu égard aux 1- On commence seulement à expérimenter des propriétés du manteau, la différence de température entre changements de phases chez les silicates du manteau bas et sommet du manteau inférieur est estimée à 700 K. inférieur, principalement de la pérovskite appelée On voit bien dans la figure 7 comment il est loisible de bridgmanite et de la magnésio-wüstite, à des pressions placer ces 700 K dans la fourchette précédente de 2200 K : supérieures à 200 Kbar ; On sait par la sismique que les propriétés du manteau inférieur évoluent continument, 1- Hypothèse 1, en bas sur la figure, la limite entre ne nécessitant donc pas d’autre réponse à Fig. 7 : 2 modèles de géotherme pour la Terre. l’augmentation de pression que la diminution de volume de la maille cristalline, réponse rendue possible par sa compressibilité. Par ailleurs, on sait extrapoler la courbe de fusion de la pérovskite vers les hautes pressions ; or la sismique nous informe (Chp.3) de l’état solide du manteau jusqu’à la limite noyau- manteau, laquelle correspond à une pression de 136 GPa. La température de fusion de la pérovskite, qui à cette pression est de 5000K environ, représente donc une limite supérieure non atteinte à cette profondeur de 2900 km (Fig.6b). L’incertitude devient grande… 2- Contrairement au manteau, solide, nous tirons de l’étude sismique et de l’étude du champ magnétique l’hypothèse cohérente que le noyau externe est liquide ; quant-à la graine elle est solide et que tous deux sont un alliage de Ni-Fe. Nous avons donc là 3 nouvelles contraintes : • La température du sommet du noyau liquide est supérieure à la température de fusion de l’alliage à 136 GPa., • A 5100 km de profondeur, la limite entre noyau liquide et graine solide issue de la cristallisation fractionnée du noyau (voir explication de la cristallisation fractionnée au chp4.E.3.a) correspond à la température de fusion de l’alliage. La pression à cette profondeur est de 320 GPa. La température de fusion des alliages Fe-Ni a été expérimentée à cette pression par onde de choc dans les mâchoires d’une enclume à diamants. Elle est de 6000K pour du fer pur, et de 5000K pour un alliage Fe-Ni tel qu’on le suppose dans le noyau actuel c'est-à-dire : i) correspondant aux abondances probable en ces 2 éléments ; ii) dopé à 10% en éléments légers. En effet, si un peu d’éléments légers sont logiquement présents dans le système noyau + graine, ils ne rentrent pas dans le solide ; donc, au fur et à mesure de la cristallisation de la graine, ils ont enrichi le liquide et il faut tenir Tireté vert , T° Mg-olivine b Ï Spinelle ; compte de la concentration vraisemblable du Tireté rouge , T° Mg-olivine b Ï pérovskite + magnesio- liquide après plusieurs G.ans de cristallisation wustite ; fractionnée. Tireté violet , T° limite du gradient adiabatique du noyau, • Le noyau liquide est parcouru de mouvements de partant de 5000 K comme T° de cristallisation de la graine ; tiretés bleus , un gradient mantellique de 700 K. - 19 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

manteau supérieur et manteau inférieur n’est qu’un conditionne une convection à 2 étages séparés, changement de phase qui s’opère durant la convection, manteau supérieur et manteau inférieur. La couche de celle-ci est à un seul étage, elle s’effectue alors entre transition (TZ) que représente cette séparation des deux les deux couches limites conductives, i) en bas manteaux est donc alors une couche limite (donc l’interface noyau-manteau (CMB, Core Mantle conductive et non convective) qui peut absorber une Boundary sur la figure), ii) en haut la lithosphère rigide partie des 2300 K qui ne sont plus supportés par la (CLT). Les 700 K du gradient adiabatique viennent seule CMB dans cette hypothèse 2. La température du donc s’ajouter au 1600 K du sommet du manteau sommet du manteau inférieur est alors imprécise, « en inférieur. La température au sommet de la CMB serait théorie » quelque part entre 1600 K et 3100 K. De donc de 2300 K, et cette couche frontière entre les même la température du sommet de la CMB se deux domaines convectifs absorbe une différence de situerait quelque part entre 2300K et 3800 K. 1500 K entre sa base et son sommet ! On le voit, la connaissance des températures internes 2- Hypothèse 2, la limite entre les deux manteaux reste un de la Terre peut encore progresser largement ! changement de phase, dont on admet cette fois qu’il

Sites WEB consultés

http://expositions.bnf.fr/ciel/index2.htm http://ecobio.univ-rennes1.fr/files/downloads/Formation_des_nouveaux_entrants_2007.pdf http://www.agu.org/reference/gephys/19_vschmus.pdf http://www.nature.com/nsu/030505/030505-5.html http://www.ens-lyon.fr/~oarboun/index.htm http://www.ipgp.jussieu.fr/~grigne/these.html#resultats_fixe http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/cortial/bibliohtml/epiclc_j.html http://www.iut-lannion.fr/LEMEN/Mpdoc/Cmther/thcinrt.htm http://www.ipgp.jussieu.fr/pages/060204.php http://www.gps.caltech.edu/~gurnis/Movies/movies-more.html http://giseurope.brgm.fr/ihfc.htm http://peterbird.name/publications/2003_PB2002/PB2002_wall_map.gif Clauser_Preprint_SurveysGeophysics_2009.pdf http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10712-009-9058-2 http://www.gps.caltech.edu/~gurnis/Movies/movies-more.html http://www.ipgp.fr/pages/060204.php http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0031920173900393 http://web.cortial.net/bibliohtml/epiclc_j.html http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10712-009-9058-2 Heat Transport Processes in the Earth’s Crust http://www.gps.caltech.edu/~gurnis/Movies/movies-more.html http://www.ipgp.fr/pages/060204.php http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0031920173900393 Thermal regime of the Earth's core

Quelques idées fortes

Quelques idées fortes : La Terre est une machine thermique « deux en un ».

La chaleur interne rayonnée par la Terre a une triple origine : Energie cinétique récupérée des matériaux qui constituent la Terre Energie de différentiation primaire du noyau et de sa cristallisation lente en graine solide Energie radioactive de 3 éléments abondants dans le manteau et la croûte terrestre, U, Th et K

Le flux de chaleur sortant de la géosphère reflète à la fois l’épaisseur et l’âge de la lithosphère Le manteau terrestre est un solide à l'échelle de temps des phénomènes acoustiques, Le manteau terrestre est un fluide à l'échelle des temps géologiques , Il permet de transporter la chaleur depuis l’intérieur de la Terre (source chaude) vers le cosmos (source froide) par convection et par conduction ; son nombre de Rayleigh, de l’ordre de 10 6 est très supérieur au nombre critique

La lithosphère, région superficielle de la Terre dont la rigidité interdit la convection en son sein, transporte la chaleur exclusivement conduction. La lithosphère océanique appartient aux cellules de convection du manteau La lithosphère continentale agit comme un couvercle et accumule de la chaleur du manteau à sa verticale

La chaleur externe, reçue du soleil est 10 000 fois plus grande que l’énergie interne rayonnée par la Terre L’atmosphère, l’hydrosphère et la partie superficielle de la géosphère transportent cette chaleur externe depuis l’équateur (source chaude) vers les pôles (source froide)

- 20 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 CHAPITRE 2 Les météorites

entre météores (étoiles filantes) et météorites. Ses affirmations furent confirmées par une succession d’événements ; en 1794, une pluie de pierres Yaari Toya, « Météore », 2007, http://www.yaarirom.com/ s’abattit sur Sienne (Italie) ; En 1795, une autre chute météoritique eut lieu ; en 1796 ce fut au Portugal et en 1798 Lire MC - Meteorites - impact cratere - Giavitto.htm ; MC - en Inde. L’analyse physico-chimique de cette récolte révéla Meteorites - impact sans cratere - Giavitto.htm ; Q - Planeto - Meteorites que ces pierres sont bien différentes des roches terrestres et echantillons du systeme solaire - Cisse.htm que certaines présentent d'importantes quantités de nickel. Impuissant et le plus souvent terrifié par ces chutes Le premier astéroïde fut découvert en 1801, confirmant de pierres noircies, l’homme vit d’abord en elles une l’origine extraterrestre de ces objets. En 1803, une pluie de intervention du divin (Fig. 1a). Ce n’est qu’à la fin du plusieurs milliers de fragments s'abattit sur la Normandie. XVIII° siècle (1793) qu' Ernst Friedrich Chladni , en L’enquête révéla que de toute évidence, ces pierres s’appuyant sur de nombreux rapports de témoignages, provenaient de l'espace. Il était définitivement ( ?) temps de échafauda la première théorie valide concernant ces objets renvoyer les « Esprits » à des occupations plus sérieuses… déroutants : ils proviennent de l'espace et il existe un lien La Terre reçoit en de l’ordre de 40000 Tonnes/an de matière extraterrestre, qui frappe la Terre au sommet de l'atmosphère. Il s’agit pour l’essentiel de micrométéorites de Fig. 1 a-c : chutes de météores. moins d'un millimètre de diamètre, dont le nombre est a) Illustration de la chute de la météorite d’Ensiseim évalué à 10 millions de milliards par an (MC - Meteorites - (Alsace) en 1492 Micrometeorites - Padet.htm ). Plus grosses, souvent en essaims que la Terre traverse à date fixe (Aquarides de mai, Perséïdes d'août, Géminides de décembre) elles se volatilisent le plus souvent en étoiles filantes dont le scintillement, au mieux de plusieurs secondes, est proportionnel à la masse. Quelques dizaines de tonnes/an seulement de météorites atteignent le sol. Les deux tiers plongent dans les océans, et les particules trop fines sont le plus souvent perdues. La population la plus importante est de l'ordre de quelques centaines de microns. Depuis le début des années 1980, on les ramasse sur les glaciers de b) Meteor Crater, Arizona, Diam. 1.2km, profondeur 200m l'Antarctique. 99% de ces micrométéorites appartiennent au groupe des météorites carbonées hydratées (comme celles de Murchison, Chp. 2.A.1.a). Notre protection atmosphérique brûle complètement les météorites un peu plus grosses, mais elle n'arrête pas les fractions les plus grossières, jusqu’à des “ bolides ” pouvant mesurer plusieurs Km de diamètre qui ont de tout temps percuté notre sol. Il tombe en moyenne sur Terre une seule météorite/1000 ans comme celle qui a formé le Meteor Crater en Arizona (50 000 ans ; 30m ; 100 000 tonnes de fer, Fig. 1b). Dans l’espace, plus un corps est massif plus il est rare, et plus sa probabilité de chute sur c) Chixculub Crater, Golf du Mexique, Limite crétacé- Terre est faible. Pour un corps de taille plurikilométrique Tertiaire, diam. 180 km , http://miac.uqac.ca/MIAC/chicxulub.htm comme celui (Fig. 1c) qui contribua certainement à affaiblir, voire même à faire disparaître les dinosaures il y a 65 Ma., cette probabilité est de l’ordre de une fois tous les 100 Ma. Cette image ne représente pas la forme exacte du cratère mais son remplissage par des matériaux de plus faible densité que celle des sédiments environnants. Noter toutefois le double bombement central, interprété comme le soulèvement caractéristique de la partie centrale des cratères complexes (Fig. 1d). La carte de du gradient d’anomalie de Bouguer (Fig. 1e) met en évidence cette structure, limitée au nord par le trait de côte actuel (en blanc) et elle la corrèle avec un ensemble de cénotes, nom Maya donné à des entonnoirs ou dolines (points blancs sue la carte) partiellement remplis d’eau, dont la partie profonde peut être marine (alimentation profonde par failles). S’ils dessinent un

- 21 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Tableau 1a : minéraux des météorites Mg-Olivine SiO4 Mg2 Fe-Olivine SiO4Fe2 Mg-Orthopyroxène (enstatite) Si2O6 Mg2 silicates silicates Fe-Orthopyroxène Si2O6 Fe2 (Mg0.8, Fe0.2 = bronzite) Mg-Clinopyroxène Si2O6 MgCa Fe-Clinopyroxène Si2O6 FeCa Plagioclase Si2Al2O8 Ca Fe-Spinelle FeAl2O4 oxydes : Mg-Spinelle MgAl2O4 oxydes : Magnétite Fe2+Fe3+2O4 (basse T°) sulfures: sulfures: Troïlite FeS Kamacite (Fe,Ni) 4-7% Ni Alliages Alliages Taenite (Fe,Ni) 16-60% Ni

essaim à l’Est du Chicxculub, ils dessinent aussi un arc de Sur la base de leur composition minérale (Tableau 1) cercle remarquable jalonnant le flanc Sud-Ouest de la structure. et de leur structure, on classe d'ordinaire les météorites en 3 groupes , qui viennent s’ajouter à celui des comètes : L'étude des météorites écrit un chapitre important de 1- les météorites pierreuses, ou aérolithes ; la planétologie du système solaire. Elle permet aussi d’accéder à la protohistoire de notre système, voire même à 2- les météorites métalliques ou sidérites ; l'histoire des étoiles qui nous ont donné naissance, lorsque 3- les météorites mixtes, ou sidérolithes. chaque espèce minérale ou groupe de cristaux ou cristal, d'une seule météorite, devient un témoin (cf. § chondrites). 1 - Les aérolites : chondrites-achondrites Les aérolites ou Météorites Pierreuses sont les plus A – Classification des météorites nombreuses (de l’ordre de 25000 à 30000 individus reconnus), et surtout constituées de silicates, parfois de Lire MC - Meteorites - Nature Composition Ages Vitesse - roches carbonées plus quelques traces de fer. Elles Giavitto.htm ; MC - Meteorites - Nomenclature - Bantegnie.htm ; Q - constituent, selon les auteurs, de 80 à 90% des chutes, et Meteorites - Les meteorites et le passe du systeme solaire - Turon.htm ; MC représentent une masse connue de 50 tonnes environ, soit 70 - Meteorites - classification - Cisse.htm . à 80% de la masse des météorites recensées. On divise les aérolithes en deux grands groupes : les chondrites (93%) et Fig.1d-e : cratère météoritique. les achondrites (7%), selon qu'elles contiennent ou non des d) coupe schématique d’un cratère d’impact sortes de microbilles sphériques (Fig. 2a-1).

a - Les chondrites : Lire MC - Meteorites - Non différentiées Chondrites - BenFadhel-Padet-Sautier-Turon.htm Jamais observées dans aucun autre matériau connu, reconnues dès 1802 par E. Howard, ces microbilles ont été appelées chondres en 1864 par Gustav Rose. Leur taille varie entre 0.01 et 10mm environ. Elles sont scellées dans une matrice. http://saturniancosmology.org/files/impact/sect18_4.html e) Horizontal gradient map of the Bouguer gravity anomaly Ces chondres sont constitués de silicates de haute over the Chicxulub crater, Température bien visibles en lame mince (Fig. 2a-2), Fig. 2a-1 : les chondres. Ce sont des microbilles de quelques microns à quelques millimètres, constitués de silicates de haute T° et d'autres minéraux dont certaines espèces (sulfures, nitrures entre autres) sont inconnues sur Terre

http://miac.uqac.ca/MIAC/chicxulub.htm - 22 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

Fig. 2a-2 : microbilles, entières et fragmentées. Tableau 1b : minéraux des CAIs Minéral Formule Ca2Al[AlSiO7] et Melilite Ca2Mg[Si2O7] anorthite CaAl2Si2O8 Spinel MgAl2O4 perovskite CaTiO3 Hibonite CaAl12O19 Ca-pyroxène CaMgSi2O6 forsterite Mg2SiO4

nouvellement formés, avec des poussières préexistantes qui avaient échappé à la fusion et/ou issues d’une condensation Lame mince, collection ENS, noter en lumière naturelle à survenue après les épisodes de haute température. Enfin, gauche et en lumière polarisée à droite, la morphologie de ces l’accrétion de ces corps parents avec une matrice restée microbilles, qui peuvent avoir subi une histoire plus tardive froide a constitué les chondrites que nous pouvons observer. que leur agglomération au sein d’une matrice, l’ensemble ayant été fracturé (certains chondres sont décalés par des On observe au sein des chondrites d’autres microfailles). agglomérats, encore plus réfractaires et plus précoces que http://planet-terre.ens-lyon.fr/image-de-la-semaine/Img166-2006-06-19.xml les chondres. Lire MC - Geochim - Elements réfractaires - Sautier.htm olivine, pyroxènes, plus diverses phases minérales dont Ce sont des inclusions appelées CAIs (pour Calcium- certaines espèces (sulfures, nitrures entre autres) inconnues Aluminum rich Inclusions, Fig. 2c, tableau 1b) qui sont des sur Terre témoignent parfois d'un environnement agglomérats d’un matériau constitué de minéraux titanifères extrêmement réducteur. Leur forme sphérique prouve qu'ils ou des aluminosilicates de calcium qui témoignent d’une ont été liquides et ont cristallisé en état d'apesanteur. température de formation très élevée, >1500K. Sortes L'origine de ces gouttes liquide est controversée. Elle se « d’enclaves » exotiques, les CAIs sont apparus très tôt situe très tôt dans l’histoire du système solaire, durant la dans l’effondrement de la nébuleuse solaire, voir même phase de condensation des poussières ferro-silicatées, à avant l’effondrement… (voir Chp.2.D.1). partir du gaz de la nébuleuse (Lire MC - Solaire - Nebuleuse - Chez les chondrites en général, et chez les chondrites BenFadhel-Turon.htm ). Ont alors eu lieu un ou plusieurs épisodes très brefs de haute température qui fondent tout ou carbonées en particulier, les CAIs et les chondres (de très une partie des poussières agglomérées. Plusieurs haute et de haute T°) sont noyés dans une matrice de basse mécanismes ont été proposés pour expliquer ces épisodes de T° faite de silicates plus ou moins hydratés, de sulfates fusions : (SO 4) hydratés et de carbonates (CO 3). Cette matrice est riche en grains métalliques, ce qui les rend attirables par un 1- chauffage par de bref flash lumineux du proto-Soleil ; aimant, et en troïlite (sulfure FeS). Quelques individus 2- phénomènes de décharges électriques dans le nuage de montrent du cuivre natif ou de silicium natif (Si) en poussières de la nébuleuse; inclusions dans les grains métalliques. La présence de Fer 3- phénomènes de compression et/ou de friction rapides métal (kamacite Fe-Ni généralement à Fe 95% et Ni 5%, dus aux passages d'ondes de choc acoustiques. voir ci-après § Chp2.A.2, Sidérites), du cuivre natif ou du silicium (et nom de la silice SiO 2) témoigne du caractère La figure 2b montre la texture en barre de certains réducteur du milieu, mais son origine est encore très chondres. Celle-ci correspond à une texture creuse (un peu controversée. S’il peut en effet résulter directement de la comme les cristaux de neige) à cloisons Fig. 2b : chondrule (BO) olivine barrée Fig. 2c : CAIs, inclusions réfractaires. parallèles qui à matériel interstitiel vitreux (blanchâtres) dans une chondrite carbonée. carbonaceous emprisonnent un chondrite NWA 3118 from the Sahara Desert matériau soit vitreux soit dévitrifié (recristallisé). Il semble que ce type de cristallisation en creux témoigne d’une cristallisation très rapide (quelques minutes à heures ?) et donc d’un refroidissement très brutal. L'accrétion a alors agrégé les chondres http://www4.nau.edu/meteorite/Meteorite/Book- http://astrobob.areavoices.com/2012/04/26/meteorite-hunters-scour-hills-near- Chondrules.html sutters-mill-site-of-the-california-gold-rush/

- 23 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Tableau 2 : classification des chondrites, http://perso.wanadoo.fr/pgj/meteorit.htm classement en fonction de leur minéralogie et de leur teneur en métal H bronzite, olivine (silicate de fer et magnésium), 15 à 251% de fer Ordinaires L bronzite, olivine (silicate de fer et magnésium), 7 à 15% de fer LL bronzite, olivine 30% (silicate de fer et magnésium), 2 à 7% de fer EH (high) pyroxène (silicate de fer magnésium, calcium), forte teneur de fer >25% A enstatite EL (low) pyroxène (silicite de fer magnésium, calcium), faible teneur en fer 40% d'olivine, 30% de pyroxène, 10% de plagioclase (calcium et sodium), carbone sous forme organique, très peu

de fer CI (Ivuna) 3 à 5 % de carbone, 20 % d'eau CM (Murchison) 0,6 à 2,9 % de carbone et 1,3 % d'eau

Chondrites CV (Vigarano) Moins de 0,2 % de carbone et 0,03 % d'eau Carbonées CR (Renazzo) CO (Ornans) 1 à 0,2 % de carbone, moins de 1 % d'eau CK (Karoonda) CB (Bencubbin) CH (High Iron) Kakangari type K Rumurutiites R

leur composition moyenne comme référence dans l'étude des condensation du nuage de gaz (nébuleuse solaire), il peut roches terrestres. aussi apparaître par réduction des silicates, lors d’une Parmi les chondrites carbonées, la météorite de réaction contrôlée soit par la fugacité en oxygène de Murchison (tombée en 1969 en Australie) est célèbre pour l’atmosphère solaire soit par la présence de carbone C dans avoir changé notre façon d’envisager l'origine de l’eau et, la matrice des chondrites. La matrice peut contenir 20% de plus accessoirement, celle de la vie sur Terre. On a son poids en eau ; cette eau contribue largement à longtemps considéré que l’atmosphère terrestre (et son l’altération des minéraux anhydres des chondres, à océan) résultait du seul dégazage du manteau terrestre, l’effacement des structures, et à la recristallisation qu’elle était en quelque sorte la fille unique des volcans. métamorphique de certaines chondrites qui ont subi un Mais outre la présence de nombreux composés organiques réchauffement ultérieur (sans rapport avec leur rentrée dans ainsi que des acides aminés (lire A. Magid l’atmosphère terrestre). Cette matrice contient aussi souvent http://fr.wikipedia.org/wiki/Acide_amin%C3%A9 ,), une grande des composés organiques qui ne sont pas nécessairement richesse en azote, une grande abondance en volatils, la biotiques, et dont certains sont inconnus sur Terre. Elle peut météorite de Murchison présente (comme l’essentiel des aussi être faite d'un mélange de minéraux de haute micrométéorites échantillonnées) environ 50% d'une argile température (olivine riche en fer en particulier) et de débris qui contient de l’eau. Or cette eau présente un rapport de chondres, qui suggèrent une histoire complexe : isotopique D/H (2H/1H) semblable à celui de la moyenne de formation à haute température des chondres, fragmentation l’océan terrestre (cf. le fractionnement isotopique, des chondres, et agglomération ultérieure avec des Chp2.C.2) alors que celui-ci diffère justement du rapport matériaux froids. isotopique des eaux issues de volcans. On considère donc aujourd’hui que le rôle joué par les météorites de ce type, Aucune roche comparable aux chondrites, aucun ainsi que celui des comètes (Chp. 2.E.2), a été sans doute chondrule, n’a jamais été observé sur Terre ou sur la important pour l’océan, dans l’histoire de notre atmosphère Lune. Leur composition chimique globale est d’une part (Chp. 5.F) et dans l’apparition de la vie et plus largement remarquablement homogène (elle varie très peu d’un dans l’acquisition d’un vernis géochimique extraterrestre individu à un autre) et d’autre part étonnement comparable à durant l’Hadéen (Chp. 4.D.1.b). celle de la moyenne terrestre (cf. tableau 3). Cela suggère fortement que la Terre est formée du même matériel que les Les chondrites sont classées selon leur composition chondrites et que ce matériel primordial a subi sur Terre un minéralogique (tableau 2). fractionnement auquel les chondrites ont échappé. La 1. Chondrites ordinaires : 80% des chondrites ; elles similitude de composition des chondrites avec l'atmosphère contiennent de l'olivine, de la bronzite, du plagioclase solaire, excepté en éléments volatils (H, O, gaz nobles) bien (cf. tableau 1) et d'autres minéraux à base de fer. On que le Carbone soit encore présent dans les chondrites les divise en deux sous-groupes, H et L. carbonées, suppose aussi qu'elles n'ont subi que très peu de 2. Chondrites à enstatite sont divisées en deux sous- modifications depuis leur fabrication. Quelle que soit groupes, 1 et 11 , suivant leur teneur en fer (<12 % et l’hypothèse de leur formation, il est essentiel de noter que jusqu’à 35 % respectivement). Elles sont constituées en contrairement aux sidérites ou sidérolithes (§ suivant), les grande partie de pyroxène et peuvent contenir du chondrites n'ont pas subi de différenciation chimique quartz(SiO ) Elles ont été métamorphosées à des ultérieure majeure . On s’accorde alors à assimiler la 2 températures supérieures à 650° C et sont notées E composition des chondrites à celle qu'a pu avoir la Terre dans les collections. avant la différenciation profonde en un noyau métallique et un manteau silicaté, et les géochimistes utilisent souvent - 24 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

3. Chondrites carbonées : 8% des chondrites ; elles composition homogène contiennent en général 40% de plagioclase, mais aussi 5. chondres encore discernables quoique avec difficulté, du carbone, parfois sous forme organique. Par contre composition homogène elles ne contiennent que très peu, ou pas du tout, de fer. 6. chondres mal définis, composition homogène C'est un groupe assez hétérogène qui est divisé sous- 7. recristallisation et équilibration chimiques des groupes, en fonction de leur teneur en C et en Fe, puis minéraux quasi totale, présence éventuelle de reliquats en fonction de leur teneur en fer et de leur degré de de chondres, composition homogène fusion: La classification des chondrites est résumée dans le • Les chondrites CI (I = Ivuna, Tanzanie, 1938) sont tableau 2. caractérisées par l’absence de chondres, une quantité plus faible de carbone ; b - Les achondrites : • Les chondrites CM (M = Mighei, Ukraine, 1889) dont les chondres présents sont de petite taille, les Les achondrites : Elles présentent une texture et une teneurs en C et en eau sont plus faibles composition minéralogique qui laissent penser qu'elles ont • Les chondrites CR (R = Renazzo, Italie, 1824) dû se former à partir d'un magma analogue à celui qui montrent non plus des petits chondres dispersés conduit aux roches ignées terrestres. Certaines d’entre elles mais des agglomérats (de chondres) liés entre eux proviendraient de la Lune, ou encore de Mars (S.N.C.). Elles par du carbone et un peu d’eau constituent 10% des chutes au maximum, on distingue deux • Les chondrites CV (V= Vigarano, Italie, 1910) grandes catégories : présentent de gros chondres et des teneurs faibles 1. achondrites riches en calcium (CaO>5%) ; en C et en eau 2. achondrites pauvres en calcium (CaO<3%). • Les chondrites CO (O= Omans, France, 1868) sont aussi à mini-chondres et teneurs comparables en C La classification des achondrites est résumée dans le et en eau tableau 3. • Les chondrites CK (K= Karoonda, Australie, 1930) Parmi les achondrites, quelques individus découverts montrent, outre de gros chondres, une grande récemment ont clairement une structure achondritique, mais abondance d’oxygène se traduisant par l’absence de une composition proche de celle des chondrites. On métaux considère ces échantillons (de type Acapulcoites, Lodranites • Les chondrites CH (H= high Iron et non une ou Winonaites) comme d’anciennes chondrites qui auraient localité) ont du fer pur, très peu de carbone, et elles subi ultérieurement un métamorphisme à haute température, présentent des chondres de très petite taille. voir même une fusion partielle suivie de la perte de la Le nom d’une chondrite est suivi d’un chiffre — Voir fraction fondue ; on nomme ces météorites achondrites primitives, en raison du matériel chondritique (= primitif) http://www.wwmeteorites.com/Chondrites%20gen.html — de 1 à 7, dont la signification est la suivante : qu’elles ont contenu. 1. absence quasi-totale de chondre, 2 - Les sidérites, ou Fers composition inhomogène 2. chondres nets et facilement discernables les uns des Les sidérites ou Météorites Ferreuses, dites encore autres, composition inhomogène Fers; constituent une population d’un millier d’individus 3. chondres très nets et parfaitement séparés, non altérés, environ, qui représentent en nombre de l’ordre de 5% des composition inhomogène chutes et en masse environ 10%. Si le nombre d’individu est 4. chondres assez bien individualisés, peu élevé, leur masse peut être considérable, et c'est parmi

Tableau 3 : classification des achondrites, http://perso.wanadoo.fr/pgj/meteorit.htm Classement en fonction de leur teneur en calcium (de 0 à 25%) Eucrites EUC + de 5% de calcium, pigeonite et feldspath calcique Angrites ANG + de 5% de calcium, riche en pyroxène calcique titanifère, troilite et olivine Howardites HOW + de 5% de calcium, mélange eucrite-diogenite Diogénites DIO -3 de % de calcium, Hypersthène, pyroxène moyennement riche en fer Urélites URE -3 de % de calcium, olivine-pigeonite, ferro nickel, clinopyroxène et parfois du diamant Aubrites AUB -3 de % de calcium, enstatite, silice et magnésie riche en calcium, roche basaltique composée essentiellement de pyroxène et de plagioclase, plus quelques Shergottites SHE éléments oxydés et minéraux hydratés. Nakhlites NAK augite, plus quelques éléments oxydés et minéraux hydratés, diopside-olivine Achondrites Chassignite CHA riche en calcium, olivine, quelques éléments oxydés et minéraux hydratés Lunar LUN basalte et régolithe Acapulcoite ACAP olivine, pyroxène Lodranite LOD olivine, pyroxène Brachinite BRACH olivine Winonaite WIN Chassignites, Shergottites, and Nakhlites sont regroupées comme météorites SNC

- 25 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 eux que l'on trouve les plus grosses météorites. Par microcristalline de ces deux minéraux, appelée plessite : ce conséquent, contrairement aux autres météorites qui passent sont les figures de Widmanstätten qui s'expliquent par souvent inaperçu, sauf lorsque l’on fait des comptages l'étude du refroidissement du système fer-nickel. Le systématiques comme dans les glaces de l’antarctique, les diagramme concentration en Ni dans le système Fe-Ni fers sont surreprésentées et la masse totale reconnue est de versus T°C (Fig. 4) nous montre les phases en présence. 570 tonnes environ. La plus importante (70 tonnes) fut L’abscisse représente la composition du système ; à 0% de découverte en 1920 ; elle est restée en place à Hoba, en Ni, le système ne contient donc que du fer, et à 60% de Ni, il Namibie. La seconde provient de Cap York (Groenland), contient encore 40% de Fer. Ce diagramme nous montre elle pèse 59 tonnes. Dans le désert de Gobi, la météorite de l'existence de deux domaines monophasés (en bleu) où la Shingo pèse environ 35 tonnes ; on l'appelle aussi «le composition du solide peut varier (il s’agit de solutions chameau d'argent», à cause de sa forme. La météorite de solides) aux températures considérées. Il s'agit du domaine Chaco (Argentine) pèse à peu près le même poids, et l’on de la taénite (Alliage de Nickel-Fer) et du domaine de la connaît plusieurs autres météorites pesant plus de dix kamacite (Alliage Fe-Ni pauvre en nickel). Ce diagramme tonnes, comme celle de M'Bosi (Tanzanie) qui pèse 16 nous montre aussi l'existence d'un espace vide (en blanc), tonnes . Les sidérites sont constituées d'un alliage de fer- qui est le domaine dans lequel il ne peut exister de solide nickel probablement très comparable (au moins homogène stable aux températures considérées, c’est un chimiquement) au cœur de notre Terre. La classification des domaine à 2 phases. Prenons par exemple un solide de sidérites est basée sur leur structure, mais elle reflète aussi composition Fe 80%, Ni 20% ; à la température de 450°C, il leur composition en nickel. Leur structure est bien mise en se situe dans le domaine à 2 phases solides (taénite + évidence par l’attaque acide d’une surface polie, qui fait kamacite) dans lequel, à la température donnée (450°C), il apparaître une sorte de grille formée de bandes, souvent existe non plus un mais deux solides en équilibre, une observables à l'œil nu, de symétrie cubique ou hexagonale, kamacite plus une taénite, dont les compositions respectives appelée texture de Widmanstätten (chimiste allemand du sont celles des limites du domaine à 2 phases à la XIX°, Fig. 3). température considérée. On distingue 3 groupes de sidérites, les hexaédrites, Suivons maintenant sur la figure 4 le refroidissement les octaédrites et les ataxites, détaillées ci-dessous. du solide de composition définie X : 1 - A 700°C, le solide Tn de composition X, homogène, a - Les hexaédrites est une taénite à 15% de Ni. Elles contiennent de 5 à 7% de nickel sont des 2 - A 640°C environ, ce solide homogène voit apparaître assemblages de gros hexaèdres de kamacite, parfois un seul en son sein (exsolution) une quantité infinitésimale de cristal qui se rompt à l'impact. L’attaque à l'acide kamacite Km, 0 à 4% de Ni. chlorhydrique d’une surface polie met en évidence un réseau de bandes orientées (bandes de Neumann) provenant de la 3 - A 600°C le solide est composé des 2 phases Km1 et déformation mécanique subie par la kamacite à une Tn1, de compositions respectives 5% et 18% Ni, dans température comprise entre 300 et 600° C. les proportions pondérales respectives 73% de Km1 et 27% deTn1. b - Les octaédrites, 4 - A 400°C, les compositions des solides Km2 et Tn2 sont respectivement 6.5% et 48% Ni, dans les Elles sont les plus nombreuses, et contiennent de 6 à proportions pondérales respectives 22% et 78%. 18% de nickel. L'attaque à l'acide d'une face polie met en évidence quatre systèmes de bandes de kamacite. Trois séries se coupant selon un angle de 60°, la quatrième série c - Les ataxites étant parallèle au plan de section dans la figure 3. Elles sont Elles sont très rares et très riches en nickel, plus de bordées de taénite, les espaces polyédriques compris entre 16% de nickel (jusqu’à 30%) Elles doivent leur nom à ces deux minéraux étant comblés d'une association l’absence de texture visible à l’œil nu car la largeur des bandes de Widmanstätten diminue avec l'enrichissement en Fig. 3 : section Polie de la météorite de Casas Grandes. nickel, pour disparaître au-delà de 15 %. kamacite à texture Widmanstätten, et globules Fig. 4 : diagramme de phases des alliages Fe-Ni . de Troïlite (FeS)

- 26 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Tableau 4 : classification des sidérites At axite Octaedrite Hexaédrite HEX Octaedrite Off Octaedrite Of Octaedrite Om Octaedrite Og Octaedrite Ogg ATAX Opl I AB , Fe-Ni Pitts (USA) Udei Station (Nigeria) Toluca (Mexique)

Silicates Carbures Woodbine (USA) Four Corners (USA) Guin (USA) IC , Bendego (Brésil) Winburg (Afr du S) Fe-Ni Arispe (Mexique) II AB, Braunau (Tchequie) Sikhote Alin (Russie)

Fe-Ni-Cr Uwet (Nigeria) Lake Murray (USA) IIC , Unter Massing

Fe-Ni (Allemagne) II D , Fe-Ni Carbo (Mexique) II E , Mont Dieu (Mexique) Miles (Australie)

Fe-Ni-Silicates Watson (Australie) Weekeroo (Australie) II F, Fe-Ni Kofa (USA) III AB, Fe-Ni Henbury Sacramento

Troïlite Phosphores (USA) La Porte (USA) III CD, Fe-Ni Mundrabilla (Australie) Watson (Mexique) Carbiures Nantan (Chine) III E , Fe-Ni Willow Creek (USA) Carbures Graphite III F, Fe-Ni St Genevieve (USA) Gibeon (Namibie) IV A , Fe-Ni Steinbach (Allemagn) IV B , Fe-Ni Chingla (Russie) silicates graphite

Sur la base de la présence de phases minérales Tableau 5 : classification des sidérolithes cristaux plurimillimétriques d'olivine mineures et de rapports inter éléments concernant des Pallasites éléments en concentration mineure, on distingue encore 13 noyé dans l'alliage de ferro-nickel sous-groupes (IAB, IC, IIAB, IIC....) qui sont résumés dans mélange égal ferro-nickel silicates Mésosidérites le tableau 4. Depuis Tschermak on distingue en outre six (pyroxène et plagioclase) sous-groupes en fonction de la largeur des lamelles de Iodranites ferro-nickel, olivine et pyroxène kamacite, liée à la teneur en nickel de la météorite ; ce sont les sous-groupes Og, Ogg, Om, Of, Off et Opl (depuis «très Fig 5a : pallasite brute. grosses» jusqu’à «très fines»). La classification des sidérites est résumée dans le tableau 4. On considère les sidérites comme des fragments du noyau de corps planétaires. L’alliage de fer-nickel qui les constitue est probablement très comparable, au moins chimiquement, au cœur de notre Terre.

3 - Les sidérolithes Les sidérolithes ou Météorites Ferro-Pierreuses comptent très peu d’individus, 150 tout au plus, qui sont de pallasite sciée et polie. nature intermédiaire entre les sidérites et les aérolithes achondrites. Les sidérolithes sont composées de silicates (grains d'olivine pure, ou d'olivine plus pyroxène, ou de pyroxène plus plagioclase) noyés dans une matrice à olivine et d'alliage métallique, et représentent des sortes de “ brèches ”, mélange de sidérite et d'aérolite, susceptible de correspondre à la couche terrestre D'' (Chp. 4.B.1), interface entre noyau et manteau. La Pallasite (Fig. 5a) montre une olivine (Mg2SiO4) en gros cristaux, dans une matrice d'alliage Fe-Ni, montrant d'intenses déformations tectoniques obtenues à haute température (proche du point de fusion). La composition Fig. 5b : mesosidérite de Vaca Muerta, Clili, moyenne de l'olivine est très magnésienne (SiO4 Mg2) et Ca-Plagioclase (feldspath) en blanc comparable à celle de l’olivine du manteau de la Terre ou des laves basaltiques (Chp. 4.C.1). On les divise en trois groupes (tableau 5):

a - Pallasites : Elles contiennent des gros cristaux d'olivine allant du millimètre au centimètre, de couleur variant du jaune brun au vert chartreuse, inclus dans une matrice de ferronickel.

- 27 - http://enc.tfode.com/Mesosiderite ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

Sciées et polies, ce sont sans doute les météorites les plus Fig. 6a : abondances cosmiques relatives des éléments. 6 esthétiques (fig. 5a). Leur nom vient du naturaliste Pallas (pour 10 atomes de Si) vs nombre atomique ; qui, en 1775, trouva une «éponge de fer» en Sibérie. Elles sont rares, une cinquantaine connues seulement.

b - Mésosiderites : Elles présentent un mélange de parties à peu près égales de métal (ferronickel) et de deux silicates (pyroxène et plagioclase). Peu nombreuses (environ 150 connues dont presque la moitié provient d’Antarctique), elles présentent l’allure de brèches comprenant des agrégats ou des morceaux d’alliage fer-nickel ou de silicates (fig. 5b)

c - Lodranites :

Du fait qu’elles contiennent en parties égales, du http://www.accessscience.com métal, de l'olivine et du pyroxène, certains auteurs classent les lodranites dans les sidérolithes ; néanmoins leur de Fe, Ni est très élevée, celles de Li, B et Be sont très proximité de composition avec les chondrites tend de nos faibles jours à les classer avec achondrites primitives. L’anomalie d’abondance des éléments pairs par rapport aux impairs traduit la plus grande stabilité des B - Composition chimique des météorites nucléons pairs. La dominance de H et He trouve son explication dans Lire MC - Meteorites - classification - Cisse.htm . On observe la nucléosynthèse primordiale qui, après apparition de qu’une forte proportion des météorites recueillies appartient l’atome d’hydrogène dans le big-bang, a pu fabriquer de au groupe des sidérites, les météorites riches en fer. Cette l’hélium en abondance par fusion proton-proton (fig. 6b). observation n’est en rien surprenant car la composition de Cette première synthèse s’est arrêtée là, au moment de notre Soleil, comparable à beaucoup d’autres étoiles, est l’expansion brutale de l’univers et de la chute de pression riche en fer. qui l’accompagne. Tous les autres éléments ont été fabriqués plus tard, au cours de nucléosynthèses secondaires dans des étoiles ; les éléments lourds impliquent des températures et 1 - Aperçu de la composition du Soleil un confinement que l’on trouve seulement dans des étoiles La figure 6a nous rapporte la composition du Soleil, de type géantes rouges, voir lors de nova. le silicium étant ramené à 106 atomes. Trois observations De manière extrêmement schématique, on peut dire peuvent être faites à partir de ce diagramme : que de l’Hélium au Fer, les éléments sont fabriqués par 1. globalement, les abondances des éléments décroissent fusion (fig. 6b), sauf le triplet des éléments Li Be B dont la avec leur masse atomique section efficace ne le permet pas et qui, de ce fait, ne suivent 2. les éléments de nombre atomique pair présentent des pas la courbe des abondances. Au-delà du fer, les éléments abondances plus grandes que leurs voisins impairs (e.g. lourds sont fabriqués par capture de neutron par le noyau. C, N, O, respectivement Z= 6, 7, 8, …, Na, Mg, Al, Si, Ce processus, facilité par l’absence de charges, conduit à P respectivement Z= 11, 12, 13, 14, 15 etc.…) fabriquer des isotopes de plus en plus lourds d’un même élément, jusqu’à fabriquer un isotope instable qui donne un 3. Certains éléments ont une abondance anormale, celle nouvel élément fils (fig. 6c, exemple du passage du Fig. 6b : nucléosynthèse par fusion. Proton-Proton Cycle Step one, deuterium 1H + 1H ------> 2H + e 0 + neutrino e0 = positron: masse de l’électron et charge >0 Neutrino = sub-particule de charge nulle et quasi sans masse 1 2 3 Step two, helium 3 H + H -----> 2He + radiation γ Step three, helium 4 3He + 3He -----> 4He + 1H + 1H La fusion nucléaire dans le soleil produit 653 000 000 tonnes d’helium par seconde, convertissant 22 000 000 tonnes du soleil en énergie. Carbon-Nitrogen-Oxygen Cycle Step one, 12C + 1H ------> 13 N + radiation γ 13 13 Step two, N ------> C + radiation β (t ½ = 10 minutes) Step three, 13 C + 1H ------> 14 N + radiation γ Step four, 14 C + 1H ------> 15 O + radiation γ 15 15 Step five, O ------> N + radiation β (t ½ = 10 minutes) Step six, 15 N + 1H -----> C 12 + He 4 L’effet global du cycle CNO est encore de transformer de l’hydrogène en helium. Le carbone n’est pas un élément produit dans ce cycle ; il ne peut être produit que durant la contraction lente du cœur d’helium des géantes rouges, par fusion d’un triplet de noyaux d’helium (triple α process). L’oxygène sera à son tour produit dans les mêmes conditions par fusion d’un de ces carbone avec un helium. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/astro/astfus.html#c2

- 28 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

Fig. 6c : nucléosynthèse par capture. C - Les météorites différenciées et le fractionnement chimique dans le système solaire

Lire MC - Meteorites - Differentiees - Cisse & Turon.htm ; MC - Meteorites - classification - Cisse.htm ; MC - Geochim - fractionnement - Cisse.htm . L'organisation de notre système en un groupe de planètes rocheuses localisées dans le voisinage du Soleil et un groupe de planètes gazeuses à l'extérieur (Introduction) montre qu'il n'est pas chimiquement homogène, contrairement à ce que l'on observe dans les nuages de gaz interstellaires qui donnent naissance à des étoiles. Notre système paraît donc avoir subi une intense différenciation (ségrégation des éléments), qui doit avoir eu lieu avant ou au cours de la formation des planètes au plus tard. Le terme «différencié» recouvre en fait plusieurs échelles de phénomènes, au moins deux ici:

1- Une différenciation à l'échelle du système solaire d'une http://zebu.uoregon.edu/~js/ast223/lectures/lec21.html part, qui nous questionne sur le mode de construction des planètes : comme noté au cours de l’introduction, cadmium à l’indium après plusieurs captures de neutrons). cette différenciation a concentré l’essentiel des Le process S (Slow-neutron-capture) décrit les réactions éléments réfractaires vers le Soleil, et l’essentiel des nucléaires qui se produisent dans les novas d’étoiles de éléments volatils vers la périphérie du système; masse moyenne (novas thermonucléaires), à faible densité 2- Une différenciation à l'échelle de chacun des corps en de neutrons. Elles produisent les éléments lourds jusqu’au 209 cours de formation d'autre part, qui va donner les Bismuth, qui est le dernier (le plus lourd) des éléments noyaux des planètes décrits dans l’Introduction non radioactifs. Au-delà, la capture neutronique S est trop (Fig. 1) ; D’autres corps aussi s’étaient différenciés, lente au regard de la décroissance radioactive des éléments que l’on retrouve en fragments rocheux qui qui pourraient être nouvellement formés, pour que ceux-ci constituent l’ensemble des météorites différenciées. puisse survivre dans ces novas. C’est donc le process R Lorsqu’ils percutent la Terre, on les nomme sidérites, (Rapid-neutron-capture) qui prend la relève dans les novas sidérolithes, et aérolithes achondritiques . Par de type II (effondrement du cœur de l’étoile) dont l’onde de opposition, on parlera de météorites indifférenciées choc qui expulse la partie externe de l’étoile présente une pour les chondrites , puisque ces fragments de cailloux haute densité neutronique, capable d’engendrer assez de n’ont aucune des caractéristiques des roches captures Rapides pour fabriquer les éléments les plus lourds, planétaires, et qu’ils paraissent par conséquent refléter tels que radium, thorium, uranium et plutonium. Le fer est l’élément qui présente le noyau le plus Fig. 6d : abondances des éléments (en unités molaires) stable, et il se trouve de ce fait surabondant par rapport à la dans la photosphère solaire versus leur abondance dans la courbe moyenne. Il en résulte que l’abondance du fer chondrite carbonée d’Orgueil (CI1). L’alignement est quasi équivaut à celle du magnésium et du silicium. parfait sauf pour les volatils H, C, N, O et les gaz rares (non figurés) qui sont déprimés dans les chondrites 2 - Météorites et composition solaire (formées à un stade où les volatils ont déjà été différenciés), et le lithium qui est déprimé dans le Soleil par les réactions A travers ce schéma grossier de l’origine des nucléaire. éléments, on comprend mieux la triple nature des météorites : 1. Les météorites pierreuses achondrites présentent une composition dominée par le groupe O-Mg-Si-Al, qui est le premier groupe d’éléments abondants après le groupe des éléments très légers H-He et volatils. Cette sélection d'éléments va permettre de construire les phases silicatées de ces météorites; 2. Les sidérites sont centrées sur le pic du Fe-Ni, qui vont constituer la base de tous les alliages de ces météorites et des sidérolithes ; 3. Les chondrites ont une composition quasi identique à celle du soleil, sauf pour les éléments volatils (fig. 6d), ce qui signifie que contrairement aux autres météorites, elles n’ont subi que fort peu de modifications par rapport à leur père, le Soleil.

http://elements.geoscienceworld.org/content/7/1/11/F3.expansion.html - 29 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 7a : astéroïde Cérès 933, vu par Hubble. Fig. 7b : Vesta vu par Hubble à gauche, et de la Terre à droite. Cérès apparaît avec une résolution de +/- 50 km. Une formation Sa topographie est en image couleur. Image centrale en couleur : circulaire de 250 km de diamètre est mise en évidence, dont la le bleu représente les creux et le rouge les bosses, noter le nature ne peut toutefois être déterminée avec certitude (cratère ? cratère d'impact (450 km de diamètre) différence d’albédo ?), pour laquelle le nom de baptême de Piazzi a été proposé d’emblée. L’examen de cette image a permis d’évaluer le rayon de Cérès à 484,8 (± 5,1) et 466,4 (± 5,9) km. http://www.windows2universe.org

http://nssdc.gsfc.nasa.gov/image/planetary/asteroid/hst_vesta_2.jpg

http://www.windows2universe.org ; http://www.solstation.com/stars/ceres.htm 10 km. Par contre, on ne sait à peu près rien du million ou l’état du système solaire avant la différentiation (cf. § plus d’astéroïdes de l’ordre du km qui peuplent cette suivant « météorites indifférenciées »). ceinture. La grande majorité présente une faible excentricité et une inclinaison sur le plan de l'écliptique presque toujours 1 - Relation de Titius et ceinture d’astéroïdes inférieure à 4° (maxi 30°). On imagine généralement que les planètes du On a longtemps rapporté les météorites qui système solaire sont nées presque en même temps que le parviennent sur Terre à l'explosion de la planète dite soleil, de l'effondrement gravitaire de la nébuleuse (gaz), par «manquante» de Titius ; mais deux arguments essentiels agrégation et collision de poussières (accrétion à froid). La sont venus infirmer cette hypothèse : relation de Titius (XVIII° siècle) tente de traduire les caractéristiques fondamentales du disque gazeux 1 - la distribution des radio-isotopes dans les météorites protosolaire. Il était sans doute animé comme aujourd’hui impose qu’elles ne sont pas issues d'une planète unique d'un mouvement de rotation qui lui a conféré une symétrie fragmentée tardivement, soit à la suite d'une collision, axiale (de révolution). L'essentiel de sa masse était déjà soit sous l’influence de marées trop fortes provoquées confiné en son centre. Il suffit alors, qu'il ait été invariant par Jupiter, mais de corps souvent chimiquement d'échelle pour rendre compte de la distribution observée des distincts les uns des autres ; planètes. “ Invariant d’échelle ” signifie que ses propriétés 2 - ce ne sont pas exclusivement des fragments de planète physiques suivaient une progression géométrique. qui nous parviennent de cette région particulière, mais Autrement dit, la variation de la propriété p entre R et 2R quasi toutes les météorites, y compris les chondrites, or (distances au soleil), est la même qu'entre 4R et 8R. On écrit les chondrites sont constituées d'un matériau non n ainsi : R n= R 0.k planétaire. où n est l'ordre de la planète, et R et R sont n 0 Toutefois Titius n’avait pas complètement tort. Dans respectivement les rayons orbitaux des planètes de rang n et cette zone orbitale située entre Mars et Jupiter, les zéro. La raison k vaut environ 1.7 pour les planètes en interactions fortes entre le champ gravitationnel de Mars et rotation autour du Soleil. celui que crée la masse énorme de Jupiter constituent un Cette relation de Titius écrite à l'époque sous une piège pour les grains de poussière ou les cailloux passant autre forme, était finalement bien vérifiée pour les 5 dans son voisinage. Ces interactions sont si fortes qu’elles planètes connues du vivant de Titius. Elle avait même empêchent la formation d’un anneau homogène. La conduit Bode à supposer dès la fin du XVIII° siècle qu' une distribution des orbites des astéroïdes fait apparaître des planète avait dû exister puis avait dû exploser entre Mars distances de demi grand-axe auxquelles aucun astéroïde ne et Jupiter. Or, l’analyse des trajectoires des météorites que la Fig. 7c : lacunes de Kirkwood dans la ceinture d’astéroïdes. Terre reçoit (lorsque c’est possible) nous montre qu’elles Abondance des astéroïdes vs. taille en UA du demi grand- proviennent certainement pour l’essentiel de cette région de axe ; la lacune principale correspond à la résonance 3 :1 l’espace ; et c’est précisément dans cette région que l’on observe une ceinture très riche en astéroïdes . Cette notion de richesse en bien sûr toute relative. Le total de la masse des corps de cette ceinture n'excède pas quelques % de la masse de la Terre, et les quelques corps massifs que l'on y trouve en représentent plus de la moitié. Le plus gros corps et le premier reconnu dans la ceinture d'astéroïdes, Cérès, atteint 930 Km de diamètre (Fig. 7a, Giuseppe Piazzi 1801). Pallas, Vesta (Fig. 7b), Hygiea (400 à 525 km, fig. 7c) et 23 autres corps ont une taille de plus de 200 Km. Tous les astéroïdes de plus de 100 km nous sont connus ou presque, et sans doute connaît-on 50% des corps de plus de

http://ssd.jpl.nasa.gov/images/ast_histo.ps - 30 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 correspond. Ces domaines non peuplés sont appelés lacunes 2 - le fractionnement des éléments chimiques de Kirkwood (Fig. 7c). Elles correspondent aux distances des corps massifs et les météorites différenciées orbitales auxquelles un objet soumis à ces conditions serait Le nuage de gaz et de poussières qui constituait la en résonance avec la planète géante Jupiter. Le phénomène nébuleuse protosolaire se transforma en un disque plat sous de résonance se produit lorsque la période de l'orbite de l’effet de la rotation et de la gravitation (cf. paragraphe Les l'objet est une fraction entière de celle de celle de la planète chondrites sont des objets apparus très tôt dans voisine (ici Jupiter). Les lacunes principales sont observées l'effondrement gravitaire de la nébuleuse ) Au sein de ce pour les rapports 3:1, 5:2, 7:3 et 2:1 entre astéroïde et disque, les poussières sont agrégées en corps de plus en plus Jupiter. Ces lacunes ne sont observables que dans la gros, jusqu’à constituer des planètésimaux. distribution des demi grand-axes et pas dans celle de la Comment s’est opérée cette d’accrétion ; fut-elle densité des astéroïdes dans la ceinture. En effet, homogène ? Hétérogène ? S’est-elle produite à froid ? À l'excentricité orbitale des astéroïdes, bien que faible, suffit à chaud ? La géochimie terrestre propose un modèle ce que ces objets franchissent en nombre les domaines d’accrétion hétérogène fondé sur des bilans de matière lacunaires définis par les demi grand-axes. simple, dans lequel l’évolution de la température est un Il est donc très vraisemblable qu’aucune planète paramètre clef. On remarque en particulier que l’essentiel de importante n’a jamais pu se constituer dans cette région en l’eau terrestre est contenue dans son atmosphère, et on note raison des instabilités auxquelles conduisent les interactions que la Terre en possède suffisamment pour oxyder avec la planète géante voisine, interactions à ne pas l’essentiel du fer terrestre. Or celui-ci est contenu 2+ confondre avec la limite de roche 12 de Jupiter qui ne croise principalement à l’état Fe dans le manteau et sous forme pas la ceinture d’astéroïdes (loin s’en faut) et encore moins métal dans le noyau. Il faut donc admettre qu’au moment où celle de Mars. Inversement, le piège gravitationnel que ce noyau s’est individualisé l’accrétion était pauvre en eau, et que notre Terre a reçu son eau plus tardivement. Si l’on constitue cette région aurait par contre favorisé admet ici (cf. $ condensation de la nébuleuse) qu’au stade l'accumulation d'astéroïdes, en dispersant les fragments précoce du fonctionnement du Soleil il s’est mis en place un rocheux au cours de leur accrétion. Par ailleurs, ces fort gradient de température qui s’est ensuite atténué, on interactions et instabilités provoquent vraisemblablement comprend que les premiers condensats s’accrétant en des chocs entre objets, et donc des modifications brutales planètésimaux devaient être constitués de matériaux des orbites de ces astéroïdes. Certains d’entre eux seraient réfractaires, et que des condensats de glace n’ont pu arriver alors éjectés sur des orbites très elliptiques recoupant le sur Terre qu’à un stade plus froid, et donc plus avancé. champ d’attraction des planètes, comme Géographos, Adonis, ou Toutatis (Fig. 7d). En outre, certains corps, à Sur un planètésimal en formation, les vitesses l'image de Cérès, ont pu atteindre une taille suffisante pour relatives des objets qui entrent en collision avec lui augmentent avec la masse du planètésimal parce que cette qu'ils aient pu connaître une différenciation chimique. Ce masse accroît le champ de pesanteur à son voisinage. sont de tels corps, situés initialement dans cette ceinture L'énergie cinétique récupérée lors des collisions s’ajoute à la soumise aux perturbations complexes des attractions de compression adiabatique (corollaire de l'augmentation de sa Jupiter et de Mars où les collisions sont probablement taille) pour en accroître la température, jusqu’à engendrer la fréquentes, qui ont pu donner naissance par fragmentation fusion de cette protoplanète. En fin d'accrétion les collisions ultérieure aux météorites différenciées, achondrites, sidérites deviennent si violentes qu'elles ont pu modifier et sidérolithes. considérablement les planètes qui viennent de se former. Il reste que cette relation de Titius a aussi largement Citons Mercure qui aura perdu ainsi une grande partie de favorisé la découverte des planètes externes, Uranus, son manteau et aura vu ainsi sa masse volumique moyenne Neptune et Pluton, mais la progression géométrique de augmenter, et la Terre qui donnera naissance à la Lune après raison 1.7 n'est que très mal vérifiée pour ces dernières. une capture - collision cataclysmique (cf. Chp. 4.D.1.d). Cette relation conserve-t-elle un sens physique? Elle traduit Avec la fusion (au moins partielle) des matériaux à coup sûr le fait imposé par l'attraction universelle que deux accrétés à froid, apparaît le premier mode de fractionnement corps en cours d'accrétion ne peuvent être trop rapprochés sous peine de voir la compétition pour la capture de la Fig. 7d : Toutatis, géocroiseur de 4,6x 2,4 x 1,9 km. Passsé le 20 septembre 2004 à 4 fois la distance Terre Lune matière environnante interdire leur croissance (cf. la ceinture d’astéroïdes), et que dans le nuage protosolaire un ensemble de perturbations gravitaires allaient contribuer à la constitution des planètes, ou inversement interdire leur constitution, Dès lors, on peut donc sans doute parler avec André Brahic dans «Sciences de la Terre et de l'Univers» (1999) d'une fausse bonne piste à propos de la relation de Titius, mais elle fut féconde !

12 On appelle limite de roche la distance en dessous de laquelle la force de cohésion d’un satellite d’une planète devient inférieure aux forces des marées provoquées par la planète. Le satellite est alors désagrégé. http://lunarmeteoritehunters.blogspot.fr - 31 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

responsable de la ségrégation d’un Fig. 10 : collision de la comète la forte densité du fer. Il regroupe avec lui noyau ferreux chez les planètes Shoemaker-Levy 9 avec Jupiter. les éléments sidérophiles, le Ni en telluriques. En effet, à l’état liquide, particulier. Les lithophiles constituent le la gravité permet le transfert du fer manteau silicaté puis plus tard la croûte. (très abondant) vers un noyau dense. Parallèlement le dégazage des éléments A l’état solide, un autre mode volatils constitue l’atmosphère primordiale de transfert du fer vers le noyau peut de ces corps. être envisagé. En effet, les silicates Certains aérolithes achondrites (ils constituent l’essentiel des proviennent d'anciennes roches fondues de minéraux des planètes rocheuses, en compositions très comparables à de la particulier leur manteau) sont des croûte terrestre ou lunaire. Elles résultent solutions solides capables d’assimiler d'un fractionnement chimique important. Il dans leur réseau des proportions de peut aussi s'agir de fragments de croûte fer souvent beaucoup plus élevées arrachés à la Lune ou à Mars lors aux faibles pressions qu’aux fortes d'impacts. L’une d’entre elles, ALH 84001, pressions. Il s’ensuit donc que ces Les fragments de la comète ont défraye la chronique depuis 1996 car elle phases minérales devenues instables été rapprochés sur l'image pourrait apporter le témoignage que dans la convection descendante l’exobiologie n’est pas un mythe ? Les « expulsent » leur fraction Fer à la base du manteau, lui structures que l’on y observe (Fig. 8) ressemblent beaucoup à des bactéries terrestres, mais elles sont 100 fois plus permettant de rejoindre ainsi le noyau. petites, ce qui rend toute confirmation impossible. Pour On appelle fractionnement chimique l'ensemble des nombre de biologiste une telle taille ne permet pas le processus qui tendent à séparer les espèces chimiques ou "rangement" d'une usine cellulaire complète, peut-être des minéralogiques, en fonction de leur densité et/ou de leur organites cellulaires? Ces nanostructures sont observées affinité chimique, dans les conditions P, T° de stabilité des dans des microbilles carbonatées qui contiennent aussi des solides (minéraux) et des liquides qui les contiennent. On sulfures. Sur Terre les sulfures provenant de la réduction appelle sidérophiles et chalcophiles les éléments chimiques bactérienne de sulfate est courante, mais elle s'accompagne ayant tendance à constituer respectivement des alliages avec d'une séparation isotopique qui enrichit le sulfure 32 le fer et des minéraux avec le soufre (sulfures métalliques en biogénique en S, ce qui n'est pas démontré sur ALH84001. particulier). On appelle lithophiles les éléments volatils ou En tous cas, elles sont suffisamment troublantes pour les éléments volontiers “ capturés ” par Si et O (silicates et motiver une part importante du programme d’exploration de oxydes), Mg, Al, Alcalins, alcalino-terreux. Parmi les Mars dans les années à venir. lithophiles, les éléments à gros rayon ionique et/ou à forte Si l’on rapporte les achondrites à de la croûte charge, ont des difficultés à entrer dans les réseaux silicatés planétaire, on assimile corrélativement les sidérites à des stables à haute T° et haute P. Ils ont donc quelques morceaux de noyau planétaire, et les très rares météorites difficultés à entrer dans les minéraux du manteau terrestre. mixtes ( sidérolithes) à l'interface noyau-manteau. Nombre En outre, certains éléments ont une forte tendance à de météorites proviennent donc de ce qui fut sans doute un constituer des complexes très stables dans les liquides ou des corps différencié(s), puis dispersé(s) (Fig. 9). silicatés, préférant ainsi le liquide au solide pour une T° Les datations obtenues sur des achondrites et des d'équilibre donnée. Tous ces éléments sont donc “ distillés ” sidérites convergent vers 4.4 Ga.±0.1, c'est à dire quelques à T° décroissante dans des produits ultimes de cristallisation, centaines de millions d'années au plus après la naissance du et vont constituer ce que Claude Allègre appelle “ l'écume système solaire (4.57 Ga. Allègre et al. 1995.). Cet âge de la Terre ”, ou croûte terrestre, et en particulier les pourrait représenter l'épisode de la différenciation des continents. corps planétaires dans le système solaire. Une sidérite datée à 3.8 Ga. démontre que ce processus de différenciation On imagine ainsi que dans les protoplanètes a pu affecter des corps «très» tardivement dans la rocheuses en fusion, le noyau s'individualise en raison de protohistoire de notre système. Fig. 8 : structures filamenteuses dans ALH84001. Les planètes gazeuses ne sont pas exemptes de Météorite trouvée en 1984 dans la région d'Allan Hills différenciation (cf. Chp. introduction), mais celle-ci est (Antarctique) dans des glaces de 13000 ans. ALH84001, 4.5 beaucoup plus froide (séparation de l'H 2 liquide et Gans, elle provient vraisemblablement de la croûte de Mars et a métallique par exemple) et ne peut donner naissance qu'à du du se former juste après l'accrétion et la différenciation de Mars. gaz lors des collisions avec des météores (e. g. comète de Lévy avec Jupiter en 1994, Fig. 10) et ne peut éjecter des matériaux condensés.

Fig. 9 : formation des météorites différenciées.

http://www.nirgal.net/alh84001.html

- 32 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

3 - le fractionnement isotopique des espèces rapports, en les comparant à ceux d’une substance prise en chimiques référence. Il s’agira d’un carbonate de calcium CaCO 3 référence (bélemnite 13 de la Peedee formation, U.S.A) Lire MC - Geochimie fractionnement - Cisse.htm . Nous avons appelé « PDB standard carbonate », pour étudier les vu jusque-là un ensemble de processus capables de variations 18 O/ 16 O dans le carbonate des coquilles fractionner les éléments chimiques. Mais les processus d’organismes vivants ou fossiles (CaCO eux aussi). Pour physico-chimiques sont aussi capables de fractionner les 3 les variations isotopiques de l’eau, les valeurs standards de différentes espèces isotopiques d’un composé engagé dans référence furent d’abord la moyenne des concentrations ces processus. De tels fractionnements isotopiques des océaniques ( SMOW , « Standard Mean Ocean Water » H. espèces chimiques constituent un outil extrêmement Craig, 1967 ). Mais rapidement (1968) le besoin s’est fait performant pour tracer les processus géochimiques, que le sentir de disposer d’un standard eau pure, plus accessible lecteur retrouvera en des endroits très divers de ce qu’une eau océanique déminéralisée. Le vocable V-SMOW polycopié. On s’intéresse ici aux isotopes stables (non (ocean water) a néanmoins été conservé, avec V pour radioactifs et non radiogéniques), dont la quantité dans un Vienna Standard Mean Ocean Water (du nom de l’Agence réservoir donné n’évolue pas par radioactivité, mais par Atomique Internationale de Vienne). La composition déplacement vers ou depuis un autre réservoir au cours de isotopique de SMOW est donc parfaitement définie 14 . Ces processus physico-chimiques. Nous n’aborderons pas ici le variations de composition sont en fait très petites, et on les cas des isotopes radioactifs d’éléments pères, dont la exprime en unité delta, fonction des rapports R mesurés et décroissance naturelle au cours du temps provoque la standards, exprimée en % telle que : croissance naturelle d’éléments fils dits radiogéniques, o, 3 couples classiquement utilisés en datation. δ = [( REch - Rstd ) / Rstd ].10 Nous décrirons ici sommairement les principes du On appellera ainsi δ18 O d’une eau (prononcer delta fractionnement isotopique d’isotopes stables, en reprenant le O18), l’écart entre la mesure du rapport 18 O/ 17 O faite sur un manuel « Géologie isotopique » de C. Allègre , 2005, partant échantillon d’eau et la valeur standard SMOW de ce de l’exemple de l’eau, constituée de deux H et un O. Ce rapport : 1 18 18 16 18 16 18 16 3 composé comprend ainsi diverses molécules, à base de H δ O = [( O/ OEch - O/ OSMOW ) / O/ OSMOW ].10 (l’hydrogène léger, H), de 2H et 3H (les hydrogènes lourds, Deutérium, D, et Tritium, T), et de trois isotopes de a- Le fractionnement d’équilibre chimique l’oxygène, 18 O, 17 O, 16 O du lourd au léger. Pour molécules 18 16 les plus courantes, nous aurons donc : Voyons la réaction d’échange O˜ O suivante : 18 16 16 18 Si O2 + 2H 2 O ˜ Si O2 + 2H 2 O 18 17 16 1 - H2 O (2.2%) ; H2 O (0.5%) ; H2 O (97%) ; Comme toute réaction chimique elle admet pour 18 17 16 2 - D2 O ; D2 O ; D2 O ; constante d’équilibre (loi d’action de masse) thermo 3 - DH 18 O ; DH 17 O ; DH 16 O (0.3%) ; dépendante (Ln K = a’ +b’/T +c’/T 2) 16 18 2 18 16 2 K(T) = (Si O2).(H 2 O) / (Si O2).( H2 O) Notons que quatre espèces isotopiques seulement sont > 0.1%, dont une qui domine largement. H. Urey a montré (mécanique statistique quantique) que si K est bien voisine de 1, elle est néanmoins différente On peut donc considérer que tout composé constitué de 1, et pour une réaction d’échange d’isotopes entre deux d’éléments présentant des isotopes sera, en quelque sorte, composés, A et B , constitués de deux isotopes is1 et is2 marqué par un ensemble de rapports isotopiques d’un élément commun aux deux composés, caractéristiques. Si un tel composé est engagé dans un processus, chimique ou physique, les différences de masse aA is1 + bB is2 ˜ aA is2 + bB is1 entre les isotopes aura pour effet de fractionner les espèces Selon la thermodynamique statistique, la constante légères et lourdes de ce composé. Quatre types de d’équilibre s’écrit : fractionnement peuvent se produire : a b K(T) = [Q(A is2 )/Q(A is1 )] . [Q(B is1 )/Q(B is2 )] 1 - fractionnements d’équilibre, 1) chimique 2) physique ; Où les fonctions Q(A is1 ), Q(A is2 ) …etc., sont 2 - fractionnements cinétiques, 3) transport 4) réaction. appelées fonctions de partition des différentes molécules isotopiques. Le spectromètre de masse, outil qui mesure simultanément les concentrations isotopiques en séparant Avec, pour chaque composé, deux molécules (1 et 2), spatialement les espèces différentes par application de la constituées respectivement des isotopes is1 et is2: force centrifuge lors de leur déplacement (Fig. 11), permet M1 et M 2, les 2 masses des deux molécules d’accéder avec précision à ces rapports isotopiques. Aussi utilise-t-on communément les variations de ces

Fig. 11 : schéma simplifié d’un spectromètre de masse. 13 Bélemnite = sorte de seiche fossile chez qui le rostre calcaire, minuscule pointe de l’os chez la seiche actuelle, était très largement développé. 14 Composition du standard SMOW: 2H / 1H = 155.76 ±0.1 ppm 3H / 1H = 1.85 ±0.36 10 -11 ppm 18 O / 16 O = 2005.20 ±0.43 ppm 17 O / 16 O = 379.9 ±1.6 ppm 1ppm = 1 10 -6.

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σ1 et σ2, leurs nombres de symétrie ; 0.918)/(1-0.9911) = environ 9 fois plus fort que celui de l’ 18 O. La température doit en effet être précisée car, E et E , leurs niveaux d’énergie (rotation-vibration) 1 2 reprenant l’expression de Clapeyron α= a/T +b, on remarque I1 et I 2, leurs moments d’inertie que le coefficient de fractionnement isotopique physique est Le rapport des fonctions de partition pour cette lui aussi dépendant de la température. molécule

3/2 (E2/kT) c- Le fractionnement cinétique de Q2/Q 1= (s 1/s 2).(I 1/I 2).(M 2/M 1) .[ Σ exp /.[ Σ exp (E1/kT) ] transport Fait apparaître deux caractères essentiels de la Lorsqu’un processus engage un phénomène de réaction d’échange isotopique: transport, l’énergie utilisée pour ce transport va se traduire par des différence de la vitesse acquise par les différents 1 - Le fractionnement entre deux espèces isotopiques est composés transportés en fonction de leur masse, en respect proportionnel au rapport des masses de ces espèces ; de la loi E = ½ mv 2 Pour deux espèces isotopiques 1 et 2 2 - La thermo dépendance de K, plus la T° augmente, plus d’un composé, les vitesses v1 et v2, auxquelles les K est proche de 1, plus le fractionnement des deux molécules isotopiques 1 et 2 se déplacent sont fonction de espèces est faible. leurs masses m1 et m2. On définit le coefficient de fractionnement isotopique Le coefficient de fractionnement isotopique cinétique chimique α, dépendant de la température, de transport, est donc de la même forme que le rapport des 1/2 αAB = (A is2 / A is1 ) / (B is2 / B is1 ) vitesses v1/v2 = (m2/m1) : 1/2 Les coefficients α et K sont liés par la relation a léger-lourd = v léger /v lourd = (m lourd /m léger ) α = K 1/n Lors du déplacement d’une masse d’air par exemple, 16 où n est le nombre d’atomes échangeables dans cet les molécules de dioxygène O2 sont fractionnées par 17 équilibre. Dans le cas de l’échange des isotopes 16 et 18 de rapport aux molécules un peu plus lourdes de O2, l’oxygène entre une espèce de SiO2 (e.g. Quartz) et de l’eau, enrichissant l’air transporté comme suit : 16 17 1/2 le nombre d’atomes échangeables est n = 2. a ( O2- O2) = (2 x17 / 2 x16) = 1.03078 Contrairement aux précédents coefficients de b- Le fractionnement d’équilibre physique fractionnement isotopique, celui de cinétique de transport Un fractionnement isotopique intervient aussi lors est indépendant de la température ; il ne dépend que du des changements de phase d’un composé. Ainsi, pour l’eau rapport des masses des molécules isotopiques. lors de l’évaporation ( e.g. au-dessus des océans) et lors de la précipitation (pluie ou neige), on peut s’attendre à un d- Le fractionnement cinétique de réaction fractionnement de l’oxygène, entre 18 O et 16 O de masses très Les vitesses de réaction de deux molécules différentes, mais aussi à un fractionnement de l’hydrogène isotopiques d’un composé donné dans une réaction chimique entre 1H et D, lors de l’évaporation ( e.g. au-dessus des ne sont pas non plus exactement les mêmes. Les molécules océans) et lors de la précipitation (pluie ou neige). légères sont un peu plus réactives, d’une part parce qu’elles Continuant notre lecture de l’ouvrage de C. Allègre, se déplacent plus vite et accroissent ainsi leur nombre de nous définirons la pression partielle Pgaz d’une espèce collisions avec les autres réactifs, d’autre part parce qu’elles gazeuse présente à la concentration X gaz dans un mélange sont un peu moins stables que leurs sœurs lourdes. C. comme : Allègre prend ici l’exemple de l’oxygène dans la réaction Pgaz = Ptotale . X gaz d’oxydation du carbone C + O 2 → CO 2 ; en raison des Pour des espèces d’eau différentes par leurs isotopes abondances naturelles des isotopes de l’oxygène, deux de l’oxygène, lors de l’évaporation de l’eau liquide, réactions sont dominantes : 16 16 → 16 16 l’équilibre liquide ˜ gaz conduit à écrire (loi de Henry) : C + O O C O O de cte cinétique nommée K 16 16 gaz 16 16 18 → 16 18 P(H 2 O) = P totale . X (H 2 O), C + O O C O O de cte cinétique nommée K 18 18 gaz 18 P(H 2 O) = P totale . X (H 2 O), Et l’on peut montrer, connaissant les concentrations et considérant le mélange comme un gaz parfait, avec deux molécules isotopiques des réactifs et des produits que P°, pression de vapeur saturante : le coefficient de fractionnement isotopique cinétique de 16 liq 16 16 α P(H 2 O) = X (H 2 O) . P°(H 2 O) réaction est de la forme = (K 18 /K 16 ) 18 liq 18 18 P(H 2 O) = X (H 2 O) . P°(H 2 O) Ce coefficient de fractionnement cinétique est-il lui Le coefficient d’échange α lors de la vaporisation ne aussi indépendant de la température ? La différence de sera donc dépendant des pressions de vapeur saturante des réactivité des molécules isotopiques provient de différences deux espèces, il sera de la forme de vitesse, donc d’énergie, donc de la température ? A 18 16 αvap-liq = P°(H 2 O) / P°(H 2 O) PRIORI, la température devrait favoriser le fractionnement, mais l’échange isotopique est lui aussi un processus Or le liquide le plus dense est le moins volatil, donc cinétique favorisé par la température. Ce double processus αvap-liq <1 se traduit par une courbe « Fractionnement versus Dans le cas de l’eau pris en exemple, les coefficients température » en cloche ; dans un domaine de relativement de fractionnement, à 20°C, sont : basse température, une élévation de la température α(18 O) =0.9911 ; α(D) =0.9180 augmente le fractionnement jusqu’à un maximum ; au-delà Le fractionnement à 20°C du Deutérium est donc (1- l’échange devient dominant conduit vers un fractionnement

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de plus en plus faible. Pour l’heure, nous ne disposons pas d’Allende (Mexique). Les observations sont les suivantes : d’une expression générale décrivant cette compétition des 1 - le rapport 26 Mg / 25 Mg y est anormalement élevé par deux processus. rapport à celui des autres matériaux connus (même très Lors des transferts du minéral vers le vivant les anciens) ; processus biologiques opèrent aussi un fractionnement qui 2 - cet excès du rapport des 2 isotopes du Mg est corrélé à favorise les isotopes légers. On observe ainsi un la teneur en 27 Al de ces minéraux. enrichissement des plantes en 12 C par rapport au 13 C par le 25 27 biais de la synthèse chlorophyllienne, processus de Les deux isotopes Mg et Al sont stables, et donc réduction du CO 2 atmosphérique en C incorporé dans des leurs quantités n’ont pas varié depuis le stade initial, c. à d. molécules organiques depuis la constitution du nuage de gaz protosolaire. Par contre, 26 Al est un isotope instable, et il donne du 26 Mg par désintégration β; ( 26 Al → 26 Mg + β+) Donc, avec le D - Les chondrites, météorites non temps, et tant qu’il restera du 26 Al, le rapport 26 Mg / différenciées 25 Mg sera croissant . Bien évidemment, cet accroissement est d’autant plus fort que la teneur initiale en 26 Al est Lire aussi MC - Meteorites - Non differentiees Chondrites - importante. Par conséquent, on peut affirmer 15 que, quelle BenFadhel-Cisse-Padet-Sautier-Turon.htm ; MC - Planeto - Differentiation qu’ait été la valeur du rapport initial des deux isotopes de planetaire - Badji-BenFadhel &Turon.htm l’Aluminium 26 Al et 27 Al dans la nébuleuse, plus il entrait d’ L’épisode de différenciation que nous retracions plus 27 Al (stable) dans un minéral de notre chondrite en train de avant est en fait déjà le second phénomène qui affecte notre se former, plus il y entrait aussi de 26 Al (radiogénique), et système solaire encore tout jeune. Il se situe en effet donc plus le rapport 26 Mg/ 25 Mg était susceptible d’évoluer à nécessairement après celui de la condensation de la la hausse ensuite. Inversement, la corrélation positive nébuleuse solaire en une multitude de corps minuscules observée de nos jours entre ce rapport 26 Mg/ 25 Mg et la rendus plus ou moins massifs par accrétion. L’étude des quantité de 27 Al (inchangée depuis le départ) démontre que chondrites va maintenant nous permettre d’accéder à cet lorsque les minéraux de la chondrite d’Allende se sont épisode précoce de notre histoire. formés, il existait encore du 26 Al. (Lire Rappelons que si elles proviennent bien elles aussi de cours_2008_2009_geotherme.ppsx ). L’extraordinaire dans cette la ceinture d’astéroïdes, les chondrites s'opposent au reste découverte réside dans le fait que la période de 26 Al, des météorites (achondrites) par leur texture juxtaposant des extrêmement courte ( λ = 740 000 ans), impose que les chondres chauds dans une matrice froide mais aussi par leur minéraux des chondrites de type Allende aient été formés composition voisine de celle du Soleil et que seule la très tôt, à peine 10 millions d’années après l’explosion de composition en éléments volatils des chondrites diffère la Nova qui ensemença notre nuage en 26 Al. Outre le fait significativement de celle du soleil (fig. 6d). L’ensemble de que d’autres radionucléides éteints ( 53 Mn, 60 Fe, 129 I, 146 Sm, ces caractéristiques, auxquelles s’ajoute l’existence de 182 Hf, 244 Pu) sont venus depuis conforter ce modèle chondrite ayant subi un début de fractionnement (les d’effondrement–expulsion suivi d’un refroidissement rapide, achondrites primitives) conduit nécessairement à penser que il semble que le 41 Ca ( λ = 100 000 ans !) soit en passe les chondrites sont des objets restés en marge de l’évolution d’imposer des contraintes de temps encore plus drastiques. du système depuis leur formation, en particulier lors de la différenciation des corps massifs du système. Seules les Cela impose aussi des contraintes de distance comètes que nous verrons plus loin sont probablement nécessairement courte entre la Nova qui donne naissance à encore moins évoluées. ces isotopes à vie courte et le gaz protosolaire, qui fut suffisamment pollué pour porter la trace de radioéléments encore vivants juste après son effondrement. 1 - Objets très précoces Ces cailloux exceptionnels nous invitent clairement à Les chondrites sont toutes datées à 4.55 Ga. ± 0.1 par faire un petit retour en arrière, sur l'épisode de contraction méthode Rb-Sr. C’est donc dire qu’elles ont à peu près l’âge de la nébuleuse protosolaire et sa condensation, allons-y. du système lui-même. Parmi elles, les chondrites carbonées, en particulier celles dites de type CI (I pour Iruna, Rappelons tout d’abord que depuis son allumage, Tanzanie), sont considérées comme les objets les plus notre Soleil reste bloqué au stade étoile ordinaire, et que tant primitifs que nous ayons échantillonnés dans le système qu’il lui restera de l’Hydrogène à brûler en Hélium, et il ne solaire. La météorite du Lac Tagish, (Canada, 2000), celle produira rien d’autre que cet Hélium. Ce n’est qu’à ce stade d’Allende (Pueblito de Allende, Mexique, 1969) ainsi que que son effondrement gravitaire pourra reprendre vers de celle d’Orgueil (France, fin XIX°) sont parmi les plus plus hautes pressions et de plus hautes températures, primitives jamais trouvées, et celle du lac Tagish contient jusqu’au stade de Géante Rouge. Il ne dépassera d’ailleurs des poussières interstellaires et des composés organiques pas ce stade, sa masse étant trop faible. Il ne peut donc être semble-t-il plus vieux que le Soleil ! Les CAIs sont le père des éléments lourds qu’il contient actuellement. légèrement plus âgés que les chondres, respectivement Seules les étoiles massives en fin de vie comme les 4.567 GA environ (+- 1Ma) contre 4.564 environ (+- 1Ma). géantes rouges, ou mieux encore les étoiles de type Nova Pour HC Connolly et R. H. Hewins (1995), cette période très mouvementée de création de notre étoile n’a duré en fait qu’un laps de temps extrêmement court. La première preuve nous en fut donnée en 1976, par l’étude des 15 Sachant que les phénomènes de cristallisation sont isotopes du Magnésium des minéraux de la chondrite CI incapables de séparer des isotopes. - 35 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

Fig. 12 : la nébuleuse d'Orion, pouponnière d'étoiles. Fig. 13a : la naissance d'une étoile (Brahic et al. ).

http://apod.nasa.gov/apod/ap990914.html

(avec les étoiles Wolf-Rayet) sont capables de fabriquer des éléments lourds (Masse Atomique>Fe). On observe aujourd’hui des nuages certainement comparables à ce que fut le nôtre (fig. 12) ; ils ont une taille considérable, jusqu'à 200 A.L., et une origine elle aussi indubitablement complexe. En outre, ils contiennent des grumeaux plus froids, et donc plus denses, que le nuage lui- même (10K). Dans un tel gaz les éléments s’associent au moins partiellement en molécules, plus ou moins complexes (e.g. H 2O = eau ; MgSiO 3 = enstatite, un pyroxène). Tout semble avoir commencé pour nous il y a 4.57 Ga., soit sous la pression même du gaz provenant de la Nova qui ensemença notre gaz en éléments lourds, soit lors de la traversée de notre nuage déjà ensemencé par un bras galactique (onde de densité), comme cela semble se passer de nos jours pour les étoiles jeunes dans la nébuleuse d'Orion (e.g. 4 étoiles très lumineuses in Fig. 12, nimbées de lumière réfléchie par la poussière qui les entourent encore). Une telle onde de densité pourrait provoquer la fragmentation de ce nuage en globules, puis leur effondrement. L'un de ces grumeaux, que l’on nomme globules de Bok , aurait été la nébuleuse protosolaire. Le passage du stade grumeau au stade étoile est encore très mal compris. Le confinement qui en résulte représente une augmentation de densité de 10 20 ! La figure 13a en résume les principales étapes: peu après création du globule, son effondrement commence. La chaleur du nuage, son champ magnétique et sa vitesse s'y opposent, et le scénario de contraction gravitaire serait bloqué à ce stade si l'étoile en formation ne pouvait expulser une grande quantité de son énergie sous forme de jets polaires (Fig. 13b) confinés par le champ magnétique de l’étoile, qui éjectent ainsi de la matière à des vitesses considérables (quelques centaines à plus de 1000 Km s -1). L'effondrement du globule en rotation provoque la concentration de la matière dans le plan équatorial et en son centre, où la pression s’accroît et provoque la condensation du gaz de la nébuleuse, et où la température s’accroît jusqu’à ce que s’allume la réaction nucléaire de l’Hydrogène en Hélium. L’énergie dégagée s’oppose dès lors à l’effondrement gravitaire, qui va rester bloqué durant toute cette étape de combustion tranquille qui dure depuis 4.56 Ga. Et devrait durer encore 10 à 15Ga environ…

- 36 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 13b : image des jets bipolaires (en rouge pour HH30 et blanc pour CRL 2688.

l’étoile n’est pas visible en raison de la forte extinction provoquée par le disque circum stellaire, très sombre . l’étoile HH 30 Nébuleuse de l’Oeuf http://www.astrosurf.com/stog/Travaux-Recherches-%C9tudes/NGC2261/2261osj.htm

Tableau 6 : classification de Goldschmidt des éléments chimiques: • Réfractaires Tc 1400 K (T°condensation)> • Modérément réfractaires Tc~1300 K • Modérément volatils 800 K<1200 K • Volatils Tc< 800 K Eléments lithophiles. Ce sont des éléments qui sont localisés préférentiellement dans les roches silicatées (manteau, croûtes) et qui n'ont aucune affinité pour le fer et ses alliages (noyau). Ils peuvent être réfractaires ou volatils. On peut distinguer : • Lithophiles réfractaires : Be, Al, Ca, Sc, Ti, V, Sr, Y, Nb, Ba, terres rares, Hf, Ta, Th, U • Lithophiles modérément réfractaires : Mg, Si, Cr • Lithophiles modérément volatils : Li, B, Na, K, Mn, Rb, Cs… • Lithophiles volatils : F, Cl, Br, I Eléments sidérophiles . Ce sont des éléments qui ont une affinité pour la phase métallique et sont localisés préférentiellement dans le noyau. Ils peuvent être réfractaires ou volatils. Ainsi on peut distinguer : • Sidérophiles réfractaires : Mo, Ru, Rh, (W), Re, Os, Ir, Pt • Sidérophiles modérément réfractaires : Fe, Co, Ni, Pd • Sidérophiles modérément volatils : P, Ge, (As), Sn, (Pb), (Sb) , Au • Sidérophiles volatils : C, Tl, Bi Eléments chalcophiles . Ce sont des éléments qui ont un comportement comme le soufre. Ils sont très volatils. • Chalcophiles volatils : Cu, Ag, (Ge), (Cr), (Sn), (Mo), Pb, (Fe), Zn, Cd, Hg, As, Sb, Ga, , In, S, Se, Te Eléments atmophiles . Ce sont tous des éléments très volatils. Ils se retrouvent préférentiellement dans l'atmosphère et l'océan. • H, He, C, N, O, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn

2 - Produits de la condensation Fig. 14a : la séquence de condensation dans la nébuleuse proto-solaire de la nébuleuse à P=10 -4 Atm, d’après Grossman et Larimer 1974. L’opposition de nature entre les CAIs plus les chondres — constitués de silicates de haute Température plus diverses phases minérales dont certaines espèces (sulfures, nitrures entre autres) inconnues sur Terre et témoignent parfois d'un environnement extrêmement réducteur — et la matrice hydratée et carbonée donc restée froide, impliquent une naissance plus complexe que ce que pensaient certains, qui suggéraient que les chondrites carbonées étaient issues des comètes. Lors de la phase d’effondrement du nuage, jusqu’à l’allumage de l’étoile, il s’établit un gradient de densité et de température décroissant en allant vers la périphérie du nuage de gaz. Il s’établit donc un profil de température qui, selon Grossmann et Larimer (1974, fig. 14a), a guidé la condensation du gaz de la nébuleuse, en fonction du caractère plus ou moins réfractaire des éléments chimiques (Tableau 6). Il faut bien comprendre que ce gradient http://bibliotheque.clermont -universite.fr/sites/files/portail/documents/mercrediscience/Devouard1.pdf - 37 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Tableau 6 : classification des éléments chimiques: • Réfractaires Tc 1400 K (T°condensation)> • Modérément réfractaires Tc~1300 K • Modérément volatiles 800 K<1200 K • Volatiles Tc< 800 K Eléments lithophiles. Ce sont des éléments qui sont localisés préférentiellement dans les roches silicatées (manteau, croûtes) et qui n'ont aucune affinité pour le fer et ses alliages (noyau). Ils peuvent être réfractaires ou volatils. On peut distingue r : • Lithophiles réfractaires : Be, Al, Ca, Sc, Ti, V, Sr, Y, Nb, Ba, terres rares, Hf, Ta, Th, U • Lithophiles modérément réfractaires : Mg, Si, Cr • Lithophiles modérément volatiles : Li, B, Na, K, Mn, Rb, Cs… • Lithophiles volatiles : F, Cl, Br, I Eléments sidérophiles . Ce sont des éléments qui ont une affinité pour la phase métallique et sont localisés préférentiellement dans le noyau. Ils peuvent être réfractaires ou volatils. Ainsi on peut distinguer : • Sidérophiles réfractaires : Mo, Ru, Rh, W, Re, Os, Ir, Pt • Sidérophiles modérément réfractaires : Fe, Co, Ni, Pd • Sidérophiles modérément volatiles : P, Cu, Ga, Ge, As, Ag, Sb , Au • Sidérophiles volatiles : Tl, Bi Eléments chalcophiles . Ce sont des éléments qui ont un comportement comme le soufre. Ils sont très volatils...... • Chalcophiles volatiles : S, Se, Cd, In, Sn, Te, Hg, Pb Eléments atmophiles . Ce sont des éléments très volatils qui se retrouvent préférentiellement dans l'atmosphère et l'océan. • H, He, C, N, O, Ne, Ar, Kr, Xe

Tableau 7 : série de condensation à l’équilibre d’un gaz de composition solaire à T° donnée ( ou à une distance donnée du centre de la nébuleuse), tout ce qui est au dessous de la température est solide, tout ce qui est en dessus est gazeux. K Chimie des condensats 1 600 K Condensation des oxydes réfractaires (CaO, Al O , oxydes de titane, 2 3 Champ du Fer zirconium) 1 300 K Condensation de l’alliage Fer-Nickel 1 200 à 490 K Condensation de l’enstatite MgSiO , et réaction avec FeO pour donner 3 Champ des silicates Fe xMg (1-x)SiO 3 1 000 K Na réagit avec Al O et les silicates pour former Feldspaths et minéraux 2 3 alcalins 550 à 425 K H2O se combine aux minéraux CaMgFe (amphibole, serpentine) 175 K La vapeur d’eau se condense en glace Champ des glaces

150 K NH 3 gazeux réagit avec la glace et forme un hydrate solide (NH 3,H 2O)

120 K CH 4 gazeux réagit avec la glace et forme un hydrate solide (CH 4,H 2O) < 120 K Condensation des derniers gaz résiduels (Ar, N2) < 20K Condensation de l'H et l'He (n'arrivent jamais dans la nature)

n’a rien de statique, et qu’au fur et à mesure de la des silicates ferromagnésiens (e.g. olivine –pyroxène), condensation du gaz, des régions encore froides devenaient pour voir enfin à T<600K la molécule OH se chaudes. condenser avec les silicates (pour former des amphiboles par exemple). Nous sommes dans le champ L’augmentation de température du système a dû du fer et des silicates (tableau 7 site ENS Lyon ); s’arrêter avec l'arrêt de l'effondrement du Soleil, c’est à dire lorsque les réactions nucléaires se sont allumées, et le 2 - Loin du Soleil, en dessous de 175K, les éléments ou système a pu commencer à se refroidir. Avec le molécules plus volatils se condensent à leur tour, et refroidissement du système solaire, un point situé à une l’on pénètre dans de monde de la glace d’eau et des distance donnée du soleil voit alors la séquence progresser hydrates d’ammoniac ou de méthane (tableau 7). Les dans le temps de la gauche vers la droite. A la fin du silicates et le fer sont encore présents, mais se couvrent processus, on distingue deux régions : d'un givre glacé, donnant un mélange fer-silicates- glaces baignant dans un mélange gazeux fait 1 - Dans le voisinage chaud du soleil, seuls les éléments d’Hydrogène et d’Hélium. Notons que la température ou molécules les plus réfractaires peuvent se condenser n'est jamais assez basse pour que l’Hydrogène et en poussières solides. Les autres éléments ou l’Hélium se condensent. molécules y sont bien présents, mais restent à l’état gazeux ; avec la distance au soleil nous rencontrons On situe la limite entre ces deux domaines au niveau d’abord le domaine des oxydes réfractaires de Ca, Al, de la ceinture d’astéroïdes entre Mars et Jupiter (environ 750 Ti, puis celui des métaux (e.g. Fe et Fe-Ni), puis celui millions de km du centre du nuage, Fig. 14b, page suivante),

- 38 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 14b : la séquence de condensation. A une distance correspond une température et donc différents types de corps formés lors du refroidissement.

car c’est d’ici que viennent les chondrites, dont on sait Néanmoins, il ne s’agit là que d’un des scénarios qu’elles contiennent une matrice riche en volatils parfois possibles, et la formation des chondres garde encore carbonée et même riche en eau, et l’on constate en outre largement son mystère Le fait que ces fameuses gouttelettes qu’en deçà de cette limite, la phase de condensation- résulte d’une fusion reste très surprenant pour des accrétion a mené aux planètes telluriques, alors qu’au-delà condensats, car sous les basses pressions qui règnent dans elle s’est traduite par la formation des planètes gazeuses. une nébuleuse, la phase liquide ne devrait pas exister. Sont- ils formés en un instant lors de chocs entre planètésimaux ? Selon ce schéma de condensation, les CAIs se Volcanisme d’astéroïdes ? Condensation chaude ? Aucune seraient donc formés au-dessus de 1500K et les chondres de ces hypothèses ne répond à l’ensemble des questions apparaissent comme des condensats à peine moins chauds (ils se formeraient vers 1300K). Ils sont donc anormalement posées par ces microbilles (texture, composition). Nombre chaud vis-à-vis de la matrice froide qui fut capable de de chercheurs tendent alors à penser que leur formation résulte d’un chauffage transitoire et rapide, au sein de la condenser des volatils. Il faut donc imaginer qu’ils se sont nébuleuse, dans un environnement ne dépassant pas les formés au voisinage du Soleil, dans les mêmes régions que 650K ; collision des petits cors métriques ? Chauffage par les planètes telluriques, au sein du disque de matière en friction entre grains de poussière durant l’effondrement ? cours d’accrétion, dans lequel les planètes vont bientôt apparaître. La présence de chondres à inclusions de Flashs magnétiques provenant du Soleil ou reconnexion des réfractaires Al-Ca dans certaines chondrites laisse même à lignes du champ solaire qui s’allume à un champ externe ? Souffle de chaleur accompagnant le vent solaire très fort de penser que leur condensation pourrait avoir eu lieu très près la phase T-Tauri 17 ? Un quelconque phénomène encore du Soleil, comme pour les CAIs, à l’intérieur de l’orbite de entièrement inconnu ? Les possibles sont nombreux…. la future Mercure. Il faut donc ensuite transporter ces L’histoire des chondrites s’arrête au stade accrétion ; elle est condensats chauds vers des régions plus éloignées et froides, dans le champ des glaces. Durant la phase d’accrétion seulement suivie (Fig. 15) de la fragmentation des petits cailloux ainsi formés dans la ceinture d’Astéroïdes, que le planétaire, le champ de gravité des planètes s’est accru, et hasard des changements de trajectoire propulsera peut-être les corps massifs ont pu agir très tôt vis à vis des nombreux vers la Terre. projectiles légers croisant dans leur environnement comme des frondes 16 . Ce modèle de condensation permet aussi de mieux

Fig. 15 : schéma de formation des chondrites. 16 C’est probablement ainsi que l’énorme pesanteur des deux planètes géantes, Jupiter et Saturne a pu faire le vide de tous les petits objets situés dans leur environnement, voir même peut-être Pluton( ?), et contribuer à enrichir la ceinture de Edgeworth-Kuiper et le nuage de Oort en corps glacés. Les planètes telluriques ont pu elles aussi renvoyer des condensats chauds vers des régions plus externes, mêlant ainsi condensats chauds ou très chauds venus de l’intérieur 17 Le vent stellaire de la phase précoce, dite T. Tauri (étoile et matériel froid probablement condensé in situ. Certains de T du Taureau) est très intense et a probablement expulsé ces condensats mixtes se seraient trouvés piégés dans la vers l'extérieur du tout jeune système solaire les matériaux ceinture d’astéroïdes, et auraient subi ici des débuts de non encore condensés (gaz nébulaire, poussières ?), voire différenciation menant à des achondrites primitives, des même probablement les atmosphères primaires des planètes cailloux, des planètésimaux ou enfin des planètoïdes (Lire rocheuses (cf. chapitre 5). Peut-être faut-il voir là aussi une MC - Planeto - Planetoides - Padet.htm ) avortés, éventuellement des causes possibles de la distribution des masses différenciés puis fragmentés comme nous l’avons vu plus volumiques moyennes des corps planétaires au sein du avant. système solaire.

- 39 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

comprendre la composition chimique des Fig. 16a-b : a) contenu isotopique des chondrites hérité d’un mélange de nébuleuses. δ17 δ18 planètes géantes. Au-delà de la ceinture ordonnées O (°/ °° ), abscisse O (°/ °° ) b) agrandissement du carré jaune d’astéroïdes, la glace d’eau pouvait se condenser ; or l’hydrogène et l’oxygène sont deux des éléments les plus abondants dans le gaz nébulaire, et de ce fait, la glace d’eau devenait dominante dans cette région. Ces poussières de glace riches en ammoniac et hydrocarbures s'agglomèrent pour former des gros corps glacés (constitués de glace à 60 %), dans un environnement froid, qui acquirent alors une gravité suffisante pour retenir l'hydrogène et l'hélium de la nébuleuse dans leur atmosphère. Quatre corps faits de fer, silicate et surtout glaces (les noyaux

des futurs Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) se sont ainsi entourés d'une énorme masse de gaz, nuage de gaz protosolaire ; le choix reste ouvert. devenant de ce fait les 4 planètes géantes. Dans leur 2 - la répartition des rapports isotopiques 17 O/ 16 O et voisinage, des corps glacés trop petits pour capturer et 18 O/ 16 O est différente chez les chondrites de celle retenir une atmosphère sont devenus des satellites de glace, que l’on trouve tant dans les océans que dans les excepté les satellites les plus internes de Jupiter, comme Io roches terrestres, comme le montre le diagramme de (purement ferro-silicatés) et Europe (corps ferro-silicaté variation des isotopes de l’oxygène, δ18 O versus δ17 O recouvert seulement d’une centaine de km d'eau), situés (fig. 16, d’après Rubin 2000 18 ). dans les corps à densité>2.7 (cf. introduction Fig. 3, première séquence des densités). Peut-être la masse Ce second point est complexe et nécessite un exceptionnelle de Jupiter a-t-elle reproduit dans son développement. L’oxygène est l’élément condensé le plus voisinage les conditions de hautes pressions et hautes abondant du système solaire. Par conséquent les anomalies températures que l’on retrouve à proximité du soleil ? Ceci isotopiques qu’il présente doivent révéler de phénomènes expliquerait pourquoi les satellites les plus externes de majeurs. Dans le diagramme de la figure 16, où l’eau des Jupiter sont des satellites de glace, comme Ganymède et océans est prise en référence (en X, δ17 O/ 16 O=0 ; en Y Callisto (séquence des densités moyennes). Peut-être les δ18 O/ 16 O=0, cf. § 2.C.2), les roches terrestres, les météorites marées de Jupiter sur ses satellites proximaux (comme Io) achondrites plus les matériaux lunaires sont tous distribués sont-elles trop fortes, et dégagent-elles trop de chaleur pour sur une même droite. Cela suggère que tous ces objets sont que de la glace y subsiste ? Ganymède et Callisto, peu hérités d’un système qui fut initialement homogène, et chauffés, auraient gardé l'intégralité de leur glace ? qu’aucune des modifications, réactions et transformations qui ont pu se produire ensuite n’ont été capable de modifier Au-delà de Neptune, la densité des agglomérats de 17 16 18 16 matière est semble-il toujours restée trop faible pour le rapport O/ O indépendamment du rapport O/ O. Cela permettre la constitution d’un objet de type planète gazeuse. est généralement admis comme vrai car les réactions La ceinture d’Edgeworth-Kuiper serait le résultat de l’étape chimiques respectent la conservation de la masse, et donc de condensation froide de cette région, et ses corps les plus tous les phénomènes chimiques que le système solaire a gros résulteraient de cette agglomération protoplanétaire connus en 4.57 Ga., s’ils ont pu altérer ces 2 rapports « avortée ». Dans un tel schéma, Pluton et son satellite isotopiques (e.g. différentiation des roches terrestres), l’on Charon ne constituent que des avatars excentriques issus de sans doute fait en conservant la proportionnalité des masses cette ceinture. atomiques des isotopes (cf. § 2.C.2). Par conséquent, on admet que si un processus 3 - Vers une contribution de plusieurs étoiles à chimique a provoqué une modification du rapport initial 17 16 la chimie de notre Soleil ? O/ O en l’accroissant par exemple de une unité (δ17 O/ 16 O=1), il aura produit corrélativement une Ce modèle de condensation – accrétion suppose, au augmentation du rapport 18 O/ 16 O de 2 unités ( δ17 O/ 16 O=2), moins en première approximation, que le gaz nébulaire car la différence de masse 18 O-16 O est deux fois plus grande initial était homogène. Toutefois, en y regardant de très près, que celle de 17 O-16 O. La droite reliant des échantillons ayant R. N. Clayton, L. Grossman et T.K. Mayeda ont observé subi de tels processus dans figure 16 est donc logiquement en 1973 dans les CAIs de la chondrite carbonée Allende que de pente ½, c’est le cas des matériaux du couple Terre Lune. la diversité de composition chimique des chondrules des Conformément à cette hypothèse, la pente de la droite de chondrites est non négligeable. Leur analyse isotopique a corrélation dans le diagramme de la figure 16 est de 0.52. mis en évidence des hétérogénéités de composition : Or on constate aussi dans la figure 16 que les 50 1 - la composition isotopique en Ti des chondres de la rapports des minéraux des échantillons de chondrites 19 ne se population des chondrites est hétérogène ; e n première hypothèse, cette variabilité pourrait refléter

un processus de fractionnement héliocentré très précoce au sein de la nébuleuse pré-planétaire, et en 18 Adresse web : http://mon.univ- seconde hypothèse, elle pourrait refléter la contribution montp2.fr/claroline/backends/download.php?url=L01ldGVvcml0ZXMvR0xTVDIwM l9Qb2x5X01ldGVvcml0ZXNfMi5wZGY%3D&cidReset=true&cidReq=GLST202 de plusieurs étoiles différentes dans la constitution du 19 Attention, le raisonnement est conduit ici sur les minéraux - 40 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

Fig. 17 : hétérogénéité isotopique des chondrites héritée de la nucléosynthèse. sont en en fait incapables de traverser le nuage moléculaire. Ainsi, les oxygènes 18 O et 17 O, séparés du C, sont libres de se recombiner avec de l’hydrogène, fabriquant alors de la glace enrichie en 17 O et en 18 O. On appelle ce processus “self-shielding” car il crée un écran auto-protecteur du CO constitué d’ 16 O dans le disque en cours d’accrétion autour de l’étoile, augmentant ainsi considérablement la fraction 16 O dans le CO par rapport à l’eau. On retrouverait alors cette eau enrichie en isotopes lourd condensée plus tard dans les matériaux planétaires. On a pu en outre observer que certaines bordures de CAIs présentent un rapport isotopique plus proche des matériaux terrestre. Cela suggère que les CAIs ont dû quitter rapidement leur région distribuent pas sur cette droite, et en particulier que les CAIs initiale de formation. Inversement, certaines et les chondrites carbonées constituent une autre droite, de franges extrêmes de CAIs sont plus riches en 16 O, pente 1, qui, dans notre hypothèse, ne peut être obtenue à témoignant sans doute d’un retour vers le Soleil ? partir du même système initial par de simples réactions Par ailleurs, en étudiant non plus la population des chimiques. La droite de pente 1 fut alors interprétée comme chondrites mais les chondrites une à une, H.C. Conolly un mélange entre deux réservoirs, dont l’un avait la même (1995) a montré qu’au sein même de chaque chondrite composition isotopique que l’oxygène du système solaire, et étudiée, le 54 Cr semble présenter des hétérogénéités 16 l’autre correspondait à une composante de O pur (jusqu’à isotopiques d'une espèce minérale à l'autre. Cet élément (du 16 5 p.100 en O pur dans certains minéraux des inclusions groupe du fer réputé très stable) est formé par réfractaires). Une origine extérieure au système solaire des nucléosynthèse dans les étoiles massives lorsque qu'elles 16 anomalies en O paraissait donc l’explication la plus atteignent la fin de leur vie, Nova et en particulier vraisemblable, et fut attribuée à des processus nucléaires de Wolf-Rayet . Comme pour chaque élément, chaque étoile combustion explosive dans une supernova. On pensait enfin massive, où a lieu la nucléosynthèse du Chrome, est démontré que des phases minérales dans les inclusions caractérisée par un flux de neutrons qui lui est propre, et l'on réfractaires des chondrites carbonées contenaient des peut penser en corollaire qu'elle possède sa signature fractions qui n’avaient pas été homogénéisées avec isotopique, en fabriquant des isotopes riches en neutrons l’oxygène solaire. d'un élément dans des proportions spécifiques; ceux du Mais il n’en était rien. En 2005, la composition Chrome montrent que deux cas peuvent alors se produire, isotopique de l'oxygène présent dans le Soleil était analysée (Fig. 17) : au CRPG de Nancy dans un fragment du sol lunaire prélevé 1 - A gauche, les produits de la nucléosynthèse de par Apollo 17 (en 1972), et le Soleil a une signature chaque étoile condensent (clairs condensat étoile 1, isotopique de CAI… sombre condensat étoile 2) en espèces minérales En premier lieu on peut affirmer avec G. J. Taylor différentes (à gauche, carrés et triangles), et donc (2011) que les CAIs se sont donc bien formés au voisinage après mélange des condensats chaque espèce du Soleil, à l’intérieur de l’orbite actuelle de Mercure, dans minérale de la chondrite (parent body) possédera sa la zone la plus chaude. On sait maintenant que chaque signature isotopique, c'est ce que semble montrer 54 inclusion de CAI présente un enrichissement particulier en Cr; 16 O et donc reflète des conditions particulières de condensation. Dans cette région la quantité d’16 O était plus 2 - A droite, les produits de la nucléosynthèse de chaque abondante qu’en périphérie du nuage et sans doute étoile condensent en espèces minérales identiques, graduellement décroissante. Les CAIs y auraient été et donc, au sein de chaque espèce minérale dans la produits par une irradiation du CO provoquée par les UV chondrite, il devrait exister des sous-populations très durs du Soleil en phase T-Tauri, d’autant plus forte que qui posséderaient leur signature isotopique? la condensation se produisait à proximité du Soleil. On À ce point, une remarque importante doit être faite. observe en effet au sein des nuages moléculaires Des expériences réalisées en 1983 simulant la haute interstellaires que les UV sont capables de dissocier atmosphère avaient montré que dans la production 17 préférentiellement le CO constitué avec de l’ O ou avec de d’échantillons d’ozone par décharges électriques dans de 18 16 l’ O, plus que celui fabriqué avec de l’ O. La raison en est l’oxygène neutre, on obtient dans le diagramme δ17 O/ 16 O vs 16 que les UV susceptibles de dissocier le CO fait avec l’ O δ18 O/ 16 O une droite de pente égale à 1. Dans le fractionnement isotopique (chp2.C.2), nous n’avons pas abordé l’effet de symétrie moléculaire sur le fractionnement des chondrites, et n’a donc rien de commun avec celui que des molécules isotopiques. Or on a découvert que, dans nous avons mené sur le rapport D/H de l’eau des chondrites certains cas, le fractionnement de 18 O/ 16 O est égal à celui de carbonées hydratées (Chp2.A.1.a). 17 O/ 16 O et non le double comme prévu par les différences de

- 41 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 18 : schéma de production des chondrites. 4 - Schéma de production des chondrites Au premier stade aurait eu lieu la production des CAIs très tôt après l’ « allumage » du Soleil, dont les UV courts ont balayé la périphérie, modifiant les rapports isotopiques de l’oxygène des constituants les plus réfractaires Juste après ce stade apparaît la production des chondres, silicatés, dans l’environnement encore très chaud du Soleil et jusqu’à une distance limite… se situant aux environs de la ceinture d’astéroïdes, en gros dans la zone des planètes telluriques. Des CAIs et chondres formés subissent dans un second temps une dispersion vers la périphérie du système (Fig. 18) sous la poussée du vent solaire très http://www.psrd.hawaii.edu/June11/traveling_CAI.html intense dans cette période d’étoile jeune. masse. Pourquoi et comment ? Si le comment est encore Ainsi, on observe des silicates jusque dans inconnu, il semble que le pourquoi réside dans la symétrie les objets les plus externes, les comètes que nous verrons des molécules impliquées. On observe ainsi actuellement plus loin. A cette époque, le disque de poussière continue son aplatissement et l’accrétion se poursuit. En zone interne dans la fabrication de l’Ozone O 3, dans la haute atmosphère terrestre sous l’effet des UV courts venus du Soleil (cf. elle donnera des planètes rocheuses dont le destin, passé une Chp. 5.B.2.a, cycle de Chapman), qu’il n’y a de masse critique, était de se différentier. Au niveau de la ceinture d’astéroïde et au-delà les matériaux condensés à fractionnement entre les deux molécules symétriques d’O 3, 54 18 18 18 48 16 16 16 froid et restés froid ont donné naissance aux chondrites, mix O3 = O O O et O3 = O O O, alors que la molécule 51 18 17 16 de matériaux chauds et de matrice froide lorsque la taille des asymétrique O3= O O Oest enrichie 200 fois. Un fractionnement isotopique indépendant de la masse est corps est restée petite, et aux planètes gazeuse différentiées donc possible au cours d’une réaction, dans des conditions lorsque la masse atteinte l’a permis. particulières de champ électromagnétique élevé en tout cas. Les anomalies isotopiques de l’oxygène ont pu être E - Les comètes, second type d’objets produites dans la nébuleuse protosolaire par les rayonnements des radionucléides à vie courte, par les rayons primitifs, encore plus froids ultraviolets, ou encore par les décharges électriques ionisantes produites sous l’action de champs magnétiques Les premières images détaillées de comètes nous ont intenses. Une telle explication des anomalies isotopiques de été fournies par la sonde Giotto (Fig. 19a page suivante). l’oxygène modifie radicalement le scénario d’une origine Les comètes sont sans doute les objets les plus primitifs extérieure au système solaire de la composante 16 O. D’autres que nous puissions connaître. Depuis 4 Ga., elles constituent expériences, sur d’autres isotopes, ont aussi conduit à des la mémoire du système solaire. hypothèses d’origines nucléosynthétiques situées dans la nébuleuse protosolaire. Encore récemment, il a été 1 - Des petites boules de neige sale découvert du 10 Be dans la météorite Allende. Les chercheurs affirment que cet isotope radioactif du Béryllium n'a pu être Lire MC - Planeto - cometes - Cisse & Padet.htm . Avec les produit que par des collisions entre des noyaux d'hydrogène chondrites, les comètes constituent l’ensemble des corps ou d'hélium accélérés à de très hautes énergies, alors que le primitifs non différentiés connus du système solaire. Depuis Soleil encore très jeune émettait un rayonnement nucléaire 4.56 Ga., elles constituent la mémoire du système solaire. intense. On observe que ces petites boules de neige sale, Certaines chondrites contiennent même des phases comme les appelait F. Whipple en 1950, se répartissent en 2 ou des grains, dont l’âge apparaît «pré solaire», et qui groupes selon leur orbite : portent les signatures indubitables ( ?) de processus 1. Les comètes à période courte, qui se subdivisent en 2 nucléosynthétiques qui se sont produits dans divers types sous-groupes, i) un dont l’aphélie est proche de l’orbite d’étoiles. Ces phases ont-elles été formées dans de Jupiter ( e.g. Wild 2 et Tempel 1 dans la figure 19a) l'environnement de diverses étoiles avant la naissance du et ii) l’autre dont l’aphélie est située dans la ceinture soleil ? Quelques-unes de ces phases dites pré solaires sont d’Edgeworth-Kuiper (Halley dans la figure) bien identifiées: diamant, carbure de silicium, graphite, corindon (Al 2O3). Faut-il conclure à la contribution des 2. les comètes à période longue, qui viennent donc croiser plusieurs étoiles ? À des nucléosynthèses dans le nuage dans la région centrale du système solaire beaucoup protosolaire ? La suite reste à démontrer... En attendant, on plus rarement, comme la comète de Hyakutake dans la peut proposer le schéma de production des chondrites figure, dont l’aphélie se situe aux confins du système suivant. solaire, entre 30 000 et 150 000 unités astronomiques (UA = distance Terre-Soleil). Ces dernières - 42 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 19a : 2 types d’orbites des comètes. Fig. 19b : représentation du système solaire à l’échelle du nuage de Oort.

http://www.sciencemag.org/content/314/5806/1708/F1.expansion proviendraient du nuage de Oort.

Rappelons que la Ceinture d’Edgeworth-Kuiper et le http://www.astro-rennes.com/planetes/kuiper_oort.php Nuage de Oort ne se situent pas du tout à la même distance du soleil, et que ces deux domaines ne présentent pas non de condensation du nuage (ceinture d’Edgeworth-Kuiper), plus la même géométrie (Fig. 19b). qu’à l’extérieur du plan (nuage de Oort). Ce sont ainsi des milliards de petits morceaux de la nébuleuse primitive qui 1. La ceinture d’Edgeworth-Kuiper est un anneau tournent ainsi autour du soleil 20 . A cette distance du Soleil, transneptunien (au-delà de Neptune) qui prolonge le l'environnement est si froid (quelques degrés K) qu'il a plan équatorial du système solaire. Elle s’étend de 30 à permis aux comètes de conserver leurs éléments volatils 55 UA. Elle est constituée de blocs et de planètésimaux depuis leur création. En outre, la taille des comètes qui ont englacés, dont la composition est essentiellement de été observées lors de leur passage au voisinage du Soleil ne méthane (CH 4), d'ammoniac(NH 3) et d’eau (H 20). Ils dépasse pas quelques hectomètres à quelques kilomètres, ce se sont formés durant la même période protosolaire que qui garantit aussi qu’elles n’ont pas subi de réchauffement les autres objets cométaires ou météoritiques. On important lors de la phase d’accrétion. recense actuellement 70 000 corps de plus de 100 km, dont quelques-uns sont reconnus comme des planètes A la suite de perturbations du champ de gravité naines au même titre que Pluton, dont l’orbite solaire, probablement provoquées par la proximité d'autres elliptique s’enracine dans la ceinture de Kuiper. étoiles, les comètes décrochent de leur nuage pour une orbite très excentrique qui les fait passer très près du Soleil. 2. Le nuage de Oort constitue une coquille sphérique La Terre est, semble-t-il, largement protégée de leurs autour du système solaire. Sa limite extérieure se impacts par les planètes géantes qui créent une perturbation situerait au ¼ de la distance de notre voisine la plus gravitaire suffisante pour détourner nombre de projectiles, proche, Alpha du Centaure. Le disque entre les deux comme ceux de juillet 94 sur Jupiter. A chaque révolution, domaines est peuplé, en faible densité, d’objets dits elles subissent un réchauffement, et une fraction de la glace « Epars ». De même que la ceinture d ’Edgeworth- cométaire est sublimée au voisinage du Soleil. La Kuiper, le nuage de Oort serait rempli d’objets dont on composition des comètes commence à peine à être connue, pense qu’ils se seraient formés très tôt dans l’histoire grâce en particulier à la spectrométrie UV tout d’abord puis du système solaire, pour l’essentiel des glaces et au IR dans les années 80. Notre atmosphère est largement moins un objet rocheux reconnu. opaque dans ces longueurs d’ondes et il a fallu mettre au Les comètes n’ont pas subi les épisodes chauds point des méthodes embarquées par les sondes spatiales. La qu’ont pu subir les chondrites. Ce sont sans doute les objets radioastronomie au sol vient compléter cet attirail. Leur les plus primitifs que nous puissions connaître. On a connaissance n'a donc largement progressé que durant les longtemps pensé que les comètes, avaient été fabriquées aux toutes dernières décennies, tout particulièrement depuis le confins du système solaire lors de la phase d’accrétion à passage de la comète de Halley en 1986 froid de la nébuleuse, à une distance d’environ une année- lumière, dans la ceinture d’Edgeworth-Kuiper et qu’elles 2 - La chevelure des comètes avaient pu être ensuite dispersées sous l’effet de Le dégazage commence à une distance du Soleil perturbations gravifiques en un nuage, le nuage de Oort . (ou température) variable, entre 5 et 15 UA, probablement On pense de nos jours que le nuage de Oort aurait en fonction de la composition de la glace de la comète. La précédé la ceinture d’Edgeworth-Kuiper. L’ensemble serait Comète (environ 600 Km 3 pour la comète de Halley) constitué d’objets formés dans la zone d’influence du Soleil en formation, c'est-à-dire relativement proche de l’étoile. Les comètes auraient ainsi été formées au voisinage des 20 Dans la ceinture de Kuiper il existe aussi quelques corps planètes joviennes (paragraphe fractionnement des éléments de plusieurs centaines de km ( e. g. astéroïde 2001 KX76, et des corps), puis ensuite elles auraient été éjectées vers la 1270 km ; 2002 LM60 "Quaoar", environ 1000 km) qui périphérie du système solaire « au gré des rencontres » paraissent très semblables aux gros astéroïdes de la ceinture gravitationnelles (relire la note infrapaginale sur le rôle des entre Mars et Jupiter (comme Cérès par exemple). Ont-ils deux planètes géantes, Jupiter et Saturne), tant dans le plan subi une élévation non négligeable de la température ?

- 43 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 20a : comète Hale-Bopp. Fig. 20b : comète de Halley, composition de l’atmosphère.

Tableau 8 : abondances des s’entoure alors d’une On a en effet de bonnes raisons de penser (cf. molécules mères dans les atmosphère très ténue, Chp. 4.D, « Naissance tourmentée de la Terre ») que le comètes recensées constituée de molécules bombardement météoritique et cométaire ne s’est pas arrêté appelées mères (tableau 8) brutalement avec la phase de refroidissement du système Molécules Abondances que la très faible gravité de solaire, mais que cette accrétion terminale postérieure à la H2O 100 l’objet ne pourra retenir. phase T-Tauri a apporté aux planètes déjà formées et CO 2-20 C'est cette atmosphère qui différenciées, une sorte de vernis de matériaux précoces et CO 2 3 est à l’origine de ce que froids, dont de l’eau et du carbone. Le rôle des météorites H2CO 0.03-4 nous appelons la queue de la carbonées hydratées de type Murchison pourraient avoir CH 3OH 1-8 HCOOH <0.2 comète. Cette chevelure est joué un rôle clef, et peut-être que la vie sur Terre n’aurait CH 4 <1? en fait double. pas eu lieu sans cet apport en composés organiques. NH 3 0.1-1 La partie brillante HCN ~0.1 est constituée de grains de 3 - Les comètes et l’eau terrestre N2 0.02-0.2 poussières (silicates plus H2S ~0.2 Lire Q - Planeto - L'origine de l'eau sur Terre - Gagnot.htm . métaux) qui, entraînés avec CS 2 0.1 En raison de ce bombardement tardif, on a longtemps OCS <0.3 la sublimation, réfléchissent argumenté aussi l’abondance de l’eau terrestre par cet S0 2 <0.001 la lumière. Cette première épisode que la planète a subi durant son premier Ga. et S2 0.05 partie de la queue est nombreux sont ceux qui s’accordent à penser que l’océan fortement arquée par le flux terrestre doit quelque chose à cet épisode « tardif ». de photons (pression de radiation Fig. 20a). Avec l’étude des comètes lors de leur passage dans le La seconde partie est constituée d’ions provenant voisinage du Soleil, il devient possible de vérifier ces dires de la dissociation et de l’ionisation par les UV de molécules en analysant le contenu isotopique de cette eau et en le de l’atmosphère de la comète. Elle est moins arquée, par les comparant à celui de l’eau de notre océan. Le rapport D/H particules chargées du vent solaire, et constituée de (deutérium/hydrogène) des 3 comètes étudiées est dix fois molécules dites filles (Fig. 20b). On y a reconnu en premier plus élevé que dans le système solaire en général, et il est lieu H et OH, mais aussi nombre de composés carbonés et deux fois plus fort que dans l’eau terrestre. Est-ce à dire que azotés, tels que CN, CH, CO, CH 3O. Tous proviennent de la l’eau terrestre n’est pas d’origine cométaire ? Pas certain, dissociation de molécules plus complexes dont quelques- car les trois comètes étudiées sont à période longue, donc à unes seulement ont aussi été observées. Outre H 2O, citons trajectoire très elliptique et, comme le dit J. Crovisier de les molécules HCN (acide cyanhydrique), CH 3OH l’observatoire de Paris, dont l’essentiel de l’histoire se passe (méthanol), H2CO (formaldéhyde), auxquelles vient à grande distance du Soleil. Or, la probabilité pour un objet s’ajouter H 2S. Des raies caractéristiques de C 2 et de C 3 de heurter la Terre (et donc pour une comète de contribuer à laissent à penser que des cycles aromatiques devraient aussi sa teneur en eau) est d’autant plus faible que son orbite est être présents dans la glace, avec C 2H6O2 (éthylène-glycol) externe. Pour l’heure, on ignore tout du rapport D/H des déjà identifié dans la comète Hale-Bopp. comètes à courte période, qui ont donc une histoire Les comètes apparaissent donc constituées de 80% différente marquée par leur vie plus interne dans notre de grains minéraux, entourés de glace (20%) riche en système et qui ont sans doute été plus nombreuses à venir composés organiques. L’origine de ces composés percuter la Terre… organiques reste à trouver. Sont-ils contemporains de l’épisode d’accrétion? Du nuage interstellaire antérieur? Ces 4 - Les météorites ultracarbonées (UCAMM) fossiles vivants, témoins de nos origines peuvent avoir eu une importance considérable dans la constitution des Il existe parmi les micrométéorites une famille atmosphères planétaires. particulièrement rare dénommée « ultracarbonaceous micrometeorites » (UCAMM).

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Leur composition ressemble à celle des Fig. 21 : images MEB et spectres IR de 2 fragments d UCAMM. chondrites carbonées dans la mesure où elles sont un assemblage de minéraux (olivine, pyroxènes) et de matière organique. Mais cette matière organique, très abondante, à la particularité d’être très riche en azote et en deutérium (pics azotés dans la figure 21). Or les cosmologistes considèrent ces deux paramètres comme hérités, non de l’influence solaire qui on l’a vu marque les chondrites (en particulier les CAIs et les chondres), mais hérités à la fois des très basses températures qui règnent aux confins du système solaire et à l’action du rayonnement cosmique galactique, dont l’influence peut devenir prépondérante avec l’éloignement. Selon E. Dartois et al (2013) de l’Institut d'astrophysique spatiale, les UCAMM doivent être considérées comme transneptuniennes, provenant au minimum de la ceinture d’Edgeworth-Kuiper et plus probablement du nuage de Oort, car elles diffèrent aussi des poussières de la Comète Wild 2 Ces particules montrent un spectre comparable à celui d’un nitrure de échantillonnées par la mission Stardust en 2006, et carbone hydrogéné polyaromatique et, dans le cas de DC060594, ceux semblent très marquée par leur vie passée sous de la forstérite (olivine) et de l’enstatite (pyroxène) vers 1000 cm-1 . influence galactique plus que solaire. Pour comparaison, les courbes (A) à (E) sont celles de différents produits de synthèse de matière organique contenant de fortes teneurs en azote (10 % à 30 %). http://www.futura -sciences.com/fr/news/t/astronomie/d/on -a-peut -etre -decouvert -des - Sites WEB consultés http://www.nirgal.net/crater.html http://www.meteorcrater.com/ http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap960604.html http://www.obs.u-bordeaux1.fr/ http://www.cfa.harvard.edu/ http://www2.cndp.fr/archivage/valid/10860/10860-2374-2498.pdf http://www.caltech.edu/ http://ssd.jpl.nasa.gov/images/ast_histo.ps http://www.agab.be/discussions/Chondre_BO_site-2.html http://www.image-contrails.de/overview.html http://palaeo.gly.bris.ac.uk/Communication/Lee/main.html http://miac.uqac.ca/MIAC/chicxulub.htm http://www.unb.ca/passc/ImpactDatabase/images.html http://www.nirgal.net/main.html http://perso.wanadoo.fr/pgj/meteorit.htm http://www.sat-net.com/spnews/planetarium/meteorites_class.html http://hubblesite.org http://www.obspm.fr/ http://eleves.mines.u-nancy.fr/~astro/TIPE.doc . http://www.gps.caltech.edu/~gurnis/Movies/movies-more.html http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/astro/astfus.html#c2 http://zebu.uoregon.edu/~js/ast223/lectures/lec21.html http://denali.gsfc.nasa.gov/research/earth_grav/earth_grav_med.jpg http://www.astro-rennes.com/planetes/kuiper_oort.php http://www.sciencemag.org/content/314/5806/1708/F1.expansion http://www.psrd.hawaii.edu/June11/traveling_CAI.html http://enc.tfode.com/Mesosiderite http://www4.nau.edu/meteorite/Meteorite/Book-Chondrules.html http://astrobob.areavoices.com/2012/04/26/meteorite-hunters-scour-hills-near-sutters-mill-site-of-the-california-gold-rush/ http://bibliotheque.clermont-universite.fr/sites/files/portail/documents/mercrediscience/Devouard1.pdf http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/as.tronomie/d/on-a-peut-etre-decouvert-des-micrometeorites-du-nuage-doort_45807 http://sismalp.obs.ujf-grenoble.fr/sismalp.html http://www.csr.utexas.edu/grace/gravity/ http://www.csr.utexas.edu/grace/publications/press/03-07-24-space.com.pdf http://www.ngdc.noaa.gov/geomag/ http://www.seismo.unr.edu/ http://www1.gly.bris.ac.uk/~george/gjift96/gjift96.html#figs http://www.newgeology.us/presentation35.html https://www.fas.org/irp/imint/docs/rst/Front/tofc.html http://www.psrd.hawaii.edu/June11/traveling_CAI.html https://www.fas.org/irp/imint/docs/rst/Sect18/Sect18_5.html https://www.fas.org/irp/imint/docs/rst/Sect18/Sect18_4.html https://www.fas.org/irp/imint/docs/rst/Sect18/Sect18_3.html https://www.fas.org/irp/imint/docs/rst/Sect18/Sect18_2.html https://www.fas.org/irp/imint/docs/rst/Sect18/Sect18_1.html http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103513001103 = 1-s2.0-S0019103513001103-main.pdf UltraCarbonaceous Antarctic micrometeorites, probing the Solar System beyond the nitrogen snow-line Meteorites-cut.ppt http://mon.univmontp2.fr/claroline/backends/download.php?url=L01ldGVvcml0ZXMvR0xTVDIwMl9Qb2x5X01ldGVvcml0ZXNfMi5wZGY%3D&cidRe set=true&cidReq =GLST202 LES ISOTOPES DE L'OXYGENES http://www.lpi.usra.edu/publications/books/CB-954/chapter3.pdf = Formation of impact craters http://sciences.blogs.liberation.fr/home/files/Cazenave_et_al_GPC_2008.pdf = Sea level budget over 2003 – 2008: A reevaluation from GRACE space gravimetry, satellite altimetry and Argo http://findfreemediaservices.com/downloading/Astro_Meteorites_Impacts_2nd_Sem.pdf.html?wm=137&sub=1127&u=IWw2ml8iUdqdXdgNppDn6laSxb9 kxpvD8LUCmP7X_VCE http://ipag.osug.fr/~beckp/Research/Teaching_files/Mineralogie_Chondrites.pdf http://www-sop.inria.fr/apics/sbpi/Master1_modes.pdf = Free oscillations of the earth http://nssdc.gsc.nasa.gov/planetary/comet.html

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Quelques idées fortes

Quelques idées fortes : La seule réaction nucléaire qui existe dans le Soleil est la fusion de l’hydrogène en Hélium Tous les autres éléments présents sont hérités de nucléosynthèses préalables, (Géantes rouges, Nova ou Wolf-Rayet) L’élément le plus stable est le fer On appelle différenciation n’importe quel processus capable de transformer un système homogène en un ensemble d’objets physiquement et chimiquement distincts. Le fer et le silicium étant parmi les éléments les plus abondants dans l’univers, la différenciation des planètes est bipolaire : noyau Ferreux manteau Silicaté Les éléments chimiques se regroupent, en fonction de leurs affinités, et en fonction des structures minérales présentes : Sidérophiles : affinité avec le fer et les alliages, dans le noyau planétaire ; réfractaires ou volatils lithophiles : aucune affinité pour le fer et les alliages, dans les silicates (manteau, croûtes) ; réfractaires ou volatils: chalcophiles et atmophiles sont tous très volatils. La condensation du gaz nébulaire induite par son effondrement conduit à la différentiation du système solaire en deux domaines : Le domaine interne, champ du fer et des silicates, qui évolue vers les planètes rocheuses Le domaine externe, champ des glaces, qui évolue vers les planètes gazeuses La Ceinture d’astéroïdes entre Mars et Jupiter se situe à la frontière des deux domaines La ceinture d’Edgeworth-Kuiper est un anneau 30-55 UA de blocs de glaces, prolongement transneptunien du disque solaire Le Nuage de Oort est une coquille sphérique de blocs de glace, de rayon ¼ de la distance de à Alpha du Centaure Les planètes satellites et astéroïdes se sont généralement différenciés : internes ils sont différenciés à chaud en noyau ferreux, manteau (et éventuellement croûte) silicaté externes, restés froids ils sont différenciés en un noyau rocheux et des enveloppes de glace Les comètes proviennent des confins du système solaire, les météorites sont originaires de la ceinture d’astéroïdes : Les comètes sont des corps fabriqués par accrétion froide dans le nuage proto-solaire ; elles n’ont pas pu évoluer depuis lors. Les météorites constituent 2 groupes majeurs de nature distincte et d’origine différente, les chondrites et les achondrites. Les chondrites sont des météorites indifférenciées (nées avant / pendant la différenciation du gaz proto-solaire en planètes) Elles sont constituées d’un assemblage de chondres et de CAIs noyés dans une matrice CAIs = Calcium-Aluminum rich Inclusions, hautement réfractaires >1700K chondres = microbilles constituées de réfractaires condensés à chauds >1400K, matrice = condensat froid riche en volatils, matériaux hydratés condensés à température <500K et glaces <300K La composition chimique des chondrites est : identique à celle de la chromosphère du Soleil, semblable à celle du manteau terrestre ajouté au noyau (sauf en volatils). Les chondrites ont grosso modo l’âge du système solaire, 4.56 Ga , comme les comètes : l’âge des CAIs, 4.567 Ga (+- 1Ma) est légèrement supérieur à celui des chondres, 4.564 Ga (+- 1Ma). Les chondrites ont probablement conservé la trace des évènements pré-solaire et proto-solaires Les micrométéorites ultracarbonnées (UCAMM) sont des sortes de chondrites provenant du nuage de Oort et non de la ceinture d’astéroïdes. Elle portent la marque du rayonnement galactique (dont l’essentiel du système solaire est protégé par le vent solaire. Les achondrites sont des météorites différenciées (nées après / pendant la différentiation de planètes, planètésimaux ou satellites) Les météorites différenciées sont de trois types : sidérites = morceaux de noyaux ferreux de corps planétaires différenciés aérolithes = morceaux de manteau ou de croûte provenant de corps planétaires différenciés sidérolithes = morceaux du domaine limite entre le manteau et le noyau de ces corps Les achondrites sont plus jeunes, jusqu’à 3.8 Ga environ (fin de l’époque d’accrétion des planètésimaux) Les planètes et planètésimaux sont de résultat d’une histoire en deux temps majeurs : i) l’accrétion de chondrites ; ii) une différentiation provoquée par la masse et la chaleur accumulées. Les corps de petite taille proches du Soleil ont perdu l’essentiel de leurs volatils = planètes telluriques. Les corps de grande taille et éloignés du soleil = planètes joviennes essentiellement gazeuses.

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Sabin-Corneliu Buraga CHAPITRE 3 « Streams of energy » . La Terre vue par la géophysique

Trois outils fondamentaux permettent d'imaginer On en déduit: l'intérieur de notre globe: M=g.r 2/G . = 5.976 10 24 Kg 1 - un fil à plomb plus un poids suspendu à un ressort, Connaissant le volume de la terre on en déduit alors dans le champ de gravité; une masse volumique moyenne pour la Terre de 5.517 2 - un stylet et un cylindre à l'écoute d'une planète qui kg.dm 3. s'ébroue;

3 - une aiguille libre et aimantée boussole dans le champ magnétique. Or AUCUNE roche ordinaire échantillonnée à la surface du globe ne possède un poids volumique dépassant 3.3 kg.dm 3 et la moyenne est de 2.7 kg.dm 3. Le globe A - Gravimétrie et Géodésie terrestre est donc constitué de 2 couches au moins, et l es masses volumiques de ces enveloppes sont très Voir cours-2012-2013-gravimetrie.ppsx La gravimétrie, en différentes. déterminant la direction et l'intensité de la pesanteur, Nombre d'observations directes ou indirectes résultante des accélérations appliquées à un corps au suggèrent que la Terre est constituée de deux couches, un repos dans le référentiel Terrestre, permet d'une part de noyau dense et un manteau: repérer des variations de densité (souvent utile dans la recherche minière ), et d'autre part de définir précisément 1 - la nature des météorites différenciées, soit ferreuses les formes de la Terre ( Géodésie ). soit silicatées, qui suggère que la séparation (partielle) On sait depuis 1687 avec Philoso phiae Naturalis du fer soit un phénomène courant dans les objets Principia Mathematica de I. Newton que lorsque les rocheux solaires; pommes de masse m tombent, la force F qui les attire vers la 2 - la structure sismique de la Terre met en évidence un Terre de masse M peut être décrite sous la forme saut de densité majeur et un seul, à 2900 km de profondeur (voir § modèle PREM discontinuité de 2 F = G m M / r Gutenberg); 3 - la concentration en fer du manteau, faible par rapport à 1 - Cavendish a mesuré la constante G, en celle des météorites indifférenciées, qui suggère une 1798 à Paris. redistribution du fer dans la Terre au profit du noyau dense Son dispositif expérimental (Fig. 1) comprenait deux petites masses égales, suspendues en équilibre au bout d'un On peut évaluer sommairement les densités et les fil non torsadé. En approchant symétriquement les 2 masses rayons respectifs du noyau dense et du manteau silicaté en M, Henry Cavendish provoque le rapprochement des se basant sur trois contraintes: masses m: connaissant la distance entre les masses m et M, 1 - la masse de la Terre et son rayon RTerre , donc son la force mise en jeu (celle qu'il faut appliquer au dispositif, poids volumique moyen, ρ moy = 5.517 ; hors de la présence des masses M, pour obtenir le même 2 - la différence entre le moment d'inertie réel du globe déplacement des masses m) Cavendish déduisit la valeur de terrestre (= 0.33.MR 2) et celui d'un globe homogène -11 -2 2 G= 6.67 10 SI (N.Kg .m ). (0.4 MR 2 ) ; Dès lors, la masse de la Terre M devient accessible, en mesurant l'accélération de la pesanteur, g. La mesure de Fig. 1 : expérience de Cavendish. g, effectuée sous vide par le bureau national des poids et mesures (chute d'un miroir interférométrique sous lumière monochromatique) donne la valeur de 9.801 m.s -2. Dans le cas des pommes, puisque la masse d'un corps peut être considérée comme ponctuelle et rapportée au centre de gravité du corps, on admettra que la distance entre les deux masses est très peu différente du rayon terrestre (r). L'accélération g subie par les pommes de masse m serait donc, avec mg = G.m.M/r 2, de la forme g= G M / r 2 (si la Terre ne tournait pas!).

- 47 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 3 : pesanteur terrestre. Fig. 2 : x= R noyau /R Terre vs. y = ρnoyau /ρmanteau

3 - le poids volumique du manteau, qui est au minimum celui des roches connues du manteau supérieur, avec g= G.M/r 2 ≈ 980 gal ; 3 ρmanteau =3.3 kg.dm ; le poids volumique du noyau le gal équivaut à 10 -2m.s -2 ρ noyau , est inconnu. 2 2 c = ω ≈ ω φ On écrit alors la relation liant les poids volumiques 2 - la force centrifuge (F m. r m. R.cos ); de la Terre, telle que : 3 - l'attraction du reste de l'univers non figurée ici (< 1 3 ρmoy = ρmanteau + ( ρnoyau -ρmanteau )(R noyau /R Terre ) mgal), qui exerce des forces de marées (de l'ordre de et celle liant les moments réel et théorique, 20cm pour les marées terrestres) souvent négligées.

0.331 ρmoy = 0.4[ ρmanteau + ( ρnoyau - Les conséquences en sont : 5 ρmanteau )(R noyau /R Terre ) ] 1 - le fil à plomb (g) ne passe pas par le centre de la Terre, sauf aux pôles; on en tire une relation entre le rapport des poids 2 - l'intensité du champ de g varie avec la latitude. volumiques ρnoyau / ρmanteau et le rapport des rayons RR = Rnoyau /R Terre Une Terre qui tourne, si elle se comporte comme un fluide, peut être considérée comme un ellipsoïde de telle que: révolution. Les mesures de méridiens (Fig. 4), effectuées au 3 ρmanteau + ( ρnoyau -ρmanteau )(R noyau /R Terre ) XVIII° au pôle et à 5 Fig. 4 : aplatissement polaire. = 0.4/0.331 [ρmanteau + ( ρnoyau -ρmanteau )(R noyau /R Terre ) ] l'équateur, aboutirent à ∆ ρ ρ une valeur estimée de avec ρ =( noyau - manteau ) 1/280 à 1/266. La valeur et RR = R noyau /R Terre adoptée vers 1950, on a: avant le 1° Spoutnik, 3 5 était de 1/297 ( Harold ρmanteau + ∆ρ.RR = 1.21 ρmanteau + 1.21 Dρ.RR Jeffreys ). 3 5 ∆ρ = 0.21 ρmanteau /(R R -1.21RR ) Avec Spoutnik-2 ρ ρ ρ 3 5 noyau - manteau = 0.21 manteau /(R R -1.21RR ) King-Hele révise sa et valeur en 1957 (1/298), 3 5 ρnoyau / ρmanteau = 1+ 0.21/(R R -1.21RR ) valeur très proche de la valeur admise de nos jours, 1/298.25 Le diagramme joint (Fig. 2) montre que ρnoyau / est au En outre, deux paramètres locaux viennent encore moins égal à 2.5 ρmanteau . Pour un noyau situé à 2900 km perturber la pesanteur, l’altitude au point considéré et la (RR=0.55) et pour une densité moyenne du manteau de 4.1, le poids volumique calculé pour le noyau, de l'ordre de 12.2, topographie autour de ce point: est tout à fait compatible avec une nature ferreuse. 1 - l'altitude, accroît la distance au centre de la Terre, et donc augmente F c et diminue F g 2 - La mesure de la pesanteur 2 - La topographie, en introduisant des excès ou des Lire MC - Planeto - Difference gravite-pesanteur - déficits dans les masses environnantes, modifie la Le Bellour.htm . La pesanteur au point P considéré, direction et l'intensité de la pesanteur. (Fig. 5). appliquée à une masse unité m, est définie comme la résultante des accélérations appliquées à m, corps au repos Fig. 5 : effet topographique. dans le référentiel Terrestre. Cette pesanteur peut être C centre de gravité de la masse montagneuse représentée en tout point autour de P par un ensemble de gm vecteurs g →, définis en sens direction et intensité, ensemble que l'on appelle champ de gravité (lire MC - Planeto - Champ gravitationnel - Sautier.htm ; Q - Planeto - Comment mesure t on la pesanteur - Le Bellour.htm ). La pesanteur est composée de 3 termes (Fig. 3):

1 - la gravité terrestre (F g=mg)

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On comprend donc dès lors, que pour être Fig. 6 : corrections des mesures de pesanteur. intelligible, toute mesure du champ de pesanteur doit être rapportée à une surface de référence. On utilise internationalement l'ellipsoïde de référence nommé «ellipsoïde de Hayford» dont l'aplatissement est de 1/298.25. Il faut ensuite corriger la valeur mesurée en chaque point (Fig. 6).

Il faut donc corriger la valeur mesurée en chaque comme si le calcul de la réduction de Bouguer était point (Fig. 6) la valeur g 0 eq = 978.033 gals de la pesanteur à largement inutile et que l'excès de masse que crée le relief l'équateur: montagneux au-dessus du géoïde était déjà quasi compensé 1 - par une correction de latitude qui tient compte de la (avant toute correction) en dessous de la surface de force centrifuge, soit (parenthèse est nulle à référence choisie, la correction introduisant alors un l'équateur) «déficit» apparent de masse. Cette anomalie<0 résulte donc 2 2 g0 th = 978.033 +(1 +0.005.sin φ-0.000006 sin .2 φ) largement du calcul de correction lui-même et le poids d'une qui nous donne la valeur théorique de la colonne de terrain apparaît finalement constant d'une pesanteur à la latitude φ du point de mesure p. verticale à l'autre. Il s'opère donc, d'une verticale à l'autre, une compensation de type hydrostatique , appelée 2 - on introduit une correction dite “ à l'air libre ” ou isostasie. de Faye ou correction d'altitude, faite en supposant qu'il n'y a que de l'air entre le point de mesure p et le Plusieurs modèles ont vu le jour (Fig. 7). Tous géoïde (Fig. 6); Elle est égale à ( δg/ δz) h avec un admettent que la croûte, rigide et moins dense que le gradient vertical de gravité ( δg/ δz) = 0.309 mgal m-1 manteau fluide, flotte sur celui-ci (Archimède). L'équilibre et h l'altitude au-dessus de l'ellipsoïde. on appelle des poids des différentes colonnes de terrain est donc anomalie à l'air libre (FA) la différence entre la parfaitement réalisé au-delà d'une certaine profondeur, dite valeur mesurée g mes corrigée de l'altitude au-dessus de compensation. Le modèle de Pratt , à la fin du siècle de l'ellipsoïde et la valeur théorique en ce point de dernier, mettait en jeu des colonnes de terrain de densités l'ellipsoïde : différentes, donc d'épaisseurs différentes. Celui de Airy , FA = [g p mes + ( δg/ δz) h] – g0 th. quelques années plus tard, mettait en jeu des colonnes de Elle ne dépasse pas 100 mgal en valeur même densité discrétisant une couche homogène. Enfin, le absolue, et met en évidence un déficit de masse au modèle de Vening Meinesz , datant du milieu du XX°, droit des fosses océaniques et inversement un s'appuie sur le fait que la réponse élastique de la croûte est excédent au droit des chaînes de montagne, avec un d'une amplitude beaucoup plus importante que la dimension couple négatif positif très net au niveau des zones de des reliefs qu'elle porte. Autrement dit, la compensation subduction (Fig. 9b). isostatique d'un relief est régionale. 3 - on opère enfin les 2 corrections de Bouguer, L'influence des racines peut être exprimée par une a) la correction dite “ de plateau ”, qui prend en nouvelle correction, dite “ isostatique ”. Toutefois, compte l'attraction des masses comprises entre le l'existence d'anomalies résiduelles montre que l'équilibre point considéré et le géoïde de façon homogène, et n'est pas réalisé partout. La cause en est la viscosité très b) la correction dite “ topographique ” qui tient élevée du manteau qui implique un temps de réponse compte de la répartition des reliefs. important à toute modification de l'équilibre. Ainsi, le bouclier Baltique remonte encore de nos jours alors qu'il est On appelle finalement anomalie de Bouguer , l'écart allégé depuis 10 000 ans environ du poids des glaces qui le entre la pesanteur théorique calculée au point considéré sur couvraient. l'ellipsoïde de référence, et la pesanteur mesurée et corrigée. Le premier enseignement essentiel de la gravimétrie est donc la confirmation de la plasticité de la 3 - Isostasie : comportement hydrostatique de Terre, grâce à son manteau viscoélastique, malgré sa la lithosphère croûte élastique (rigide). Lire MC - Tectonique - Isostasie - Grizard LeBellour Martin & On appelle géoïde la surface équipotentielle de Mayembo.htm . L’écart entre la pesanteur théorique calculée et pesanteur coïncidant avec le niveau moyen des mers, la pesanteur mesurée et corrigée peut être fort, de l'ordre de - prolongée à travers les continents. Si la Terre était ellipso 300 à + 300 mgal. Il est négatif au droit des chaînes de concentrique pour toutes ses propriétés, le géoïde serait un montagnes et positif au droit des océans. Tout se passe donc Fig. 7 : les modèles d'isostasie. Fig. 8 : effet des reliefs sous marins sur la déviation de la pesanteur et le niveau des mers (géoïde).

- 49 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 9a : altimétrie satellitaire. Fig. 9b : carte des anomalies de la gravité , Grace 2003. Lire MC - Ocean - Altimétrie satellitaire - Grizard.htm Echelle en mgals Chaîne continentale Arc - Fosse ride océanique

ellipsoïde, et les isothermes seraient des ellipsoïdes «conformes» au géoïde. En fait, la Terre n'est ellipso concentrique qu'en toute première approximation. Aux effets topographiques des fonds océaniques (Fig. 8) et de la surface continentale qui introduisent des ondulations du géoïde à l'échelle de Anomalies de grande longueur d’onde quelques dizaines à centaines de Km, viennent s'ajouter des ondulations de l'ordre du millier de Km reflétant des connaître les paramètres suivants: hétérogénéités lithosphériques, et des ondulations à l'échelle de plusieurs milliers de Km, dues à la circulation convective 1 - la position des stations de mesure au sol; dans le manteau. Ces ondulations du géoïde sont calculées 2 - le champ de pesanteur; en comparant la valeur théorique de la pesanteur sur 3 - le freinage lié à l'atmosphère; l'ellipsoïde et la valeur mesurée rapportée à l'ellipsoïde. 4 - la pression du vent solaire; 5 - les déformations de la Terre liées aux marées, terrestres et océaniques; 4 - Géodésie satellitaire 6 - le mouvement de l'axe de rotation de la Terre; Les satellites artificiels ont été utilisés de 2 façons: en 7 - l'attraction de l'ensemble des planètes du système mode passif, le satellite servit tout d'abord de réflecteur, la solaire. télémétrie laser apportant dans les années 60 une précision Aucun paramètre n'est connu parfaitement, et la de la mesure de la position instantanée du satellite de l'ordre géodésie dynamique consiste donc à opérer un ajustement du mètre; en géodésie dynamique, l'objectif est de itératif des données au modèle théorique. L'utilisation déterminer le mouvement du satellite par comparaison des conjointe de plusieurs satellites sur près de 30 années a données de poursuite avec la trajectoire théorique, modèle permis de proposer des modèles de plus en plus affinés du calculé à partir des équations de la mécanique Newtonienne. champ de la pesanteur terrestre. L'analyse de la trajectoire Les données accessibles sont de 3 types: des satellites fournit une image très précise du géoïde 1 - mesures de distance (télémétrie laser, Fig. 9a) (Fig. 10). En effet, les ondulations du géoïde à l'échelle de la 2 - mesures de vitesse (effet Doppler) centaine de km (flèches noires) traduisent très fidèlement la 3 - mesures angulaires (photographies sur fond d'étoiles) topographie car la compensation isostatique d'une chaîne ou La modélisation de la trajectoire nécessite de d’une fosse sous-marine par exemple, dépasse largement la Fig. 10 : le géoïde terrestre. color Scale, Upper (Red) : 85.4 meters and higher; Color Scale, Lower (Magenta) :-107.0 meters and lower

http://principles.ou.edu/earth_figure_gravity/geoid/index.htm http://principles.ou.edu/earth_figure_gravity/geoid/index.htm - 50 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

Fig. 11 : carte des anomalies à l’air libre sur les océans Inversement, tous les types de structures à petite calculées par inversion des hauteurs du géoïde, obtenues par échelle sont remarquablement identifiables sur les figures altimétrie spatiale, Géosat 1994, échelle en mgals 9b et/ou 11: 1 - dorsales chaudes Sud-Atlantique et Indien; 2 - dorsale froide Nord-Atlantique ; 3 - failles transfor-mantes mettant en regard deux compartiments d'âges variés (et donc de structure thermique différente); 4 - chaînes sous-marines de points chauds (Lire MC - Volcanisme - Point chaud - Grizard.htm ; MC - Volcanisme - Superswells - Grizard.htm ) ; 5 - fosses océaniques, qui provoquent un déficit local de masse (en bleu) encadré par deux anomalies, celle bien marquée (en rouge) de l’arc et celle moins marquée (en jaune) du côté océanique qui souligne le ploiement de la plaque subductée (Fig. 12). 6 - chaîne de collision (Alpes Himalaya) 7 - chaînes surmontant une zone de subduction (marges actives = Andes et Rocheuses) A une échelle encore plus réduite, l’altimétrie satellitaire permet de mettre en évidence le mouvement vertical synchrone des marées, lié au surpoids local de la masse d’eau en mouvement dans les régions côtières

B - La séismicité surface occupée par la chaîne ou la fosse. Il s'ensuit donc un excès de masse local (au droit de la chaîne) ou un déficit Voir cours-2012-2013-seismologie.ppsx . Les premiers local (au droit de la fosse), qui implique un éloignement du enregistrements des soubresauts qui agitent l'écorce terrestre géoïde (vers le haut pour la chaîne). La figure 10 met en datent de l'antiquité. Une stèle centrale portant une boule, évidence d'une part le bourrelet équatorial (aplatissement des grenouilles bouche bée accroupies autour, ont suffi à polaire) et d'autre part les creux et bosses du géoïde à grande enregistrer le passage de l'onde par la chute de la boule et la longueur d’onde (en violet dans la figure). La déformation direction de sa propagation avec la grenouille gagnante maximum, très exagérée sur la figure, est en fait inférieure à (fig. 13). 100 m pour une amplitude de milliers de Km! Ces De nos jours, on exprime l’intensité des séismes soit déformations de très grande longueur d'onde sont clairement à partir de l’enregistrement de l’ébranlement ( échelle de indépendantes de la topographie et doivent donc avoir une Richter ), soit à partir de leur impact observé sur le bâti et origine très profonde. Elles traduisent nécessairement des les déformations naturelles ( échelle de Mercalli ). hétérogénéités de densité dans le manteau profond. On considère de nos jours que ces masses lourdes sont 1 - Les ondes émises par un ébranlement d’anciennes plaques lithosphériques subductées vers la couche D”. Compte tenu de la vitesse extrêmement faible du Lire MC - Seismologie - Ondes sismiques - Melou Tersonnier & phénomène, la morphologie actuelle reflèterait l’histoire Villien.htm De manière extrêmement résumée, en dehors du cumulée de plusieurs centaines de Ma. sismographe de Zhang Heng (Fig. 13) datant des premiers siècles de notre ère, et qui ne représente qu’une Fig. 12 : effet du plongement d'une plaque. manifestation des dieux à s’ébrouer, et la capacité à enregistrer une direction du mouvement, on peut dire que John Michell , géologue et physicien anglais, présente la première causalité physique des séismes en 1761: « Les tremblements de terre correspondent à des Fig. 13 : sismographe de ondes émises par le Zhang Heng ( ≈ 100 AD)? déplacement de masses de roches sous la surface ». En 1807, Thomas Young , lui aussi britannique, suggère lui aussi que les séismes émettent des ondes qui se propagent à des vitesses finies. En 1841, James Forbes , physicien écossais, construit le premier sismomètre vertical, capable de mesurer des mouvements verticaux du http://www.gps.caltech.edu/~alex/subduction.htm sol ; il sera perfectionné par le - 51 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 14a : modules d'élasticité. Fig. 14b : ondes de volumes, P et S. K=-dP/(dV/V)= ρdP/d ρ µ=d σ/d

volcanologue Luigi Palmieri en 1855. Puis en 1847, Hopkins fait la Première application au globe Terrestre de la théorie des ondes élastiques qui vient d’être fondée par Fresnel et Poisson : les tremblements de terre sont le résultat de vibrations élastiques du sol. Le premier sismomètre horizontal, capable de détecter des mouvements horizontaux du sol, date de 1869, il est dû à Frank Zöllner . Le comportement élastique d’un solide homogène (Fig. 14a) est complètement caractérisé par sa densité plus deux constantes d’élasticité : deux ondes vont se propager dans le corps de la planète (On 1 - le module d'incompressibilité K = ρdP/d ρ parle d’ondes de volume) en une enveloppe « sphérique » qui caractérise la variation de volume ou de (front d’onde) qui conserve sur l’ensemble de sa surface densité du milieu considéré en réponse à une variation l’énergie de l’ébranlement dissipée au point source. de la pression P; L’amortissement de ces ondes est donc essentiellement lié à 2 - le module de rigidité G = µ/ρ l’augmentation de la surface du front d’onde et très peu au où µ=d σ/d γ est le module de cisaillement qui déplacement de matière (Fig. 14b) en son point de passage : γ caractérise la déformation élastique (angle du milieu 1 - les ondes de compression dilatation sont considéré, sous l'action du cisaillement σ). longitudinales, et traversent tous les milieux. Elles On utilise aussi communément le module de Young correspondent à un déplacement des particules E, relié au module de cisaillement par le coefficient de parallèlement à la direction de propagation de l'onde, poisson (tableau 1). et provoquent une variation de volume. Elles sont dites ondes P, «premières» (car les plus rapides) et se propagent à la vitesse : a - ondes de volumes 0.5 Vp= [(K + 4/3G)] Provoqué quelque part au voisinage de la surface lors d’un séisme, entre quelques dizaines de km de profondeur et 2 - les ondes de cisaillement (transversales) plus rarement quelques centaines de km, dans le domaine de correspondent à un déplacement des particules pression et de température dans lequel le matériau terrestre perpendiculairement à la direction de propagation de conserve un comportement fragile, l’ébranlement du solide l'onde. Il s'ensuit une distorsion sans changement de terrestre en ce point sollicite son élasticité. volume. Elles ne traversent pas les matériaux dont le Incompressibilité et cisaillement sont alors la source de module de cisaillement est nul (liquides). Elles sont deux ondes élastiques , respectivement une onde de dites ondes S , «secondes», et leur vitesse est 0.5 compression-dilatation et une onde de cisaillement. Ces Vs= [G] (V s

Fig. 14c : ondes de surface.

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1 - Les ondes de Love résultent d'interférences entre Fig. 16a : carte de la séismicité en France pour 2004. les ondes S, et correspondent à une oscillation polarisée de grande amplitude, dans le plan de la surface et perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde; 2 - Les ondes de Rayleigh résultent d'interférences entre les ondes P et S, et induisent une oscillation dans le plan perpendiculaire à la surface, avec un déplacement des particules selon une ellipse (houle). Puisque les ondes sismiques se propagent à des vitesses différentes, elles sont enregistrées en des temps différents sur un sismographe situé en un point donné de la Terre, lorsqu'il est atteint par le front de l'onde considérée. V p>V s. Les ondes P sont donc les Premières et les ondes S les Secondes (Fig. 15). Les ondes longues L ou R arrivent plus tardivement. On notera que les ondes P ou S peuvent apparaître doublées à la suite de réflexions sur la surface terrestre (ondes PP ou SS, voir plus loin).

2 - Distribution des séismes 11/03/ 2011 au Japon et 26 / 12 / 2004 en très forte inhomogénéité de localisation des épicentres, à Indonésie: deux manifestations paroxysmiques, cette échelle. Focalisés dans les deux zones orogéniques respectivement 9.0 et 8.4 sur l’échelle de Richter, de la françaises, Alpes et Pyrénées, et l’axe Rhône –Rhin –Mer relaxation des contraintes encaissées pendant un laps de du Nord qui témoigne de la déchirure de l’Europe au front temps de quelques 10 2 ans par une limite entre deux plaques. de l’arc alpin, les séismes jalonnent ici aussi des limites de Dans les deux cas, le point de relaxation est précis (zone de plaques continentales. Ces régions subissent chaque année subduction) et tous les séismes répliques qui suivront se distribueront dans la même surface, en se déplaçant vers le Fig. 16b : séismicité du Sud-Est de la France. nord dans le cas de l’Indonésie. L’analyse historique de l’ensemble des séismes enregistrés depuis un siècle a en effet montré depuis longtemps le caractère inhomogène de la surface terrestre, comment les frontières de plaques sont secouées en permanence par des séismes alors que le cœur des plaques est beaucoup plus calme. La séismicité intraplaque est en effet généralement liée à un volcanisme dit « intraplaque » d’origine profonde dont le mécanisme est indépendant du fonctionnement des plaques. Nous ne reviendrons pas plus sur ce schéma bien établi et largement connu. A l’échelle régionale, la carte de la France des séismes d’une seule année (Fig. 16a) prouve combien la Terre est agitée de soubresaut, le plus souvent imperceptibles mais quasi permanents. Elle montre aussi la

Fig. 15 : enregistrement du séisme de Santa Cruz 1989 par la station de St Sauveur en Rue (Loire)

Rose , séismes historique ; rouge, séismes mesurés ; échelle colorée, profondeur des séismes ; la coupe dans la croûte (Crt) et le Manteau (Mtl) suit le tracé fléché. - 53 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 en moyenne au moins un séisme d’intensité égale ou supérieure à 5, et quelques-uns par millénaire, d’intensité Fig. 17a : courbes temps vs distance. supérieure à 8 sur l’échelle de Richter (cf. $ Magnitude) qui peuvent être dévastateurs. En France, on compte 1 séisme d’intensité moyenne tous les 10 ans, et 1 séisme violent par siècle. L’arc alpin est la zone la plus mobile du territoire métropolitain. La figure 16b montre la relation étroite qui existe entre la structure profonde de la chaîne des Alpes et d’une part dans la distribution en carte des séismes et d’autre part la profondeur de ces séismes. La plaque Ouest- Européenne plonge sous la plaque italienne (appelée Apulie) engendrant des séismes de plus en plus profonds vers l’est. Descartes pour décrire le parcours de ce rai. Si la Ce type de structure correspond à la situation de collision de propagation de l’onde n’est pas sphérique, le rai sismique ne deux plaques, dans ce cas poussée par l’avancée de décrit pas une droite mais une courbe (Fig. 17b à gauche). l’Afrique et la fermeture de la Méditerranée. Pour étudier l’effet de cette variation de vitesse avec Il apparaît aussi sur la carte de France un axe la profondeur, considérons une Terre constituée d’un Bretagne Massif-Cenral, qui témoigne d’une sismicité plus matériau aux propriétés sphéroconcentriques, qui sera diffuse mais néanmoins bien réelle. Dans cette région la discrétisée pour la commodité du propos en une suite de magnitude des séismes dépasse rarement 4 ; la relaxation sphères homogènes emboîtées (Fig. 17b centre). Pour un rai des contraintes encaissées par cette partie Ouest du craton arrivant en P sur la surface sphérique de profondeur z sous européen est très largement guidée par des failles anciennes l'incidence i avec la vitesse V, on écrira qu'il se réfracte à la profondes, héritées de l’histoire hercynienne de cette région, vitesse V' sous l'angle r, tel que : qui a structuré l’écorce terrestre dans cette région du globe Sin i/V = Sin r/V '. durant l’ère Primaire. La figure 17b montre que R sin r = R' sin i' = OQ 3 - La propagation des ondes et donc R sin i / V = R sin r /V' = R' sin i' / V' On constate à partir des courbes temps vs distance La quantité R Sin i / V est constante le long du rai, (Fig. 17a) que la vitesse moyenne des ondes de surface est on l'appelle le paramètre du rai. quasi constante (de l’ordre de 4.4 Km/sec) avec l’éloignement de l’hypocentre (foyer du séisme). Par contre, La figure 17b montre à droite que lorsque la vitesse la vitesse moyenne des ondes de volume augmente avec la croît avec la profondeur, le rai est concave vers le haut. Au distance au foyer, traduisant le fait qu’elles traversent des point le plus bas (sin i =1) la valeur du paramètre de rai p est domaines de plus en plus « véloces ». égale à R/V. a - Rebroussement des ondes de volume Si l'on prend deux rais, PQ et P'Q', de paramètre p et p+ ∆p, qui parcourent respectivement les distances Si la Terre était constituée d’un matériau aux angulaires ∆ et ∆+ d ∆, on a: propriétés homogènes et isotropes autour du foyer, le front sin i= NP/PP' . de l’onde créé par l’ébranlement serait sphérique (vitesse En posant dt, la différence de temps mis par les deux constante, quelle que soit la direction à partir du foyer). rais sur leur trajet on écrit : Mais il n’en est rien, car même si l’on considère que la Terre est constituée d’un seul matériau, celui-ci voit augmenter Sin i= Vdt/Rd ∆.Le paramètre du rai PQ s'écrit son poids volumique en raison de l’accroissement de alors : pression avec la profondeur. Donc vers le bas, la vitesse p = dt/d ∆, pente de la courbe t= f( ∆) moyenne de propagation croît avec la distance au foyer, et cela signifie que le front de l’onde qui traverse des domaines b - La fonction temps –distance des ondes de plus en plus profonds est de plus en plus « en avance » sur le front sphérique. Il n’est donc plus sphérique de volume mais ellipsoïdal (Fig. 17b à gauche). La figure 18 illustre à travers leurs courbes t-∆ les Par analogie avec l'optique, on utilise la normale au divers trajets possibles de rais sismiques des ondes de front d'onde pour définir le rai sismique , et la loi de volume en milieu homogène, soit à vitesse constante (18a), Fig. 17b : rais sismiques.

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Fig. 18 : caractérisation sismique de divers milieux : a) homogène ; b) hétérogènes, 1-régulier , 2-3 irréguliers. a) b)-1 b)-2 b)-3

soit lorsque V augmente de façon constante (Fig. 18b1) ce discontinuité. qui introduit le point de rebroussement pour chaque rai ( ↑). En résumé, un ébranlement de l’écorce terrestre crée La présence d'une zone d’accroissement de la vitesse deux ondes de volume, P et S, susceptibles d’être polarisées- (Fig. 18b2, ―) conduit à un rebroussement précoce ( ↑) et réfléchies et polarisées-réfractées chaque fois qu’elles provoque l'apparition d'une région recevant le train d'ondes rencontrent un contraste d’impédance acoustique, c’est à anormalement tôt ( ↓). dire une variation brutale des caractéristiques pétrophysiques du milieu (Fig. 18-b2-b3 et Fig. 19 a-b). Il Inversement, la présence d'une région à basse vitesse convient de ne pas confondre les caractéristiques (Fig. 18b3, ―) conduit à une incidence critique qui éloigne deux rais infiniment voisins, l’un étant rebroussé vers le pétrophysiques avec les caractéristiques pétrologiques haut ( ↓B), l’autre étant réfracté plus profondément avant (minéralogie) du milieu, car si une variation brutale de la minéralogie peut se traduire par une variation importante de d’être rebroussé lorsque la vitesse du milieu est l’impédance, elle ne l’impose pas nécessairement. C’est remontée( ↓C) ; Les rais un peu plus profonds, bénéficiant néanmoins largement grâce à l’analyse poussée des ondes d’une vitesse accrue seront un temps rebroussés un peu sismiques, recherche d’hyperboles de réflexions, recherche avant C, et émergeront entre D et C puis au-delà de C ; cela laisse une zone d'ombre qui ne peut recevoir de trains d’ondes coniques que l’imagerie du sous-sol proche (quelques Km) permet aux pétroliers d’organiser d'ondes partis de F (lire MC - Seismologie - Zone ombre - LeBellour l’exploitation de la ressource, gaz ou pétrole. A l’échelle de & Tersonnier.htm ). la Terre, l’ensemble des séismographes écoute notre planète Nous avons évoqué le cas d’une variation continue en permanence, rendant possible la modélisation de des propriétés physiques, mais de telles variations peuvent l’intérieur de la Terre. aussi être discontinues. Elles séparent des terrains dont les impédances acoustiques reflètent des différences de c – Le chant de la Terre : oscillations compressibilité et de rigidité des matériaux constitutifs. Sur une telle discontinuité, comme en optique, le rai sismique propres incident donne naissance à un rai réfléchi (Fig. 19a) et à un Notons tout d’abord que, voyageant au voisinage de rai réfracté. la surface terrestre les ondes de Love et de Rayleigh ne Comme en optique encore, sous incidence critique et subissent pas d’augmentation de vitesse liée à la profondeur, dans les conditions de vitesse ad hoc (V milieu inférieur > V ce qui explique que leur vitesse est à peu près constante ; en milieu supérieur), le rai subit une réfraction totale (fig. 19b), fait celle-ci dépend de la nature des matériaux traversés. et voyage à l’interface « dans » la discontinuité à la vitesse Fig. 19b : fonction temps-distance onde réfractée. du milieu inférieur rapide, générant des ondes coniques. une onde issue de S dans le milieu à vitesse V1, Comme en optique enfin, les ondes réfléchies et réfractée sous incidence critique génère une onde conique réfractées sont polarisées lors de leur rencontre de la qui voyage dans l’interface de séparation avec le milieu à Fig. 19a : fonction temps-distance onde réfléchie. vitesse V2, à la vitesse V2.L’expression de la fonction ∆ ∆ ∆t = f( ∆x), pour une onde issue de S dans le milieu à temps-distance, t = f( x), est une droite tangente à vitesse V1, réfléchie sur l’interface de séparation avec le l’hyperbole temps-distance de l’ onde réfléchie , au point milieu à vitesse V2 est une hyperbole admettant la fonction correspondant à la valeur d’incidence critique. En deça de linéaire temps distance de l’onde directe pour asymptote ce point, aucune onde conique ne peut être générée. ∆ t ( I) = 2 d ( I ) /V 1 R efraction R eflexion ∆ x (Ic ) /2 ∆ ∆ x ( I) S x S x h h ∆ V 1 d ( I) V 1 2d x d (Ic ) I c I ∆ t ∆ x /V 1 ∆ t (Ic ) = 2 d (Ic ) /V 1 V V 2 + [ ∆ x − ∆ x ] /V V > V 2 V 2 > V 1 ( I) (Ic ) 2 2 1

- 55 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 20 : paquets d’ondes de surface progressives amorties. X très destructive XI dévastatrice XII catastrophique I, imperceptible - la secousse n'est pas perçue par les personnes, même dans l'environnement le plus favorable II , à peine ressentie - les vibrations ne sont ressenties que par quelques individus au repos dans leur habitation, plus particulièrement dans les étages supérieurs des bâtiments. III, faible - l'intensité de la secousse est faible et n'est ressentie que par quelques personnes à l'intérieur des constructions. Des observateurs attentifs notent un léger balancement des objets suspendus ou des lustres. IV , ressenti par beaucoup - le séisme est ressenti à l'intérieur des constructions par quelques personnes, mais très peu le perçoivent à l'extérieur. Certains dormeurs sont réveillés. La population n'est pas effrayée par l'amplitude de la vibration. Les fenêtres, les portes et les assiettes

Relativement rapides dans les matériaux massifs comme les tremblent. Les objets suspendus se balancent., roches de profondeur venues affleurer en surface (e.g. V, forte - la secousse est ressentie à l'intérieur des granites les basaltes etc.), leur vitesse chute dans les constructions par de nombreuses personnes et par matériaux sédimentaires meubles, contenant de l’eau ou de quelques personnes à l'extérieur. De nombreux dormeurs l’air ; la fréquence du signal s’abaisse, et son amplitude s'éveillent, quelques-uns sortent en courant. Les croît, rendant ces ondes cisaillantes (Love) ou elliptiques constructions sont agitées d'un tremblement général. Les (Rayleigh) d’autant plus destructrices, dans les plaines objets suspendus sont animés d'un large balancement. alluviales par exemple. Les assiettes et les verres se choquent. Le mobilier lourd En second lieu, les ondes de surface sont guidées tombe. Les portes et fenêtres battent avec violence ou entre la surface de la Terre et la base des couches claquent. superficielles qui composent la lithosphère. Lors des VI, légers dommages - le séisme est ressenti par la plupart séismes forts, elles effectuent plusieurs fois le tour de la des personnes, aussi bien à l'intérieur qu'à l'extérieur. De terre, traçant des paquets d'ondes (fig. 20) se propageant en nombreuses personnes sont effrayées et se précipitent un cercle qui s’agrandit à partir de l’épicentre. En interférant vers l'extérieur. Les objets de petite taille tombent. De entre elles, elles construisent des ondes stationnaires, qui légers dommages sur la plupart des constructions oscillent à des fréquences qui ne dépendent que de la nature ordinaires apparaissent: fissurations des plâtres; chutes et de la structure interne de la Terre. La Terre résonne alors de petits débris de plâtre. comme une cloche, avec une période fondamentale (grave) de 54 minutes, et des harmoniques qui décroissent jusqu’à VII, dommages significatifs - La plupart des personnes sont quelques secondes (quelques fractions de Hertz), et une effrayées et se précipitent dehors. Le mobilier est amplitude maximale de l’ordre du millimètre. On utilise renversé et les objets suspendus tombent en grand l'analyse en fréquence des oscillations libres de notre planète nombre. Beaucoup de bâtiments ordinaires sont comme un spectroscope pour en analyser les hétérogénéités. modérément endommagés: fissurations des murs; chutes de parties de cheminées. d – Magnitude et Intensité d’un séisme VIII, dommages importants - dans certains cas, le mobilier L’intensité d’un séisme est définie par les désordres se renverse. Les constructions subissent des dommages: qu’il engendre. Echelles de XII degrés, les échelles de chutes de cheminées; lézardes larges et profondes dans Mercalli, puis MKS, puis échelle EMS 92 préfigurant de les murs; effondrements partiels éventuels. l'échelle EMS 98 utilisée depuis janvier 2000 par le BCSF IX, destructive - Les monuments et les statues se déplacent (Bureau Central Sismologique Français), ces échelles ou tournent sur eux-mêmes. Beaucoup de bâtiments expriment la façon dont la secousse a été ressentie et quels s'effondrent en partie, quelques-uns entièrement. dégâts ont été observés (tableau 2). X, très destructive, Beaucoup de constructions s'effondrent. Tableau 2 : l'échelle EMS 98 degré Secousse XI , dévastatrice - La plupart des constructions s'effondrent. I imperceptible XII , catastrophique - Pratiquement toutes les structures au- II à peine ressentie dessus et au-dessous du sol sont gravement III faible endommagées ou détruites IV ressentie par beaucoup V forte La magnitude d’un séisme quantifie l’énergie VI légers dommages dissipée au foyer du séisme, sur une échelle logarithmique, VII dommages significatifs échelle ouverte de Richter , qui utilise la hauteur de sa trace VIII dommages importants du séisme sur un enregistrement normalisé. Il existe IX destructive plusieurs types de normalisations, utilisées en fonction de - 56 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

l’énergie dissipée, de la distance de l’épicentre, mais toutes m0 = µ.S.D sont comparables dans leur principe (Fig. 21). Dans le cas avec: µ: rigidité du milieu ; D: Déplacement de cette figure, le séisme enregistré laisse une trace de 23 moyen sur la faille ; S: Surface de la faille. mm. Pour une distance à l’épicentre nulle la valeur de 23 mm donne une magnitude de 2.2. Si l’on suppose que Il ne sera pas fait mention dans le poly des effets l’enregistrement a été fait à une distance de 400 km de morphologiques des séismes : failles, effondrements, l’épicentre, la magnitude atteinte par ce séisme est de l’ordre rejets, tsunamis... On pourra télécharger la présentation de 5. ppt de 2004 construite à l’occasion du tsunami (http://www.emse.fr/~bouchardon/enseignement/tsunami La magnitude est calculée soit à partir de l'amplitude -2004/tsu_0000.htm ). comme précédemment, soit à partir de la durée du signal. Son calcul nécessite plusieurs corrections : elles tiennent 4 - Hétérogénéités terrestres : le modèle compte du type de sismographe utilisé, de la distance entre PREM le séisme et le sismographe, de la profondeur du séisme et de la nature du sol à la verticale du sismographe. Les Lire Q - Seismologie - Discontinuités sismique de la Terre - différentes magnitudes utilisées sont : Melou & Villien.htm ;MC - Planeto - Enveloppes rocheuses - modele PREM - Melou &Tersonnier.htm . Pour établir précisément les La magnitude locale ML - on l'utilise pour des séismes trajets des ondes dans le globe (c’est à dire les profils de proches (dits séismes locaux) ; elle est définie à partir de vitesse), il est nécessaire de disposer d'une relation entre l'amplitude maximale des ondes P ; Elle est toujours l’incompressibilité, la densité, la pression et la température. moyennée sur plusieurs stations en tenant compte des Pour les régions profondes, que l’on peut considérer comme corrections locales. sphéroconcentriques en première approximation, nous La magnitude des ondes de surface MS - elle est utilisée disposons d’une relation entre incompressibilité, densité et pour les séismes lointains (dits télé-séismes), dont la pression, appelée équation d'état d'Adams-Williamson. profondeur est inférieure à 80 km. Elle se calcule à partir Avec cette relation établie en 1923, Adams et Williamson de l'amplitude des ondes de surface. avaient pu montrer que compte tenu des densités de surface, de la densité moyenne, et des valeurs de K, la Terre devait La magnitude des ondes de volume M - elle est définie pour être constituée d'au moins deux couches de densité très les très gros séismes. Elle est calculée à partir d'un différente. Elle prévoit qu'à la profondeur z, la variation de modèle physique de source sismique et est reliée au densité d ρ avec la variation de profondeur dz est de la moment sismique m0 : forme : ρ ρ Φ Fig. 21 : échelle de Richter. d /dz=g / Un séisme de magnitude 0 laisse sur un sismographe Wood- Le paramètre sismique Φ est égal à K/ ρ (K, module Anderson placé à 100 km de distance une trace de 01-3 mm élastique d'incompressibilité). Connaissant, gz, ρz et Φz à la de hauteur ; il peut donc exister des séismes de magnitude profondeur z, les sismologues sont en mesure d'établir les <0, et il n’y a d’autre limite supérieure à cette échelle que profils des densités au sein de la planète. celle des matériaux terrestre à emmagasiner les contraintes. Plus la contrainte emmagasinée est forte, plus l’énergie Mais à faible profondeur, la Terre est trop hétérogène correspondant à sa relaxation durant l’ébranlement sera forte, pour qu'une équation d'état entre ces divers paramètres 10 sur l’échelle de Richter n’a jamais été atteint à ce jour, suffise à décrire les variations des ondes sismiques. On mais cette échelle est ouverte utilisera pour cette région d’une autre loi, empirique, la Loi de Birch , qui relie directement la vitesse des ondes à la masse atomique moyenne des roches (indépendamment de leur composition minérale) et à leur densité (Fig. 22) mesurées pour des corps purs dans des conditions de pression variées. C’est aussi sur la base de ses expériences à haute pression que Birch put confirmer dès 1961 que les vitesses sismiques atteintes dans le noyau, de l’ordre de 10 km/sec étaient beaucoup trop faibles pour correspondre, aux

Fig. 22 : corrélations expérimentales entre vitesse des ondes et la densité de divers éléments.

0.001mm - 57 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 23 : relations vitesse des ondes – profondeur .

pressions considérées, à un matériau mantellique. Par contre le Fer constituait un excellent candidat pour la Ayant reconstitué ainsi les discontinuités majeures, constitution du noyau . on estime les sauts de densité (et donc de composition) qui en découlent, et l'on fournit enfin une appréciation de l'état Ainsi outillés de relations densité-vitesse, les physique (fluidité) des divers milieux rencontrés. Le sismologues peuvent maintenant construire le modèle comportement des ondes est à cet égard très pertinent. La inverse du trajet des ondes à travers la planète à partir des présence d'une infime fraction liquide (<<1%) aux joints des temps d'arrivée. Le modèle PREM (Preliminary Reference grains d'un solide, ou le seul fait d'approcher de son point de Earth Model), résume l'état de nos connaissances en la début de fusion (solidus), suffit à provoquer une diminution matière, en se basant sur les variations de la vitesse des de vitesse des ondes sismiques. ondes en fonction de la profondeur qui mettent en évidence plusieurs discontinuités (Fig. 23 & 24a-b, Lire MC - Planeto - a - La Croûte Terrestre. Discontinuites sismiques - Melou & Tersonnier.htm ) : 1 - La discontinuité de Mohorovicic séparant croûte Les principaux résultats concernant la constitution de et manteau ( CMB pour Crust-Mantle Boundary), la croûte ont été obtenus à partir des séismes proches de la entre 10 et 70 km par une augmentation brusque de la surface ou par les séismes provoqués (prospection sismique vitesse à la base de la croûte ; des sédiments et sismologie expérimentale). Les forages fournissent une observation directe sur les premiers 2 - La discontinuité de Gutenberg séparant kilomètres ; guère plus de 1 km en milieu océanique, 4 à 5 manteau et noyau à 2900 Km par une chute brusque de km en milieu continental avec un record de 12 km atteint par vitesse de 13,6 à 8,1 km/s; l’ambitieux projet soviétique (à l’époque) d’atteindre le 3 - La discontinuité de Lehmann séparant noyau « Moho » sous la presqu’île de Kola. Les conditions P, T° et graine à 5100 Km par une augmentation rapide, de sont telles que l’on se situe là à la limite de résistance du 9,5 à 11,2 km/s, précédée d’une petite diminution. matériel de forage. Seuls les tirs expérimentaux ont pu apporter des résultats précis sur la croûte océanique et sur Fig. 24a : modèle PREM. les divers segments la croûte continentale, boucliers anciens et bassins sédimentaires, zones plissées modernes, marges continentales actives et passives, arcs insulaires, etc.

Fig. 24b : courbes densité, pression dans le modèle PREM.

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En domaine océanique , sous une tranche d’eau 3 - Dans les zones de surrections de montagnes , en variant de 2.5 à 5 km, la croûte est mince. En effet, la revanche, l’épaisseur de la croûte augmente; elle est discontinuité de Mohorovicic se situe en moyenne à 10 ou estimée à 55 km dans les Alpes occidentales et 11 kilomètres au-dessous du niveau de la mer (pris en atteint 70 km dans la Bernina, l’Hindu-Kúch et dans référence), donc l’épaisseur de la croûte peut être les montagnes de Kirghizie. Sous ces montagnes, on sensiblement inférieure à 5 Km, en particulier au droit des met en évidence la remontée anormale à faible dorsales, sous lesquelles le « Moho » peut remonter de façon profondeur de roches à grande vitesse de propagation spectaculaire. La croûte océanique est constituée de 3 (7,2 à 7,4 km/s) comme la zone d’Ivrea dans les couches : Alpes occidentales. Elles pourraient représenter des morceaux de manteau jalonnant la suture entre les 2 1 - des sédiments à faible vitesse (V environ 1.7 à 2.5 P plaques qui donnent naissance à ces chaînes de km/s) dont l’épaisseur augmente en s’éloignant des montagnes. Le relief terrestre résulte d’une part du dorsales ; contraste de densité entre croûte et manteau, et 2 - une couche basaltique à fort gradient de vitesse (V P d’autre part des capacités des matériaux (croûte et passe de 3.5 à 6.1 km/s) ; manteau) à se déformer. On admet en général que la 3 - une couche de nature plus variée: gabbro , l’équivalent chaîne Himalaya n’est pas très éloignée de ce largement cristallisé des basaltes sus-jacents ; maximum. amphibolite , l’équivalent métamorphisé des gabbros A la limite du continent et de l’océan , dans les ou basaltes ; serpentine, péridotites transformées par marges passives comme celles de l’Atlantique (pas de hydratation. La vitesse des ondes P augmente très volcanisme, pas de fosse), la discontinuité de Mohorovicic lentement (entre 6,4 et 7,1 km/s) dans cette 3° couche. remonte progressivement dans les marges continentales. Dans les régions de marges continentales actives Dans la croûte continentale , sous les sédiments (volcanisme et fosse sous-marine) à faible activité, ce lorsqu’ils sont présents, on trouve partout une vitesse schéma simpliste d’amincissement crustal reste globalement d’environ 6,2 km/s, que l’on attribue à des ondes coniques vrai : dans le golfe de l’Alaska par exemple, on observe le propagées sous la limite supérieure du socle granitique. Les « Moho » à 29 km près de la côte, puis à 23-25 km sous le résultats concernant la partie profonde de la croûte sont plateau continental, 13-15 km sous la fosse aléoutienne, et beaucoup moins concordants. Toutefois, la vitesse moyenne 9-11 km sous la plaine abyssale. Par contre cette observée (environ 6,3 km/s) suggère encore une nature discontinuité disparaît sous les guirlandes d’arcs granitique, avec des intrusions de roches à plus grande volcaniques. Dans la marge active, des zones d’anomalies, vitesse, probablement de nature plus basaltique. La croûte comme la bordure orientale de la sierra Nevada (7,2 à 7,4 continentale est épaisse, avec de fortes variations : km/s) récemment découverte par la réfraction sismique, 1 - Dans les plates-formes continentales , aux États- mettent en évidence la remontée de matériaux rapides. Unis, au Canada, en Australie, les épaisseurs connues sont comprises entre 35 et 37 b - manteau supérieur kilomètres. Dans le manteau supérieur, les ondes coniques P n qui 2 - En France , son épaisseur est de l’ordre de 30 km se propagent à sa limite supérieure (sous le réflecteur dans le Massif central et le Bassin parisien. Elle croûte–manteau), ont une vitesse voisine de 8,2 km/s tant chute à environ 20 km sous les fossés sous les continents que sous les océans. Cela suggère que le d’effondrement (Limagne d’Allier, vallée du Rhin) ; manteau supérieur est un matériau homogène. La réalisation Tableau 3 : vitesses et fréquences des ondes sismiques dans le manteau et dans le noyau

- 59 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 de grands profils sismiques à partir des explosions l’isotherme de transition entre le manteau conductif (non nucléaires souterraines (îles Aléoutiennes, Nevada, Sahara), adiabatique) et le manteau convectif adiabatique ( TBL pour à partir des tirs en mer, et à partir de séismes naturels, a mis Thermal Boundary Laye r) et comme une limite rhéologique en évidence l’organisation en couches concentriques du entre le manteau convectif et le manteau lithosphérique manteau supérieur et ses deux caractéristiques essentielles rigide ( LAB pour Lithosphère-Asthénosphère Boundary ). (lire MC - Planeto - Lithosphere asthenosphere- Autixier & Une telle limite est susceptible de varier en profondeur de Tersonnier.htm ) : manière importante en fonction du flux de chaleur (venu du 1 - Il présente entre 125-140 km et 235 km une couche à manteau convectif) qui traverse la base de la lithosphère. Toutefois, en raison même de son isolement souvent long faible vitesse mise en évidence par la diminution de la vis à vis du reste du manteau, le manteau lithosphérique (en vitesse des ondes P et S (Fig. 23 et Tableau 3). Elle est particulier sous-continental) est voué à une évolution appelée Low Velocity Zone ( LVZ ) ou asthénosphère particulière, nécessairement liée étroitement à l’histoire de car considérée comme ductile (astheno = sans force). En raison des conditions de pression et de température la croûte sus-jacente. Au droit des continents surtout, on qui y règnent, c’est dans cette région de la Terre que parlera donc à juste titre de les matériaux rocheux sont globalement le plus proche manteau lithosphérique subcontinental , de leur point de fusion. Ils peuvent même localement par opposition au manteau supérieur convectif appelé fondre très partiellement (quelques %), et leur manteau supérieur asthénosphérique . viscosité est donc particulièrement faible. C’est donc cette région du manteau supérieur qui permet la c - manteau inférieur compensation isostatique des variations de poids dans la colonne rocheuse sus-jacente. Pour l’opposer à Nous entrons dans le manteau inférieur avec une l’asthénosphère, on nomme Lithosphère l’ensemble forte discontinuité située vers 670 km. Par rapport aux de cette colonne rocheuse sus-jacente, à la fois plus transitions de phases mises en évidence dans le manteau sus- ρ ρ ≈ hétérogène 21 et au comportement beaucoup plus jacent, celle-ci fait apparaître un saut de densité ( inf / sup ν ν fragile . Une remontée de la LVZ (asthénosphère) 1.1) et un saut de viscosité ( inf / sup >10) beaucoup plus jusqu’au voisinage de la surface pourrait expliquer les importants. Pour les géochimistes, la composition chimique anomalies de vitesse dans la zone d’Ivrea, sous le des deux manteaux peut être considérée comme Massif central, ou encore sous les dorsales océaniques significativement différente. Le manteau supérieur apparaît 22 et les guirlandes d’îles volcaniques (foyers à la base de de nature péridotitique alors que le manteau inférieur la couche). A l’inverse, la lithosphère à croûte semble avoir gardé au moins en partie des caractères océanique froide et rigide plonge sous les continents à chimiques voisins de ceux des matériaux les moins partir des fosses océaniques. différenciés que nous connaissions, les chondrites. Toutefois, cette différence de composition ne peut expliquer 2 - Sa vitesse croît ensuite rapidement jusque vers 670 à elle seule le contraste physique observé. Le manteau est km , mais par paliers successifs. Chaque palier bien constitué de part et d’autre de la discontinuité à 670 km correspondrait alors à un assemblage de phases essentiellement de Silicium et d’Oxygène, et il faut donc minérales, et les sauts à des transitions de phases. que les silicates du manteau inférieur présentent une Celles-ci pourraient être de deux types. Jusqu’à 400 structure beaucoup plus compacte (structure octaédrique dite km environ, la structure de base des matériaux silicatés pérovskite, SiO 6 cf. Chp. 4.C.1) que celle des silicates du resterait celle que l’on connaît en surface, et au-delà ils manteau supérieur (structure tétraédrique SiO 4). Le rôle acquerraient une structure plus dense. Toutefois, séparateur de ce changement de phase est encore largement l’élément de base des silicates que nous connaissons, discuté de nos jours, car il intervient directement dans le le tétraèdre SiO 4, y serait conservé, nous y reviendrons mode de convection du manteau, soit à deux étages (deux au chapitre 4. Cette zone est souvent appelée zone de sphères emboîtées convectant de manière indépendante), transition. soit à un seul étage, et la distinction entre un manteau supérieur et un manteau inférieur n’aurait alors pas de Rappelons que l’on appelle plaque lithosphérique la signification majeure. partie située au-dessus de la LVZ. Si la partie supérieure de la lithosphère a un comportement élastique, la partie Deux couches caractérisées par des spectres de inférieure présente un comportement déjà plus ou moins basses fréquences ont été mises en évidence dans le manteau ductile. La Lithosphère associe donc : inférieur : 1 - La croûte terrestre, issue du fractionnement du 1 - la première, entre 620 et 950 km, constitue l’interface manteau, de nature très variée selon son origine entre manteau supérieur et manteau inférieur (Fig. 23 océanique ou continentale ; & 24); elle se situe au voisinage de la profondeur à laquelle disparaissent les foyers sismiques, en partie 2 - La partie sommitale du manteau, suffisamment sans doute dans la zone de passage de la structure « froide » pour que ses propriétés mécaniques spinelle à la structure pérovskite. Le devenir des permettent de le désaccoupler du manteau convectif plaques subductées, dont on perd la trace sismique à sous-jacent. cette profondeur, n’est pas clair ; La limite inférieure de la lithosphère apparaît donc bien moins comme une limite chimique que comme

22 Péridotite : roche constituée essentiellement de silicates 21 Elle est composée de manteau supérieur plus rapide et de magnésiens dont la fusion partielle est à l’origine des la croûte (continentale ou océanique). basaltes.

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2 - la seconde, à la base du manteau, se manifeste par une sont en effet réfractés, car les ondes sont très ralenties par rapide décroissance des fréquences dominantes vers l'état liquide du noyau. Pour des angles de plus en plus forts, une profondeur de 2850 km. Cette couche dénommée le ralentissement induit d'abord un rebroussement des rais « D’’ », est actuellement l’objet d’une attention jusqu'à 142°. Ensuite, l'émergence est de nouveau croissante particulière. Elle reflèterait à la fois les interactions jusqu'à 180°. La région 105-142° ne reçoit donc aucun entre noyau et manteau, et le stockage profond de train d'ondes en provenance de F . En 1926, Sir Harold morceaux de plaques subductées. Jeffreys constate que l'amplitude des marées terrestres impose que la rigidité moyenne de la Terre, connue à travers Pour d’autres auteurs cette couche D ’’ résulterait de la mesure des vitesses de propagation des ondes sismiques, la séparation par gravité des matériaux denses générés dans est inférieure à celle du manteau. Il en déduisit que le noyau les premiers stades de la vie de la Terre. Nous avons noté devait avoir une rigidité nulle, et donc être liquide. La non- que la fin de la période d’accrétion - différenciation propagation des ondes S dans le noyau est venue confirmer coïncide avec le maximum thermique de notre planète : collisions à grande vitesse, éléments radioactifs à vie longue l’état liquide du noyau. abondants et éléments radioactif à vie courte encore Dans les années 30, le perfectionnement des présents. Comme pour la Lune (cf. Chp. 4.D.1.d), la partie sismographes permet d'observer des ondes à faible supérieur au moins du manteau (ou sa totalité ?) était amplitude. Parmi celles-ci, les ondes notées PKIKP dans la probablement un océan magmatique, en cours de figure 25 sont incompatibles avec l'hypothèse d'un noyau cristallisation ; comme sur la Lune, cette cristallisation homogène. Dès 1936, Inge Lehmann en déduit l'existence fractionnée a pu générer des continents de matériau d'une discontinuité à l'intérieur du noyau, la graine (1220 km feldspathique léger, et à l’opposé des matériaux cristallisés de rayon). Les sismologues ont montré que le spectre des plus denses que le liquide. En sombrant vers le fond du modes propres des oscillations de la Terre décrites plus réservoir, ces matériaux solides soumis à pression croissante avant (fig. 20) ne peut s'expliquer que si la graine est solide pouvaient donner naissance à des assemblages plus denses et légèrement plus dense que le noyau externe. La courbe de que le liquide, voir même que le manteau non fondu. C’est vitesse des ondes P (Fig. 23) illustre bien cette structure dans ce type de scénario que certains auteurs recherchent la stratifiée du noyau: naissance de la couche D ’’ encore mystérieuse. 1 - Dans le noyau externe liquide , la vitesse des ondes P croît lentement ; d - Le Noyau 2 - Le contact noyau-graine (noyau externe - noyau Le réseau d'observatoires séismologiques mis en interne) est marqué par un petit ralentissement ; place à travers le monde à partir de la fin du XIX° permet de connaître le temps mis par une onde sismique pour parcourir 3 - L’entrée dans la graine solide provoque un fort une distance donnée. Dès 1906, Oldham constate que les gradient positif de la vitesse; ondes S captées au-delà de 14000 km de l'épicentre d'un 4 - Peut-être une autre discontinuité est-elle marquée par séisme sont en retard d'une dizaine de minutes sur le temps une petite chute de vitesse, puis celle-ci croît prévu. Il en déduit qu'il existe une structure interne centrale lentement jusqu’au centre de la Terre. où les ondes sismiques se propagent moins vite. Mais le L’étude encore très incomplète des spectres d’énergie phénomène sismique planétaire le plus marquant est montre également une structure stratifiée du noyau l'existence de la zone d'ombre créée par le noyau , mis en (Tableau 3 et Fig. 23), ainsi que des corrélations importantes évidence en 1912 par Gutenberg. Il observa qu’aucune entre les variations de vitesse des ondes P et les spectres de onde P n'est détectée par les sismographes situés à des fréquence de ces ondes. distances angulaires de l'épicentre comprises entre 105 et 142°, et parvint alors à estimer la profondeur du noyau à 2900 km. En effet, partant d'un foyer F (Fig. 25), les ondes P C - Le magnétisme arrivent directement en tout point situé à une distance angulaire inférieure à 105°. Le rai correspondant à cette Voir cours_2012_2013_magnetisme.ppsx . ; Les aurores valeur effleure le noyau. A peine au-delà, il est réfracté dans polaires, draperies de lumière mouvante rose à vert bleuté le noyau sous l'angle limite, et émerge en surface à plus de visibles sous les hautes latitudes, ont longtemps hanté 180°. Bien que le Noyau soit de très haute densité, les rais l’imaginaire humain. Elles constituent la première manifestation observable de l'activité magnétique de la Fig. 25 : zone d'ombre créée par le noyau. planète. On a pu montrer par satellite et par des observations coordonnées aux deux pôles que ces phénomènes y sont simultanés et partiellement symétriques.

1 - le champ magnétique terrestre, La boussole est un instrument connu en Chine au début de notre ère, peut-être même au II° siècle avant J.C. Elle n'arrive en Europe qu'à la fin du XII°. Roger Bacon (1216), puis Petrus Pérégrinus (1269), notent que si l'aiguille aimantée pointe toujours dans la même direction, il n'y a pas forcément un lien ni avec l'étoile polaire, ni avec des masses de roches magnétiques, éparses sur la surface connue de la Terre.

- 61 - Relation entre Tesla, Oersted, et gamma

ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 26 : Le champ magnétique terrestre. Fig. 27 : champ dipolaire théorique.

Pérégrinus définit le concept de la polarité magnétique. Au XVI°, l'observation de l'inclinaison magnétique (Fig. 26, angle avec l’horizontale dans le plan du méridien magnétique) impose définitivement l'idée que le champ magnétique n'est pas lié à une

étoile mais à la Terre elle-même. La non coïncidence http://magnet-therapy-24.blogspot.fr/2011/11/earths-magnetic-fields-and-how-it.html des pôles magnétiques avec l'axe de rotation de la Terre (déclinaison, angle entre les directions des pôles ∞ n m [ { m n m n+1 } φ magnétique et géographique, déclinaison positive vers l’est V=R Σ Σ P n(θ) (g e) n(r/R) +(g i) n(R/r) Cos m n=1 m=0 et négative vers l’ouest, Fig. 26) était connue des chinois à +{(h )m (r/R) n+(h )m (R/r) n+1 }Sin m φ] l'époque où la boussole arrive chez nous. Nous en refaisons e n i n la découverte à cette époque, et Gilbert énonce en 1600 que où : m θ le champ magnétique terrestre est un dipôle et qu'il est P n( ) est la fonction harmonique sphérique de Schmidt ; interne à la planète. Au début du XIX°, Gauss formule la θ et φ sont respectivement les latitude et longitude magnétiques; théorie du magnétisme, mettant en évidence la g et h sont les coefficients de Gauss, pour les sources; prépondérance du champ dipolaire sur les champs e et i sont respectivement externe et interne à la sphère. multipolaires avec la distance . A la surface de la Terre, 90% du champ est assimilable à un dipôle, incliné de 11.5° Gauss montra en 1839 non seulement que sur l'axe de rotation de la Terre (fig. 27) l'approximation selon laquelle aucun courant électrique extérieur perturbant le champ terrestre était satisfaisante, En un point donné de la surface terrestre et à un mais qu'en outre les coefficients g et h pouvaient être moment donné, le champ F est défini (Fig. 26) par sa e e considérés comme nuls pour rendre compte de l'essentiel du déclinaison D, son inclinaison I et son intensité, qui varie de champ dipolaire à la surface de la Terre. Le champ terrestre l'équateur au pôle, entre 33000 et 70000 nano Teslas actuellement. pouvait donc bien être considéré comme d'origine interne. Restons quelques instants sur le champ dipolaire. Il 2 - Le champ déformé de la magnétosphère pourrait avoir une origine externe tout aussi bien qu’une cause interne. En première approximation, on admet En s'éloignant dans l'espace, la magnétosphère (cf. qu'aucun champ électrique ne perturbe le champ terrestre. Chp. 5.C.2) est très fortement déformée (Fig. 28a). Elle est Autrement dit, aucune ligne de courant ne recoupe la surface confinée par la pression du vent solaire (particules chargées, de la Terre, Gauss considère que le champ dipolaire de la protons, électrons, ions H +, He 2+ , constituant un plasma Terre considérée comme une sphère de rayon R, peut être contenant en moyenne 10 particules/cm 3) animé d’une dérivé du potentiel V, fonction qui satisfait aux équations de vitesse de quelques 300 Km sec -1dans le plan équatorial Laplace. solaire à 800 Km sec -1 au voisinage du pôle solaire. A l’image de l’onde de choc supersonique, le vent solaire Le potentiel V, en un point de la sphère peut alors provoque une onde de choc sur la face avant de la être représenté par une série d'harmoniques sphériques de magnétosphère. Le vent solaire a aussi pour effet d’étirer le degré n et d'ordre m de la forme: champ magnétique solaire jusqu’aux confins de notre Fig. 28a : champ magnétique terrestre comprimé et raccordé au champ solaire. Fig. 28b : piégeage des particules dans les vortex (aurore).

a) b) - 62 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 système. Dans la magnétopause, limite d’influence de la auroral, les aurores boréales et australes, grossièrement magnétosphère, les champs solaire et terrestre fusionnent. symétriques et simultanées (cf. . Fig. 29), en ionisant On parle de reconnections des lignes de champ. l'atmosphère très raréfiée au-delà de 70 Km (ionosphère). Nous y reviendrons lors de la description de l’atmosphère La déformation de la magnétosphère est permanente (Chp. 5.C.2). et considérable. Elle s’étend à environ 65000 Km en direction du soleil, soit environ 10 rayons terrestres Lors d'éruptions solaires particulièrement fortes, les seulement, mais à plus de 1000 rayons terrestres du côté satellites et les systèmes électriques au sol peuvent être nuit ! La “ densité ” de la magnéto gaine est de l'ordre de endommagés (on parle d’électrons tueurs de satellites), les 1000 particules/cm 3. compas et les liaisons radios. En temps ordinaire, l'essentiel du vent solaire est dévié par la magnétosphère et les particules solaires ne 3 - Le champ terrestre est actif parviennent pas jusqu’à l’ionosphère terrestre. Lors des En 1634, Gellibrand découvrit que la déclinaison et tempêtes solaires, le flux de particules est considérablement l'inclinaison varient lentement avec le temps. accéléré. Mesurée en 2001, la vitesse des électrons atteignait L'accumulation des relevés faits depuis lors a montré que la 750 Km.sec -1. Selon leur incidence, les particules sont soit position des pôles magnétiques terrestres a varié de façon détournées par les lignes du champ terrestre soit piégées et importante (plusieurs dizaines de degrés de longitude,. Cette dirigées vers la corne polaire (vortex, fig. 28b), nourrissant variation séculaire du champ est trop rapide pour être l’ovale auroral en particules (Fig. 29, degré d’ionisation des expliquée par un phénomène superficiel tel que la dérive des ovales nord et sud au moment de l’écriture de ces lignes). Si continents. Elle semblait dessiner une ellipse et on a l’énergie des particules est suffisante (cas les vents solaires longtemps attribué la variation séculaire à un phénomène de issus d’éruptions) elles descendent jusque dans la « basse » précession du champ dipolaire (rotation de l'axe du dipôle atmosphère. Elles y produisent de la lumière dans l’ovale autour d'un axe constant, à la manière d'une toupie). Mais les mesures des dernières décennies de la position des pôles Fig. 29 : ionisation des zones polaires 08 07 2013 . et la paléo variation obtenue sur des fours de potiers datés Le site web montre (en léger différé = 2h30) l’état (depuis le début du 1° Millénaire en Europe) et conservés en d’ionisation des zones polaires à 12h 35. Plus la zone est place ne viennent pas s’aligner sur l’ovale espéré, infirmant rouge plus la chance de voir une aurore est grande. La cette hypothèse. La variation séculaire n’est pas donc pas flèche rouge indique le sens du midi solaire vrai. encore clairement expliquée de nos jours. Comme l’indique l’Institut de Géophysique du Globe à Paris, la variation séculaire actuelle du champ magnétique se traduit (Fig. 30) par « une lente dérive des pôles magnétiques. Ainsi le pôle magnétique Nord se déplace actuellement à la vitesse de 55 km/an vers la Sibérie ». En outre on a pu montrer qu'en Europe occidentale, le champ magnétique a régulièrement décru depuis le ~VI° siècle jusqu’à sa valeur actuelle, perdant environ 50% de son intensité. On sait depuis Pérégrinus que le champ propre des matériaux observés en surface reflète le caractère ferromagnétique de certains minéraux ferrifères qui les constituent. Contrairement aux substances diamagnétiques ou paramagnétiques dont l’aimantation acquise sous l’effet d’un champ extérieur cesse avec ce champ, les corps ferromagnétiques sont capables d'enregistrer le champ existant et de le conserver ensuite, sauf pour une valeur faible de ce champ. L’aimantation J acquise par un corps ferromagnétique est fonction de l’intensité du champ appliqué H, jusqu’à saturation de l’aimantation Js (Fig. 31). L’aimantation acquise ne peut donc dépasser la valeur de Jc,

Fig. 30 : variation séculaire du champ magnétique.

http://www.swpc.noaa.gov/pmap/index.html

- 63 - http://www.ipgp.fr/pages/06030302.php

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Fig. 31 : courbe d’hystérésis des corps Ferromagnétiques. il crée un champ magnétique, et à cause de la turbulence, un courant est auto-induit dans le fluide. Si la configuration permet à ce courant d'amplifier le champ magnétique initial, le mécanisme est alors auto-entretenu (voir wiki PN, Origine du champ magnétique terrestre, W.Saifane 2010 ). Cette idée fut reprise par Elsasser (1946) puis par Bullard à propos du champ terrestre (1949). La dynamo- disque de Bullard (Fig. 32) en explique le principe : un disque conducteur tournant dans un champ magnétique initial produit une force électromotrice; les charges, stockées à la périphérie du disque sont évacuées par une spire coaxiale qui produit alors un champ qui renforce le champ initial. La résistance du circuit et le sens des courants induits (Lenz 1833) imposent une limite à l'accroissement du champ, mais la dynamo produira un champ tant que le

conducteur sera en rotation. quel que soit H. Lorsque le champ appliqué H cesse, l’aimantation J décroît jusqu’à Jr, aimantation rémanente, Dans une sphère fluide conductrice mais non mais ne s’annule pas. On peut faire disparaître cette convective en rotation et soumise à un champ initial il ne se aimantation rémanente en appliquant au corps aimanté un passe rien car la distribution de la conductivité est alors champ inverse, dit coercitif (Hc). En faisant varier le champ homogène. Par contre, le cas d'une sphère convective H entre deux valeurs identiques mais de sens opposé, on introduit une hétérogénéité. Le conducteur y décrira des obtient ainsi une courbe fermée d’aimantation appelée boucles simples, de la forme des cellules de convection. hystérésis. Les champs que l’on mesure sur des roches Depuis les travaux de F.H. Busse (1970) sur les systèmes en contenant des minéraux ferromagnétiques sont donc des rotation rapide, on imagine que la convection dans le noyau champs rémanents (fossiles), datant de leur cristallisation se fait au moyen de cellules parallèles à l’axe de rotation (e.g. roches volcaniques) ou de leur sédimentation (Fig. 33a). La vitesse de rotation étant maximum à (orientation dans le champ durant la chute vers le fond). l’équateur, ces cellules ne sont pas des cylindres mais des L’aimantation rémanente des matériaux ferromagnétiques lobes nord-sud enroulés par la rotation (Fig.33b). Le nombre est effacée par la température (point de Curie). La T° des lobes est proportionnel à la vitesse de rotation de la maximum du point de Curie des minéraux terrestre (silicates sphère. Le schéma de la convection de Busse montre, au ou oxydes) ne dépasse pas 770°C (Fe). Elle n’est que de sein de la cellule, les lignes de déplacement du fluide. Le 580°C pour la magnétite, principal minéral ferromagnétique champ magnétique étant gelé (piégé) dans le fer liquide du dans la croûte Terrestre. Compte tenu de la valeur du noyau, il est entrainé par la convection. gradient de T° terrestre, aucun champ rémanent ne peut donc subsister au-delà de 25 à 30 Km de profondeur . Le Fig. 33a : modèle de convection dans le noyau selon champ magnétique terrestre est donc actif, et lié à des Busse 1970. courants électriques profonds. Il existe donc une géo-dynamo magnétohydrodynamique au cœur de la planète. Le noyau représente à cet effet “LE ” candidat idéal : le Noyau est un conducteur (Fer liquide) animé de mouvements (courants de convection) plongé dans un champ initial (champ solaire)

4 - Un champ magnétique auto-entretenu

Lire Q - Magnetisme - Origine du champ magnétique terrestre - Saifane.htm . ; Q - Magnétisme - Le fonctionnement du noyau terrestre - Pacaud.htm . L'idée d'un champ magnétique auto-entretenu fut proposée tout d’abord par Larmor en 1919 pour expliquer le http://iopscience.iop.org/1367-2630/9/8/306/fulltext champ solaire. La dynamo Fig. 33b : Cellules de convection de Busse dans un hydrodynamique terrestre Fig. 32 : disque dynamo de Bullard. modèle actuel de sphère en rotation. est le moyen permettant la conversion de l'énergie cinétique tirée de la convection du noyau liquide — convection engendrée par la cristallisation fractionnée progressive du liquide Fe-Ni du noyau en graine solide — en énergie magnétique via le fluide conducteur qu’est le Fe-Ni liquide du

noyau. En effet, lorsque ce http://www.gla.ac.uk/schools/mathematicsstatistics/research/maths dernier est en mouvement, /fluids-mhd/#

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Fig. 34 : naissance d'un champ Fig. 35a : magnéto à double disque de éléments lourds (Fe, Ni, nous toroïdal dans une sphère Rikitake (1958). reviendrons sur la composition du hétérogène en rotation. noyau au chapitre 4) dans le processus de cristallisation de la graine au dépend du noyau liquide. Le liquide situé au-dessus de la surface de la graine « fraîchement » cristallisée se trouve ainsi enrichi en éléments légers (Si, O, S, H) par Fig. 35b : variations du courant avec le rapport au reste du liquide et tend temps. donc à convecter spontanément grâce à ce changement de densité lié au changement de composition. On considère maintenant au contraire, depuis Sakuraba & Kono, 1999, que la convection purement thermique est un moteur possible pour notre dynamo, et qu’il a fort bien pu

présider seul à la convection du Il suffit que la vitesse du fluide soit suffisante (x10 noyau terrestre, même dans un noyau resté entièrement km/an dans le noyau) pour que la force de Coriolis puisse liquide durant les premiers âges de la Terre. L’âge enrouler le conducteur, qui décrira alors des spires tout en magnétique connu de la Terre (environ 3.8 Ga.) n’est donc parcourant la boucle convective, dessinant un tore (Fig. 34). plus l’âge le plus ancien admissible pour la graine, et les La figure montre comment les lignes de force d'un champ modèles les plus récents de refroidissement du manteau et initial poloïdal commencent à s’enrouler (en haut à gauche du noyau suggèrent au contraire que la graine est puis à droite), donnant naissance à un champ tore (en bas à relativement jeune et n’aurait guère plus de 2Ga. gauche). Dans ce tore parcouru par le fluide conducteur naît Si une dynamo auto-entretenue comme la dynamo de alors un nouveau champ poloïdal (en bas à droite) qui vient Bullard peut maintenir un champ d'une polarité donnée, elle renforcer le champ poloïdal initial. La dynamo auto- peut fonctionner aussi avec la polarité inverse. La dynamo entretenue est alors activée. simple-disque de Bullard présente un fonctionnement Dans le Noyau terrestre, le champ dipolaire (90% du constant et stable. Par contre une dynamo à double disque, champ) résulterait de ce champ toroïdal, lié à la rotation de comme celle de Rikitake (Fig. 35a) montre des oscillations la Terre. Les 10% multipolaires du champ résulteraient en du champ et inversions spontanées des pôles (Fig. 35b). grande partie de mouvements cycloniques variés dans le noyau. Depuis Brunhes au début du XX° siècle, on On a longtemps pensé que la présence de la graine connaissait des régions volcaniques anciennes dont le solide reconnue au cœur du noyau liquide par le PREM était magnétisme rémanent montrait une polarité inverse de celle indispensable au fonctionnement d’une telle dynamo. Cette du champ actuel, mais ce phénomène d’inversion des pôles contrainte reposait sur l’idée que la convection du noyau a été clairement mis en évidence sur terre avec l’exploration était engendrée essentiellement par le fractionnement des des océans dans les années 1950 et 60 (Fig. 36) qui a montré que le plancher océanique est constitué d’une succession de Fig. 36 : structure symétrique et alternée du magnétisme bandes parallèles de polarité alternée, N-S puis S-N, etc. rémanent du plancher océanique Est Pacifique. L’inversion des pôles magnétiques terrestre n’a rien de régulier. On a pu mettre en évidence des durées de polarité très courtes de l’ordre de 100 000 ans et à l’opposé des durées très longues entre deux polarités, e plusieurs dizaines de millions d’années. On n’a encore aujourd’hui fort peu d’idées sur les raisons qui président à une telle diversité de la durée des polarités du champ magnétique terrestre. Les mesures faites sur des piles de coulées volcaniques montrent que la durée d’une inversion est de l’ordre de 5000 ans environ et qu’elle s’accompagne d’un affaiblissement très important de l’intensité du champ dipolaire, voire de sa disparition. Le chemin suivi par les pôles magnétiques durant une inversion est longtemps apparu erratique. Cependant, quelques inversions récentes du champ terrestre ont été bien enregistrées lors des épisodes volcaniques contemporains. Ces séries volcaniques ont été abondamment et précisément datées, et il résulte de ces études que les pôles migreraient durant l'inversion en suivant des longitudes privilégiées. Ce fait reflète peut-être les mouvements convectifs externes du noyau. Nous y reviendrons dans la description du fonctionnement du noyau (Chp. 4.A.3).

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Le Soleil Fig. 37 : taches solaires. Fig.38 : variation du nombre de Wolf (taches solaires). présente un comportement similaire organisé par le cycle solaire de 22 ans environ (2 x 11ans). Un demi-cycle dure en fait de 8 à 13 ans. Galilée avait observé les taches solaires, avec moins de définition que dans http://solarscience.msfc.nasa.gov/SunspotCycle.shtml l’image de la figure 37. Sa lunette ne lui permettait que à effet existait, dans laquelle le champ créé par ces courants d’imaginer des nuages flottant dans l'atmosphère du soleil, était aussi le champ qui les rendait possible, le champ dans obscurcissant un peu de sa lumière. En 1843 , S. H. Schwabe lequel le mouvement du plasma générait les courants annonce 23 que le nombre de taches solaires varie de manière nécessaires. Beaucoup de caractéristiques de ces taches cyclique, atteignant un apogée à environ tous les dix ans. R. solaires restent un mystère, mais l'idée de J. Larmor permit Wolf passe plus de 40 ans à fouiller les archives des l'ouverture d'une ère de nouvelle compréhension des observatoires astronomiques 24 et parvient à reconstituer processus magnétiques dans le noyau terrestre. l'histoire de ces variations jusqu'à 1745. Il révise alors à 11 En 1957, on observa que le soleil était en train de ans en moyenne la période du cycle de Schwabe (Fig. 38), subir une inversion de ses pôles. Le passage d'un état stable Le nombre maximum des taches d’un cycle varie à l'état stable inverse dura 18 mois. Le mécanisme de ces considérablement. Deux minimums historiques, Maunder et inversions est complexe et encore mal compris, mais elles Dalton (1790-1820), et le maximum moderne (1940 -2000) sont la règle . Tous les 11ans à peu près, à l'approche du sont bien visibles sur la figure 38. La tendance des cycles 23 maximum d’activité solaire, c'est-à-dire lorsque le nombre et maintenant 24 est à la baisse d’activité. Le cycle 25 est lui des tâches est à son maximum, les pôles magnétiques aussi annoncé comme très faible. L’impact éventuel de échangent leur place. Inversement, cette inversion est une l’activité solaire sur le climat sera discuté au chapitre 5. bonne indication que le maximum solaire est bien atteint. La Leur nature magnétique sera établie en 1897, lorsque dernière inversion enregistrée se situe lors du pic du cycle Pieter Zeeman découvre qu’en présence d’un champ 23, en 2001 et la prochaine devrait avoir lieu en 2012 mais magnétique fort, l’intensité de l'émission de lumière d’un le cycle 24 est largement en retard (Chp. 5.B.1.c Fig. 19) gaz surchauffé (émission aux longueurs d'ondes définies par En 2007, D. Gubbins, A. P. Willis et B. Sreenivasan les éléments qu’il contient) est divisée en fonction de la ont montré que les variations latérales du flux de chaleur force du champ en différentes longueurs d'ondes. Or les dans le manteau inférieur sont capables d’influencer couleurs de la lumière émise à partir des taches solaires l’activité de la géo-dynamo. Le champ terrestre n’est pas étaient "divisées" exactement de cette façon. Par ailleurs et seulement dipolaire. Il existe aussi un champ quadripolaire corrélativement, les orages magnétiques les plus puissants d’intensité beaucoup plus faible que le champ dipolaire, qui ont lieu durant les années où les taches solaires sont les plus occupe une position à peu près symétrique par rapport à nombreuses. l’équateur. On définit donc 2 dipôles, tous deux symétriques George Elery Hale confirma la vraie nature magnétique par rapport à l’équateur, appelés Sibérien et Canadien. Si des taches solaires en 1908 et il établit que : l’axe du champ dipolaire est largement bloqué par l’axe de 1 - les grandes taches solaires apparaissent en paires rotation de la Terre — et donc n’évolue que peu et très lentement rapprochées, à peu près alignées dans la direction de autour de cet axe — le champ quadripolaire évolue semble-t-il la rotation du Soleil ; avec une plus grande liberté, comme le montre La figure 39 2 - les polarités des paires sont toujours opposées et quasi (a,b page suivante) tirée des travaux de Gubbins et al.. Mais toujours ordonnées de la même manière dans chaque il reste néanmoins relativement permanent autour de ses hémisphère; deux pôles Sibérien et Canadien. Autre relative fixité dans le 3 - l'ordre des polarités est inversé d'un hémisphère à temps, on observe qu’au cours des inversions du champ l'autre; dipolaire, les pôles Nord et Sud migrent en suivant un 4 - les polarités s'inversent d'un cycle à l'autre. chemin préférentiel bien enregistré par le volcanisme de la Il observa aussi que le champ est si puissant (3000 Terre, (cf. chp. 4). fois plus fort, près de la surface de la terre, que le champ Mais si l’intensité de ce quadripôle est beaucoup plus terrestre) qu’il ralentissait le flot de chaleur provenant de faible que le champ dipolaire en temps normal. Au cours des l'intérieur du soleil, causant les taches plus sombres que le inversions de pôles, avec l’affaiblissement de l’intensité du reste du soleil. champ dipolaire, c’est ce champ quadripolaire qui En 1919 Sir Joseph Larmor proposa la théorie deviendrait « majoritaire » (cf chp 4). Les deux dipôles suivante : les champs des taches solaires étaient dus à ces (sibérien et canadien) constitutifs de ce quadripôle sont courants dynamos. Il suggéra qu'une chaîne fermée de cause présentés dans une série d’ animations , qui montre le flux magnétique obtenu en fonction des variations latérales possibles du flux de chaleur (déduites des variations de vitesse des ondes S) au sein du manteau inférieur au 23 après 17 ans d'observations quotidiennes ! voisinage de la limite manteau noyau. Le champ actuel est 24 Tiré de Paul Charbonneau Département de physique, bien modélisé, la paire canadienne apparaît fixe alors que la Université de Montréal, Agence spatiale canadienne, paire sibérienne est plus mobile, comme le suggère www.asc-csa.gc.ca . l’ensemble des observations sur 300ans. La morphologie du - 66 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 39 a-b-c : champ quadripolaire observé à la surface : chaleur dans le manteau. En a) 1750 b) 1990 c) considérant les variations latérale de vitesse des ondes S — mises en évidence par la tomographie sismique au sein du manteau inférieur au voisinage de la limite manteau noyau — comme résultant de variations du flux de chaleur, les auteurs obtiennent http://yakari.polytechnique.fr/people/willis/papers/pepi162_256.pdf une modélisation satisfaisante du champ magnétique terrestre ne dépendrait donc pas champ quadripolaire actuel et de uniquement de la structure interne du noyau et de la graine, ses variations entre 1750 et 1990 (Fig. 39-c-d). La paire mais aussi de la structure thermique du manteau inférieur. canadienne y apparaît fixe, alors que la paire sibérienne est plus mobile, conformément à ce que suggère l’ensemble des Les 3 animations montrent le champ quadripôle observations sur la même période dans la figure 39 a-b. modélisé pour trois valeurs du rapport hétérogénéité du flux de chaleur sur flux moyen sortant (Ra_H/Ra_V) de la La morphologie du champ magnétique terrestre ne couche limite entre le noyau liquide et le manteau silicaté. dépendrait donc pas uniquement de la structure interne du noyau et de la graine, mais aussi de la structure thermique Les auteurs ont donc pensé que de telles constances, du manteau inférieur. tant en longitude dans la position du quadripôle qu’en chemin préférentiel du dipôle lors des inversions, doivent Les étoiles et les planètes ont des champs résulter d’un manque de symétrie sphérique dans le manteau magnétiques très variés. Le rôle de la rotation du corps car rien ne s’opposerait, dans le cas contraire, à une rotation explique que le dipôle magnétique coïncide ou presque avec de ce quadripôle, ou bien à un chemin plus aléatoire du l'axe de rotation du globe. Cette constatation a été faite sur dipôle en inversion. Dans ce travail, les deux dipôles Terre comme sur les autres corps célestes émettant un (Sibérien et Canadien) constitutifs de ce quadripôle sont champ actif (Tableau 4). présentés dans une série d’animations, qui montre le flux magnétique obtenu en faisant varier latéralement le flux de

Tableau 4 : champ magnétique des planètes et des étoiles Astre densité période de rayon (Km) Champ prévu champ observé origine du champ rotation (gauss) (gauss) Soleil 27j 695000 1 1 dynamo active Mercure 5.3 59 j 2425 0.0035 0.0020 dynamo active Vénus 4.95 243j 6070 0.001 nul ? ? Terre 5.52 23h 56’ 6400 0.3 dynamo active Lune 3.6 27j 1740 0.0004 0.00001 dynamo ancienne ? Mars 3.95 24h 37’ 3395 0.06 0.0006 dynamo ancienne Jupiter 1.33 9h 55’ 71300 14 4 dynamo active Saturne 0.69 10h 38’ 60100 5 ? dynamo active? Uranus 1.56 10h 49’ 24500 1.8 ? ? Neptune 2.27 15h 48’ 25100 1.6 ? ? étoile magnétique 10h 2000000 10 3 500-1000 dynamo active pulsar 1’’ qqs km 10 13 ? dynamo active quasar 0.001 0.0001-0.001 ? voie lactée 200 Ma 50000 a.u. 0.00001 <0.00001 ?

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Quelques idées fortes

Quelques idées fortes : Gravité En 1798 Cavendish mesure G= 6.67 10 -11 SI et montre que la Terre est constituée de 2 couches L’unité de pesanteur, le gal, équivaut à 10 -2m.s -2 La pesanteur terrestre est de l’ordre de 980 gal : Le fil à plomb (g) ne passe pas par le centre de la Terre, sauf aux pôles; L’intensité du champ de pesanteur varie avec la latitude. ; L’image du champ de pesanteur = l’image de la topographie, faible au droit des fosses, fort au droit des montagnes Les hétérogénéités de masses volumiques dans la croûte terrestre sont compensées : Cette compensation est de type hydrostatique, elle est appelée isostasie ; Elle confirme la plasticité de la Terre Séismicité Un séisme émet au foyer des ondes de volume : P, ondes de compression dilatation (longitudinales) elles traversent tous les milieux ; S, ondes de cisaillement (transversales), et ne sont pas transmises par les liquides ; En arrivant à la surface, P et S créent des ondes dévastatrices propagées en surface, dites ondes de Love et de Rayleigh Discontinuité de Mohorovicic, sépare la croûte du manteau : Croûte = constituée de silicate alumineux, SiAl ; Manteau = constitué de silicate magnésien, SiMg, alias SiMa ; Croûte océanique : « Moho » à 5-10 km; Croûte continentale : « Moho » à 20-30km, jusqu’à 70 km sous les montagnes ; Asthénosphère = LVZ dans le manteau = zone ductile débute vers 100 km et finit vers 250 km ; Lithosphère = tout ce qui est au dessus de la LVZ ( et donc a un comportement fragile) Discontinuité à 670 km sépare manteau supérieur et manteau inférieur : Jusqu’à 900 km environ zone de transformation de la structure spinelle ( ρ faible) à la structure pérovskite ( ρ fort) ; Couche D’’, Vers 2850 jusqu’a 2900km, résultant des interactions entre manteau et le noyau ; Discontinuité de Gutenberg, à 2900km, sépare le manteau solide (silicaté) du noyau liquide (alliage fondu de Fe-Ni) : C’est la coupure majeure de toutes les planètes rocheuses : sur terre : ρ manteau = 4 ; ρ noyau = 12 ; Le ∆ρ très fort crée une zone d'ombre sismique en surface (pas d’ondes reçues entre 105 et 142°) ; Le noyau ne transmet pas les ondes S, il est liquide Discontinuité de Lehmann à 5100 km, sépare le noyau liquide de la graine (alliage cristallisé de Fe-Ni) Magnétisme En 1600 Gilbert énonce que le champ magnétique est un dipôle, et qu'il est interne à la planète : le champ F est défini par : Sa déclinaison D (angle entre les directions des pôles magnétique et géographique) ; Son inclinaison I (angle avec l’horizontale dans le plan du méridien magnétique) ; Son intensité, qui varie de l'équateur au pôle, entre 33000 et 70000 Nano-Teslas ; 90% du champ est assimilable à un dipôle, incliné de 11.5° sur l'axe de rotation de la Terre : Aucun champ rémanent ne peut subsister au-delà de 25 à 30 Km de profondeur ; Le champ terrestre est actif, il varie avec le temps (variation séculaire) ; Le noyau ferreux liquide de la Terre fonctionne comme une géodynamo magnétohydrodynamique la magnétosphère est déformée par la pression de vent solaire, Elle s’étend à 10 rayons terrestres seulement côté Soleil, et à plus de 1000 rayons terrestres du côté nuit ! Le champ terrestre, comme le champ solaire, s’inverse ; Le mécanisme de ces inversions est complexe et encore mal compris ; L'intensité du champ décroît, s'annule durant l'inversion, puis augmente à nouveau.

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Interfaces coloured according to PREM model http://sw3d.mff.cuni.cz / CHAPITRE 4 Les enveloppes rocheuses de la Terre

 Chon ChManteau  Mq   Lire Q - Terre - Caractéristiques des differentes couches de la = ∗ ∗ m Fe  N Fe − N Fe  Mg Chon Manteau M Fe M manteau   Terre et interfaces - Tersonnier.htm m Mg  N Mg N Mg  Mq = ∗ 22.0 ∗ 56 ()84.0 − 1.0 M Fe M manteau 3.24 ou Mq = ∗ A - Le Noyau Terrestre M Fe 38.0 M manteau La masse manquante de fer représenterait donc Les météorites précoces formées dans la nébuleuse environ 40% de la masse du manteau. Or, le rapport des solaire (les chondrites CI) et la photosphère solaire actuelle masses entre le noyau ferreux et manteau est de 0.48 et non nous enseignent qu’au moment de la formation de la Terre, 0.4. Mais le fer n’est pas le seul élément contenu dans le le rapport molaire du Fer au Magnésium était de l’ordre de noyau ; à partir de la composition des sidérites et en raison 0.84. Dans l’hypothèse généralement admise d’une des contraintes imposées par la géophysique on estime que nébuleuse chimiquement homogène au moment de la le noyau est aussi constitué de nickel en faible %, et formation du soleil et des planètes, ce rapport doit être aussi d'éléments légers (O, Si, ou S). D’après Allègre et al ., 1995, celui de la Terre. la composition du noyau serait la suivante : Fe=79%, Partant des proportions massiques des éléments Ni=5%, Si=7%, S=2%, O=4%. Sa densité doit être comprise majeurs du manteau: entre 10 et 12, et il est conducteur de l’électricité . O=50%; Si=22% ; Mg=22% ; Fe=6% e : Mg=22%, Fe=6% et des masses molaires des éléments : 1 - Le noyau liquide mO=16, m Si =28, m Mg =24.3, m Fe =56 Sismiquement transparent pour les ondes S et on constate que le rapport molaire du manteau Fe/Mg ralentissant fortement les ondes P, le noyau terrestre est à = (6/56) / (22/24.3) n’est que de 0.1 environ. A Magnésium l'état liquide (Chp. 3.B.4.d). La pression varie de 130 G.Pa constant, il manque donc une quantité importante de Fer à la surface du noyau à 400 G.Pa au cœur du globe (1 G.Pa dans le manteau que nous pouvons essayer d’estimer : = 10 000 atm.). L’estimation de la température dans le noyau est encore de nos jours un point largement débattu. 1 - la masse molaire moyenne du manteau (0.5*16 + On sait que le manteau est solide et constitué principalement 0.22*28 + 0.22*24.3 + 0.06*56) est de =22.8. de pérovskite. On a pu extrapoler vers les très hautes 2 - le nombre de moles de Magnésium NMg dans le pressions qui règnent à l’interface manteau-noyau la courbe manteau s'écrit : NMg = Mg/mMg * Mmanteau (1) de fusion de la pérovskite, qui fixe ainsi la limite supérieure Si l'on suppose que le rapport molaire Fe/Mg de la de la température au sommet du noyau à 5000K. La Terre totale est égal à celui des chondrites (0.84), on en température à la limite entre le noyau et la graine , déduit que mq la masse manquante de fer est : M Fe considérée comme le point de fusion du fer à une pression de 320 G.P , a pu être évaluée grâce à des expériences de Mq = Mq =  Terre − Manteau  fusion par ondes de choc à 6000K. Si l’on tient compte de la *  x M Fe N Fe mFe  N Fe N Fe  mFe présence de 10% environ d’éléments légers, on obtient une on sait que température de l’ordre de 5000K. Considérant alors que la Chon Terre Terre chaleur du noyau liquide est transportée par convection, le = x N Fe N Fe N Mg Chon gradient adiabatique donne pour la surface du noyau une N Mg température de l’ordre de 3800K. La température au Or, puisque Mg est constant, on a centre de la Terre serait de l’ordre de 6000K. Une équipe Terre = Manteau = du University College de Londres a donné récemment NMg NMg NMg (1999) des valeurs beaucoup plus élevées, de l’ordre de donc on réécrit la masse manquante de fer du manteau 9900K, fondées elles aussi sur des extrapolations de la  Chon ChManteau  Mq   courbe de fusion du fer, voir 11500° pour du fer pur. Le =  N Fe − N Fe  x Chon Manteau x M Fe N Mg   m Fe calcul ab initio des énergies libres du fer liquide et solide à  N Mg N Mg  330 G.Pa. (Alfé, Gillan et Price 1999) donne une et en remplaçant de (1) N Mg par Mg/m Mg * M manteau on a : température de 6700 ± 600K à la frontière noyau-graine. Le

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Fig. 1 : circulation dans le noyau liquide. Fig. 2 : champ magnétique jusqu’à une distance de 2 rayons terrestres. Jaune, les régions de vitesse maximum ; Bleu, champ rentrant dans le manteau ; orange , champ sortant. bleu l’interface noyau-manteau ; L’axe de rotation est vertical et passe par le centre. rouge la limite noyau-graine. Lire MC - Magnetisme Dynamo - Saifane.htm

débat n’est pas clos, mais la tendance vers de plus hautes sismiques que la graine présente en outre un axe valeurs de la température du noyau tend à montrer que la d'anisotropie incliné d'une dizaine de degrés par rapport à part de celui-ci dans le bilan thermique de la Terre (chaleur l'axe de rotation de la Terre (Fig. 3a). Les ondes P qui initiale et chaleur latente) sera certainement à revoir dans les voyagent dans la graine entre ses pôles seraient (même après années qui viennent. correction de l’aplatissement terrestre) plus rapides de 5 On estime que la viscosité du fer fondu dans les secondes que celles qui voyagent dans son plan équatorial, ce que l'on pourrait peut-être attribuer à deux causes conditions régnant dans le noyau est peu différente de celle possibles: que l'on obtient en surface. Elle serait donc du même ordre de grandeur que la viscosité de l'eau ! Nous avons vu au 1 - soit une convection axisymétrique provoquant une chapitre précédent que le Noyau fonctionne comme une orientation des cristaux de fer ; magnétohydrodynamique et que la force de Coriolis joue un 2 - soit un dépôt orienté de ces mêmes cristaux par le rôle important dans le développement de ce champ. champ magnétique du noyau. On sait que Coriolis n’est applicable qu’à un objet animé d’une vitesse significative. Dans le noyau, les vitesses Dans les deux cas, l’anisotropie observée résulterait de déplacement par convection seraient de l’ordre de une à du mode de cristallisation du fer sous haute pression, stable plusieurs dizaines de kilomètres par an. « Dynamo », le dans le système hexagonal compact (HCP, Fig. 3b), modèle de convection sphérique en rotation et de calcul du axisymétrique. L'orientation préférentielle des cristaux peut champ (dipolaire et non dipolaire) de Glatzmaier et Roberts engendrer des variations fortes des propriétés élastiques (1997 ; Fig. 1, et copie de l’animation du modèle sur selon les directions. Pour S.I. Karato (1999), cette http://www.emse.fr/~bouchardon/ ) intégrant le rôle de la anisotropie serait provoquée par les forces de Lorenz liées graine solide conductrice, montre de larges courants au champ toroïdal qui, en comprimant de plus en plus la équatoriaux, tournant vers l’est au voisinage de la graine et graine (en direction de l’axe de rotation) depuis l’équateur vers l’ouest à proximité du manteau. Le champ magnétique (où la force est nulle puisque les lignes du champ changent simulé est majoritairement dipolaire (Fig. 2). Une transition de sens) vers le pôle de la graine (où les forces de Lorenz apparaît à la limite noyau-manteau, séparant un champ à deviennent maximum). En observant le comportement de structure complexe produit par le noyau liquide du reste du rais sismiques répétés au cours des 30 dernières années, champ beaucoup plus régulier. Les structures non dipôles couplant une même région sismiquement active avec un ou obtenues par ce modèle au sein du noyau des observatoires de mesure, X. Song et P. Richards ont (et non en surface comme dans les travaux Fig. 3 a-b : vitesses de propagation dans la graine. de Gubbins et al. Chp. 4) se décalent a) zones lentes en rouge ; zones rapides en bleu. L'axe d'anisotropie de la graine lentement vers l’ouest de 2°/an, suggérant (point rouge) n'est pas confondu avec l'axe de rotation du globe. b) système HCP que la graine tourne légèrement plus vite a) b) que le manteau terrestre. Pour Ken Creager ce différentiel de vitesse pourrait être très petit <0.5°.

2 - La graine solide Nous avons vu que la vitesse de transmission des rais sismiques présente une zone interne plus rapide que son enveloppe plus lente. A la fin des années 90, W.J. Su et A.M. Dziewonski ont découvert en analysant précisément la distribution spatiale des vitesses des ondes

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Fig. 4 : champ magnétique des planètes du système solaire. Fig. 5 : échelle des polarités et des temps durant 4.5 Ma .

mis en évidence une évolution temporelle de l’axe (de quelques x100m tout d'anisotropie de la graine, traduisant une rotation de la de même)… En d’autres graine vers l’ouest de 1° par an. Le mécanisme et l’ampleur termes, si la graine tourne de cette super-rotation de la graine par rapport au manteau, plus vite que le manteau, et son existence même, sont encore largement débattus. Pour elle doit adapter sa forme Kenneth Creager , cette super rotation serait due au au champ de gravité. Il mécanisme complexe de transfert d’énergie du noyau vers le faut donc que les "bosses" manteau, dont le modèle très fertile de géodynamo de de la graine fondent pour Glatzmaier et Roberts donne l’image suivante : le champ se recristalliser ailleurs, ou magnétique généré dans la Terre génère à son tour un couple se déforment par viscosité. de forces qui s’applique au noyau, imposant à la graine Pour Laske et Masters solide et au noyau liquide sus-jacent une co-rotation vers (1999), cette super rotation l’ouest par rapport à la surface. Pour Glatzmaier et Roberts n’existerait pas, et ne ce mécanisme est l’analogue d’un moteur synchrone, pour serait qu’un artefact lié lequel le champ, transporté vers l’ouest par le fluide du justement aux noyau agit comme le champ tournant du stator, alors que la hétérogénéités de la graine agit comme le rotor d’un tel moteur. Dans ces graine. Le noyau recèle simulations, la rotation différentielle engendrée est de 2°/an encore bien des mystères ! à 3°/an, ce qui est en accord avec les observations sismologiques. Il est à noter que parmi les champs Il convient cependant de rester critique, d'abord parce magnétiques des planètes que les données collectées sont limitées dans le temps et du système solaire, seuls donc ne couvrent qu'une fraction très petite de révolution de les champs actifs ont une la graine, et ensuite parce que les données les plus anciennes forte intensité (tab. 1 du (années 60) sont à la fois moins précises et moins Chp. 3). Depuis, d'autres analyses ont conduit à des valeurs nombreuses. Ainsi, l'apparente inclinaison de l'axe allant On constate aussi (Fig. 4) que si l’orientation du d'anisotropie pourrait provenir de la distribution irrégulière champ dipolaire est souvent proche de l’axe de rotation de la des stations sismologiques et des séismes observés planète, Uranus et Neptune montrent un champ d’orientation (principalement issus de rides océaniques et de zones de très différente. La nature de ces champs n’est pas encore subductions). En outre, selon S. Tanaka et H. Hamaguchi bien connue. Constituée de fer quasi pur, la graine résulte de (1997) il est possible que la graine ne soit pas de symétrie la cristallisation du noyau. Les calculs laissent à penser que cylindrique. De plus, comme le souligne Annie Souriaux , la 30 à 100 m 3 de graine sont ainsi cristallisés chaque jour, rotation différentielle de la graine pose un problème dégageant assez de chaleur latente pour entretenir la théorique: la forme de la graine doit être modelée par le convection dans le noyau liquide. En outre, le liquide restant champ de gravité du manteau. Celui-ci étant hétérogène il est enrichi par soustraction du fer en éléments qui n'entrent génère nécessairement des creux et des bosses à la surface pas dans la graine (fractionnement chimique). Ces éléments de la graine. Si celle-ci est bien en super rotation par rapport plus légers que le fer doivent donc avoir tendance à au manteau, leur couplage gravifique doit engendrer la remonter vers la surface du noyau, libérant de l'énergie disparition et la recréation simultanée de ces creux et bosses potentielle de gravité. L'ensemble pourrait suffire, même Fig. 6 : fréquence des inversions de polarité du champ ; en dessous inversions depuis 170 Ma.

- 71 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 sans radioactivité ( 40 K, § bilans énergétiques), à Fig. 7a : chemins préférentiels des pôles durant les inversions. entretenir la géodynamo. Une telle géodynamo peut fonctionner dès lors que le noyau existe, ce qui expliquerait que l’on ait pu observer l'existence de ce champ dans des roches très anciennes, allant jusqu'à 3.8 Ga. (Ishua, Groenland) et même 3.96 Ga. (Acasta, USA). En cas d'arrêt de la convection dans le noyau, on estime à 10 000 ans environ le temps de disparition du champ magnétique. Ce temps correspond à la dissipation par effet Joule de l'énergie disponible dans le fluide conducteur arrêté.

3 - Les inversions du champ terrestre

Lire cours-2008-2009- Fig. 7b : champ magnétique terrestre lors d’une inversion selon Glatzmaier et Roberts. seismologie.ppt . ../../../Documents à t = 500 ans après le début de l’inversion, t=1000 ans et t = 1500 ans, and Settings/bouchardon/Application Data/Microsoft/Word/cours- 2008-2009-seismologie.ppt Les inversions du champ terrestre sont fréquentes. La durée moyenne de stabilité est de l'ordre de quelques centaines de milliers d'années, mais elle peut être beaucoup plus courte (Fig. 5). Inversement, par deux fois au moins (Fig. 6), au Permien ( limite Permien- Fig. 7c : flip-flop vers 41000 BP ; trajet du pôle Nord. Trias = 250 Ma. ) et au Crétacé ( Limite Crétacé-Tertiaire =65 Ma. ), la géo-dynamo a “ oublié ” de permuter ses pôles pendant plusieurs dizaines de millions d'années. Les inversions bien documentées du paléo champ de la Terre apparaissent rapides (5000 à 15000 ans) et l’errance des pôles magnétiques pendant cette période montre clairement deux choses : 1 - Les pôles parcourent des chemins préférentiels, découverts par C. Laj et al. (1991, Fig. 7a) ; 2 - l’inversion s'accompagne d'un affaiblissement très important du champ dipolaire. La décroissance rapide de l’intensité du champ actuel pourrait l’amener à zéro dans 2 à 3 milliers d’années, suggérant que nous sommes en train de vivre le début d’une telle inversion. En 1995, dans la simulation de G.A. Glatzmaier et P.H. Roberts (Fig. 7b), la première inversion est apparue à 36000 ans, la http://www.sciencedaily.com/releases/2012/10/121016084936.htm seconde à 120000 ans et la troisième à 220000 ans. Comme dans les archives géologiques, les inversions montre qu’aucune inversion ne se produirait si le flux de sont un phénomène rapide, pendant lequel le champ non chaleur vers le manteau était constant. Les inversions dipolaire devient temporairement dominant. Enfin leur modélisées telles que celles à 120000 et 220000 ans l’ont en apparition apparaît chaotique. Selon certains auteurs, les effet été avec un flux de chaleur hétérogène, suggérant modifications fréquentes des champs magnétiques de la qu’en effet la structure thermique du manteau inférieur joue graine et du noyau tendraient à inverser le dipôle, mais selon un rôle important sur la convection dans le noyau liquide des constantes de temps très différentes, faible dans le noyau sous-jacent et corrélativement sur le champ magnétique. La liquide et longue dans la graine. Une inversion nécessiterait coïncidence relevée par Gubbins et al. (2007, Chp. 3) de la alors la coïncidence de ces deux phénomènes. Nous avons trace des pôles parcourant des chemins préférentiels durant vu au chapitre 3 que le modèle « Dynamo », en prenant en les inversions découverts par C. Laj et al. (1991, Fig. 7a) compte les échanges de chaleur du noyau avec le manteau, avec l’existence d’ondes sismiques S lentes dans le manteau au voisinage de l’interface avec le noyau confirme le rôle de - 72 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

la structure thermique profonde de la Terre dans le Fig. 8a : interface réactionnelle entre manteau et noyau ; phénomène des inversions du champ. Les observations récentes de l’équipe du Geophysical Center allemand conduisent à admettre qu’un flip-flop des pôles magnétiques peut, selon Norbert Nowaczyk et Helge Arz (2012), se faire en un temps beaucoup plus rapide qu’on le pensait. La Terre aurait ainsi subi vers 41000 BP une inversion en moins de 500 ans, avec un retour à l’état initial en a peine plus de 2000 ans (Fig7c)… à suivre !

B - Le couplage Noyau-Manteau-Atmosphère et la couche D"

Les modes de couplage du noyau avec du manteau représentent donc un paramètre clef de la compréhension de Fig. 8b : altimétrie de la surface du noyau la machine Terre. Des variations dans le transfert de l’énergie du noyau au manteau, mais aussi du manteau à l’atmosphère vont ainsi se traduire par des échanges de moment angulaire entre ces sphères concentriques, et finalement se traduire par des variations de la durée du jour terrestre. Mais celles-ci sont complexes. Au lieu de 365 jours, l'année terrestre comptait 425 Jours au Dévonien, il y a environ 400 Ma. Ce ralentissement de la rotation terrestre est dû en bonne partie aux marées océaniques, qui freinent la Terre par le biais du frottement au fond des mers peu profondes, et pour partie aussi aux marées terrestres. L'application du principe de conservation du moment angulaire au couple Terre-Lune impose que le ralentissement de la Terre augmente la distance Terre-Lune de quelques cm/an actuellement. En dehors de cette tendance lourde, on observe avec les http://www.mantleplumes.org/DDub.html horloges modernes très précises des variations saisonnières 25 , mensuelles ou journalières qui sont elles différente et représente un excellent candidat potentiel pour aussi attribuables en partie à des échanges de moment un tel couplage. angulaire entre atmosphère et manteau . Les modes de couplage du noyau avec du manteau Il est intéressant de noter que les variations pluri représentent donc un paramètre clef de la compréhension de décennales de la longueur du jour apparaissent étroitement la machine Terre. Des variations dans le transfert de corrélées cette fois avec la variation séculaire de la l’énergie du noyau au manteau, mais aussi du manteau à déclinaison du champ magnétique, mais avec un décalage l’atmosphère vont ainsi se traduire par des échanges de de 10 ans environ. Le mode de couplage entre noyau et moment angulaire entre ces sphères concentriques, et manteau n'est pas encore clairement établi, mais on sait au finalement se traduire par des variations de la durée du jour moins que compte tenu de la différence de viscosité entre terrestre. Mais celles-ci sont complexes. noyau et manteau, le couplage visqueux ne peut pas être efficace. Reste le couplage électromagnétique par des 1 - Nature de la couche D" courants de fuite dans le manteau. Ils produiraient alors un champ secondaire, comme dans le moteur électrique de Cette couche D" est identifiée par la séismologie Glatzmaier et Roberts. Mais le manteau qui est comme une région très hétérogène et discontinue, formant la essentiellement silicaté peut-il être suffisamment base du manteau quand elle est présente (Fig. 8a-b). Elle conducteur ? L’observation en surface de soubresauts apparaît solide mais à vitesse lente, à forte densité, et elle magnétiques trouvant leur origine dans le noyau impose une donne des rais sismiques spécifiques, qui émergent dans la conductivité maximale de 10 siemens/m au manteau, il n’est zone d'ombre entre 103 et 120°. Son épaisseur ne dépasse donc pas A PRIORI un bon stator. Par contre, sa base pas quelques dizaines de Km, exceptionnellement 200- dénommée 26 couche D" (Fig. 8 a-b), est de nature très 300Km, et sa topographie est tourmentée, avec des écarts de plus de 100 Km pour 10° d’angle. L'existence de ces hétérogénéités à la base du manteau est connue depuis une

quinzaine d'années. 25 Les variations saisonnières apparaissent ainsi étroitement La partie basale de la couche D", appelée Ultra Low corrélées aux vents zonaux (alizés, vents d'ouest). Velocity Zone montre, outre des vitesses très lentes pouvant 26 . La terminologie utilisée (couche D") est un héritage résulter de la fusion partielles de l’interface manteau-noya, historique du début du XX° siècle qui découpait la Terre en de fortes incohérences entre ondes P et S, que l’on a couches A, B, C, D, E, F. Seule D" est toujours usitée par longtemps pensé ne pouvoir être que d'origine purement les géophysiciens. thermique, et témoigner d'hétérogénéités chimiques

- 73 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 8c : transition de phase pérovskite -postpérovskite PPv. (présence de plusieurs types de matériaux). Selon cette hypothèse, la couche fine fortement incohérente à la base de la couche D" pourrait être le produit de l' interaction chimique entre le fer liquide du noyau et le manteau silicaté . L’interface noyau-manteau pourrait donc être une région de la Terre extrêmement active. Il s’y produirait une réaction de dissolution-recristallisation entre les roches du manteau et le noyau externe liquide, laissant un dépôt (solide) riche en métal à la surface du noyau. Les expériences au laboratoire montrent que le fer en fusion pénètre la roche silicatée par capillarité dans les joints des grains minéraux. Dans la zone mouillée par le fer, les oxydes de fer du manteau semblent se dissoudre partiellement dans le fer liquide, augmentant ainsi la http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/post-perovskite.xml fraction oxygène du noyau. Ces échanges chimiques Fig. 8d : corrélation entre des régions à ULVZ de la couche D’’ et pourraient contribuer à fabriquer une pellicule (liquide?) la distribution des points chauds en surface enrichie en Magnésium et en Oxygène dans le noyau au voisinage du contact avec le manteau. Cette réaction lente de dissolution serait rendue possible par un changement du type de liaison de l’oxygène sous très haute pression, qui tend alors à former des alliages métalliques conducteurs, au lieu des traditionnels silicates isolants. Quelle serait l’ampleur de ce phénomène dans la couche D"? Probablement quelques dizaines de mètres, quelques centaines au mieux ! En effet, la transmission des soubresauts magnétiques suggère que la partie basale conductrice du manteau ne dépasse pas une épaisseur de quelques x100 m au plus. Par conséquent, cette http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1631071303000129 imprégnation seule ne peut expliquer les 200 ou 300 Km atteints par cette couche D" par endroit. Les mouvements de électromagnétique avec le noyau, et d’un transport de convection à la base du manteau tendraient localement à chaleur beaucoup plus important que le manteau ordinaire. rassembler ces dépôts conducteurs dans les ascendants ou Il a été proposé une corrélation possible entre la inversement à les disperser dans les descendants. Ils localisation des régions à ULVZ de la couche D’’ et la constitueraient ainsi une couche discontinue plus ou moins distribution des points chauds en surface (Fig. 8d). Si tel est enrichie en matériau mantellique. le cas, cela pourrait signifier que les zones très ralenties de Les incohérences entre ondes P et S de la ULVZ se la couche D’’ correspondent aux points de départ des caractérisent par des variations de vitesse de quelques % des panaches ascendant qui vont traverser ensuite tout le ondes sismiques pour les ondes S alors quelles sont minimes manteau. pour les ondes P. Ces hétérogénéités ne sont en effet pas présentent partout, laissant penser que la ULVZ est bien 2 - Couche D", accumulateur de chaleur discontinue. Les ondes S montrent une polarisation qui traduit une vitesse plus grande vitesse des ondes horizontale Lire MC - Planeto - Couche D - Grizard.htm . Les estimations que celles des ondes qui traversent verticalement dans la du flux de chaleur à la frontière Noyau-Manteau sont très couche D’’. Pour les physiciens des hautes pressions, ces diverses, de 1.7 à 10 T.Watts. La valeur la plus faible était caractéristiques particulières de la couche D’’ sont à proposée par Stacey & Loper (1984) afin d'avoir un noyau rapprocher de celles de la phase haute pression de la qui ne se refroidit pas trop vite et ainsi obtenir une graine pérovskite, dites post-pévoskite, dont on a pu observer une (supposée indispensable au fonctionnement du magnétisme beaucoup plus grande sensiblilité du module de cisaillement terrestre) âgée au minimum de 4 Ga. L'interface noyau- aux variations de la température que celle de la pérovskite manteau représente une couche limite entre la classique, induisant une plus grande variation de vitesse des convection mantellique et la convection du noyau . La ondes S contrairement aux ondes P. Dans cette hypothèse, la couche D" ne peut donc échanger de chaleur que par ULVZ correspondrait à la transition de phase entre les deux conduction, et elle doit être le siège d’un gradient de structures minérales, qui se produirait donc dans la couche température élevé. Un tel gradient peut provoquer des D’’ (Fig. 8c). instabilités d’autant plus variées que la couche D" présente de fortes hétérogénéités de conduction. Cette région du La couche D" serait alors un mélange constitué pour globe jouerait alors un rôle clef dans la stabilité de la 27 partie de matériaux issus du manteau et pour partie de fer dynamo terrestre, mais aussi dans la convection du manteau métal issu du noyau. Les lithosidérites (pallasites) sont de inférieur. En effet, les zones de mélange enrichi en fer, en bons analogues possibles de cette région du globe. Un tel constituant de véritables accumulateurs de chaleur à la base mélange, bon conducteur, est à la fois capable de couplage du manteau, pourraient engendrer la montée de panaches de matière surchauffée (Fig. 8-9). S’ils sont constitués de matériau de la couche D" de tels panaches seront beaucoup 27 Le manteau inférieur serait constitué de silicates plus denses que le manteau silicaté environnant et ne (pérovskite) et d'oxyde de magnésium (magnésio-wüstite, pourront pas s’élever considérablement. Ils rejoindront MgO). rapidement la couche D". On observe un autre indice de - 74 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 surchauffe à la base du manteau. Il s’agit de poches de 40 énorme, de l'ordre du million de km 3. Il s’agit des trapps Km environ que l'on ne retrouve nulle part ailleurs dans le (lire MC - Volcanisme - Trapps - Grizard.htm ) de Sibérie, épanchés manteau, dans lesquelles les vitesses des ondes sismiques à la fin du Permien , et des trapps du Deccan en Indes, sont localement réduites d'au moins 10 %. Elles ne sont mis en place à la limite Crétacé-Tertiaire . Ces deux explicables actuellement qu’en invoquant une fusion locale épisodes volcaniques suivent précisément les deux longues et massive. périodes de magnétisme sans inversion, suggérant fortement un fonctionnement conjoint du magnétisme dans le Ces poches pourraient déclencher un panache mantellique , sorte de colonne de matériau surchauffé, qui noyau, du transfert de chaleur du noyau dans le manteau et des panaches qui quittent la couche D". On amorcerait une traversée complète du manteau en quelques tient peut-être là l’explication de certains phénomènes dizaines de millions d'années seulement. Chaque panache géologiques d'ampleur exceptionnelle comme les fameuses viendrait nourrir un volcanisme ponctuel et fixe dans éruptions de komatiites, laves anormalement chaudes qui l’espace appelé volcanisme de point chaud 28 , pouvant durer des dizaines de Millions d’années. Ce volcanisme est s'épanchèrent voici plusieurs milliards d'années, sur donc complètement indépendant des mouvements plusieurs millions de kilomètres carrés? superficiels qui affectent la lithosphère terrestre. Il présente en outre des caractères chimiques très particuliers, C - Le Manteau Terrestre facilement identifiables par rapport aux autres manifestations volcaniques. Par deux fois dans l’histoire de La théorie des plaques lithosphériques ne nous dit la Terre, des super-panaches ont donné un volcanisme d’une rien de la convection mantellique profonde. Les basaltes intensité considérablement supérieure au rythme habituel, échantillonnés en surface peuvent contenir des fragments du produisant en quelques x100 000 ans un volume de lave manteau, dont ils sont issus par fusion partielle. Le manteau terrestre nous est aussi accessible directement le long de 28 certaines failles transformantes océaniques à très fort rejet, Ce volcanisme est aussi dit « intraplaque » parce que non comme la fracture de Vema dans l’atlantique, et de manière situé sur les limites des plaques. Le foyer volcanique à peine moins directe dans les ophiolites. Ces dernières sont apparaît fixe dans le manteau. L’activité de ce foyer perce la des pans entiers de dorsale ou de plancher océanique, qui plaque sus-jacente et y construit un édifice volcanique, qui sont venus s’échouer après un épisode tectonique majeur sur sera transporté ensuite par la plaque en mouvement. Cela la bordure des continents. conduit à la fabrication d’une chaîne de volcans dont le seul actif se situe au bout de la chaîne comme dans le cas de la chaîne Hawaï. C’est la raison pour laquelle on a toujours cherché une origine profonde à ce volcanisme, indépendante de la tectonique des plaques. Cette hypothèse est confortée par la composition chimiques des laves de ce type de Fig. 9 : schéma de couplage noyau-manteau, la couche D". volcanisme, qui est riche en alcalins, en accord avec une origine à la fois profonde et obtenue par un début de fusion d’un manteau « initial » c'est-à-dire non appauvri par des fusions partielles antérieures. Mais ce paradigme vacille face à de nouvelles approches qui, depuis 2000-2001 avec Jillian Fouger , montrent que souvent la signature géochimique profonde de ces laves n’est corroborée en rien par des études sismiques mettant en évidence le plume de manteau chaud ascendant, ou bien encore que l’hétérogénéité du manteau supérieur est telle que la composition alcaline des laves n’est plus le garant d’une origine profonde, ou bien enfin dans des condition de contraste RedOx entre le manteau et les fluides ( e.g . S. F. Foley 2011, C. Gerbode et R. Dasgupta 2010…) qui le traversent capables d’engendrer une fusion partielle. L’oxydation d’un fluide (riche en CH 4 ou H 2) cause une augmentation de l’activité de l’eau (aH 2O) par réaction avec l’oxygène, ce qui a pour effet de faire chuter la température de fusion du manteau environnant (à l’image de ce qui se passé en subduction dans le prisme mantellique au-dessus de la plaque subductée). On appelle cette fusion hydrous redox melting (HRM) . Un second mode de fusion RedOx à partir du carbonate (CO 3) a été décrit récemment ( carbonate redox melting; CRM ). Reste l’apparente fixité des points chauds alors que les plaques sur lesquelles ils se manifestent sont en mouvement. Certains auteurs arguent de la présence de zones de distension dans ces plaques, en relation ou pas avec la convection mantellique sous-jacente, car c’est bien la décompression qui induit la fusion partielle du manteau, asthénosphérique ou bien lithosphérique. - 75 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

Tableau. 1 : minéralogie de péridotites du manteau supérieur Fig. 11 : discontinuités du manteau. Minéral Composition % Poids Olivine (Mg,Fe) 2SiO 4 60 à 70% Orthorhombique (Mg,Fe) 2Si 2O6 total 2 pyroxènes Monoclinique CaMgSi 2O6; 25 à 30% CaAl Si O Plagioclase 2 3 8 1 phase total Spinelle MgO(Al O ,Fe O ,Cr O ) Alumineuse 2 3 2 3 2 3 5 à 10%. Grenat (Mg,Fe) 3Al 2Si 3O12

1 - Minéralogie du manteau Quelle que soit leur origine, ces fragments nous renseignent directement sur la minéralogie du manteau supérieur, ou plus exactement de la partie supérieure (200 Km environ) du manteau supérieur (670 Km). Il s'agit de péridotites, roches de densité 3.3 , constituées de silicates plus quelques oxydes, résumés dans le tableau 1. Les enclaves de manteau rapportées à la surface par les volcans montrent que dans les 200 premiers Km celui-ci est soumis à des changements de phases qui ne concernent que la phase alumineuse. On observe successivement : 1 - les péridotites à plagioclase dans les 30 premiers Km; 2 - les péridotites à spinelle entre 30 et 60 Km; 3 - les péridotites à grenat au-delà de 60 Km. La conservation de la masse implique que dans ces transformations, la phase alumineuse n’est pas seule concernée, et ces transformations modifient les proportions

des autres minéraux, olivine et pyroxènes, mais qui restent stables. A plus grande profondeur, vers 400 km, la sismique du minéral spinelle, cubique lui aussi. Ces structures nous enseigne que commence une zone dite de transition minérales profondes étaient supposées capables de contenir dans le manteau supérieur, lieu de plusieurs changements l’eau mantellique (1 à 2% pds du manteau). Dans une étude de phases qui intéressent cette fois la phase minérale récente, l’équipe de D.G. Pearson et al. (2014) a confirmé majeure du manteau, l'olivine (Chp.1.D.3, Fig. 6b). Elle par infra-rouge Raman et Diffraction X la présence de passe tout d'abord de la symétrie orthorhombique peu dense cristaux de ringwoodite hydratée en inclusion dans du au système monoclinique plus dense (wadsleyite) puis diamant. L’impact que pourrait avoir cette eau d’une part cubique encore plus dense (ringwoodite). Dans ces deux sur la dynamique mantellique dans la zone de transition structures denses de l'olivine, orthorhombique et cubique, le Olivine → wadsleyite → ringwoodite, d’autre part dans le Silicium occupe un site tétraédrique, où chaque atome de magmatisme terrestre (certaines kimberlites auraient donc silicium est entouré par 4 oxygènes. La structure de cette une origine beaucoup plus profonde que 200 km) et enfin olivine dense est aussi dite « spinelle » car proche de celle dans la tectonique des plaques est âprement discutée actuellement. Parallèlement au changement de structure de Fig. 10 : structure pérovskite (d'après Hazen): l’olivine, le clinopyroxène laisse place au grenat. Vers 670 Unité de base, le cube est formé d'un gros cation Km, l'olivine Mg 2SiO 4 se transforme une seconde fois, en métallique entouré de 8 cations métalliques de petite un mélange ultra dense de deux phases, de la pérovskite, taille (sommets), et de 12 anions non métalliques, silicate magnésien (Mg,Fe)SiO3, à Silicium en site constituant un site octaédrique pour le petit cation octaédrique où chaque atome de silicium est entouré de 6 oxygènes au lieu de 4 (Fig. 10), et de la magnésio-wüstite (oxyde de Magnésium MgO et de fer FeO). Cette discontinuité à 670 km sépare très nettement le manteau en deux parties, manteau supérieur et manteau inférieur . Le manteau inférieur commence avec la discontinuité à 670 km (Fig.11). Il apparaissait jusqu'à récemment comme très homogène, et principalement constitué de deux minéraux : la bridgmanite, minéral dont la présence avait été déduite d'expériences en laboratoire et de l'étude des ondes sismiques et qui a été observé en 2014 au MEB et en diffraction X par O. Tschauner de l’Université du Nevada, et C. Ma du California Institute of Technology ; et ferropériclase (Mg,Fe)O, ou magnésiowüstite, une variété de périclase riche en fer. De cette homogénéïté découle l'augmentation très lente de la densité et de la vitesse des ondes, qui atteignent respectivement, difficilement 6 pour la

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ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 densité, et 6.6 km/s pour la vitesse des ondes S, au voisinage Le bilan apparaît donc encore équilibré en Al2O3, de la discontinuité de Gutenberg (Fig. 11). Il faut remarquer etSiO2 et MgO proviennent cette fois de l’orthopyroxène, et que les discontinuités qui marquent le manteau ne sont pas l’on doit écrire la relation suivante comparables à la discontinuité entre noyau et manteau où le 1 Sp + 2 Opx = 1 Gt + 1 Ol (2) saut de densité est supérieur au saut océan-lithosphère, et où le contraste des viscosités est sans doute « comparable » à celui de l'interface océan-lithosphère. b - Le manteau : 2 paramètres externes, P & T, et La fusion partielle du 2 - Fusion partielle du manteau Manteau a - Le manteau en quelques paramètres Les changements de phases décrits précédemment ∆ intensifs par relations (1) et (2), ont un V <0 de la gauche vers la droite. Ils expriment la réponse du solide mantellique à On sait ainsi que le Manteau supérieur est un solide, l’augmentation de pression avec la profondeur. Par ailleurs, nommé péridotite, constitué de en dehors de l'eau qui est un corps aux propriétés physiques 4 phases solides majeures : Olivine ol éminemment particulières, le passage de l'état solide à l'état ∆ Orthopyroxène opx liquide des matériaux terrestres se fait à V croissant (La Clinopyroxène cpx pression "favorise" le solide). Dans un champ P, T, le plus une phase alumineuse: Plagioclase plg liquidas et le solidus anhydres du Manteau terrestre, connus Spinelle sp expérimentalement, ont donc une pente positive. Le choix Grenat gt. du solidus anhydre est justifié par la très faible quantité Lorsque ces 4 phases sont présentes, la péridotite d’eau contenue dans le manteau. porte le nom de lherzolite. On appelle géotherme la relation température On sait aussi que la composition chimique du profondeur (courbe P. T.). Si celle-ci était linéaire, c’est à manteau supérieur reste à peu près constante, quel que soit dire si l'augmentation de température avec la profondeur l’assemblage des phases qui le constituent. Les principaux était constante, et restait égale à la variation mesurée au voisinage de la surface terrestre 29 , le point de fusion du constituants chimiques du manteau sont des oxydes, SiO 2, manteau serait très rapidement dépassé. Le manteau serait MgO, FeO, CaO et Al 2O3, qui entre dans les phases entièrement fondu au-delà de 100 Km, et la température au solides, silicates et spinelle. H2O est aussi un constituant de système mantellique, mais son abondance très faible, de cœur de la planète serait incompatible avec l’état physique l’ordre de 0.1%, justifie que l’on néglige ici les phases qui est le sien. En outre, la propagation des ondes sismiques minérales hydratées (contenant des groupements OH, e.g. dans le manteau impose que celui-ci soit solide. Il faut donc phlogopite ). nécessairement que le géotherme terrestre soit courbé pour ne pas recouper le solidus du manteau (Fig. 12). La courbure Les trois phases minérales non alumineuses seront du géotherme résulte de 2 phénomènes: toujours présentes, mais leurs abondances relatives varieront avec la profondeur, en relation avec la phase alumineuse 1 - en premier lieu, la lithosphère terrestre rigide (croûte + présente. Ainsi: sommet du manteau) ne transfert la chaleur que par conduction 30 , alors que le manteau plus profond est un 1) lorsque 1 mole de plagioclase disparaît au profit d’1 solide “fluide” qui transporte la chaleur aussi par mole de spinelle créé on a: convection; le gradient de température, fort dans la 2 SiO 2 1 Al 2O3 1CaO libérés lithosphère, s’affaiblit donc rapidement en entrant dans 1 Al 2O3 1 MgO consommés le manteau convectif ; Le bilan apparaît donc équilibré en Al2O3, et le MgO provient de la transformation d’une olivine en pyroxènes, et 2 - en second lieu, l'essentiel de la chaleur terrestre est l’on doit écrire la relation suivante produite par Radio Activité, et ce de façon hétérogène; 1 Plg + 2Ol = 1 Sp + 1 Cpx + 1 Opx; (1) la majeure partie des éléments à vie longue, U, Th, K sont concentrés dans la croûte terrestre ce qui ne peut 2) lorsque le spinelle disparaît au profit du grenat on a: que renforcer la courbure du gradient thermique. 1 Al2O3 1 MgO libérés Depuis 4.5 Ga., les volcans terrestres déversent à la 3 SiO2 1 Al2O3 3 MgO consommés surface des dizaines de km3 de lave / an. Si ce liquide est Fig. 12 : diagramme P,T du manteau supérieur. extrait du manteau par fusion partielle, on voit mal dans ce qui précède comment le solide mantellique peut être capable de produire des liquides magmatiques! Produire du liquide impose donc une alternative : 1 - soit déplacer le géotherme terrestre jusqu'à recouper le solidus du manteau ;

29 de l’ordre de 30°/Km en moyenne et pouvant dépasser 100°/Km dans les rifts. 30 exception faite du transport de chaleur par advection dans les zones de rift et de subduction (chapitre 1 et § suivants).

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2 - soit déplacer le solidus du manteau jusqu'à atteindre le montrent aussi que le rapport 3He/ 4He est géotherme.... anormalement élevé dans ces roches volcaniques d'origine profonde. Ce rapport apparaît proche de ce Comment pouvons-nous agir sur les paramètres de système qu’il devait être au début de l’histoire de la Terre et il pour faire se recouper solidus et géotherme? n’aurait que très peu évolué lui aussi depuis plusieurs 1 - Déplacer le géotherme signifie augmenter la T° à une Ga. Inversement certains caractères chimiques pression donnée, donc disposer de plus de chaleur que particuliers de ce volcanisme, qui par exemple ce dont le solide à l'équilibre dispose normalement. Ce s’apparentent à un mélange avec des matériaux déséquilibre doit apparaître grâce au comportement de sédimentaires, supposent que ce réservoir n'est pas fluide convectif du manteau à l'échelle géologique, complètement isolé de la surface. dont la dérive des continents est la manifestation en

surface. Si la vitesse de convection est suffisamment 2 - Le second type correspond aux basaltes d'origine lente, le solide ascendant mantellique dans une cellule mantellique plus superficielle. Leur composition élémentaire et leurs rapports isotopiques sont très convective aura le temps "d’ajuster" son état aux différents des premiers et suggèrent que le manteau conditions environnantes, mais si la vitesse de convection est suffisante pour que la diffusion de la superficiel dont ils sont issus a subi une histoire beaucoup plus mouvementée , passant en particulier chaleur avec l'environnement ne soit pas complète, on se rapproche des conditions d'une détente adiabatique par le fractionnement de la croûte continentale. De (sans échange de chaleur). Si une parcelle de manteau densité considérablement plus faible que celle du manteau supérieur, elle est donc très peu recyclée s’élève dans les conditions considérées, elle sera alors depuis sa fabrication. Si l'on considère que la croûte anormalement chaude et tendra à remonter vers la terrestre est le produit de la différenciation chimique surface, et cela d’autant plus vite que la différence de densité avec le manteau environnant sera grande. Le du manteau, la partie du manteau qui a donné géotherme se trouve alors déplacé vers les hautes naissance à la croûte doit être corrélativement appauvrie en éléments qui sont préférentiellement températures. La fusion commencera lorsque la incorporés dans la croûte. Cette soustraction a sans parcelle de Manteau arrivera à une profondeur doute marqué à jamais la composition du manteau suffisamment faible, et elle sera d’autant plus intense supérieur. que l’intersection du géotherme et du solidus sera importante. La décompression adiabatique caractérise Une telle dichotomie des produits volcaniques tend les ascendants mantelliques (au droit des rides naturellement à laisser imaginer que ces deux réservoirs, si océaniques par exemple) qui constituent des lieux différents, ont vécu indépendamment. Dans ces conditions, majeurs de production de magma. Nous y reviendrons la discontinuité à 670 Km paraît se comporter comme une dans la description de la lithosphère océanique. couche limite diffusive, séparant ces deux réservoirs qui 2 - Déplacer le solidus jusqu’à recouper le géotherme doivent donc nécessairement convecter séparément, au moins en première approximation. impose de modifier au moins 1 des paramètres intensifs qui décrivent le système mantellique. Le constituant H 2O est le paramètre influent essentiel, 3 - La tomographie sismique du manteau même si sa concentration dans le système est basse. En supérieur effet, la pression partielle d'H 2O peut modifier très La tomographie sismique est probablement le fortement la position du solidus. On remarque sur la moyen d'investigation du manteau le plus puissant dont nous figure 12 la morphologie du solidus humide, très disposons de nos jours (Lire MC - Planeto - Tomographie sismique incurvé vers les basses pressions (flèche 2). Mais pour manteau - Grizard.htm ). Il s'agit d'une méthode d'analyse des ce faire, il faut pouvoir justifier une introduction d'eau données sismiques enregistrées par un réseau serré de dans le système. Inversement, si l'on y parvient, la sismographes. Nous avons vu au paragraphe “ sismique ” fusion partielle est assurée. Nous y reviendrons dans la que l'inversion consiste ici à fabriquer un modèle de Terre description de la lithosphère plongeante. sphéro-concentrique radialement homogène, dont nombre de La géochimie affirme reconnaître deux réservoirs parents paramètres ne sont pas directement mesurables (profondeur distincts dans les produits du volcanisme: des discontinuités, T°, P, K, µ, ρ...), mais pour lesquels les 1 - Le premier correspond aux basaltes d'origine profonde. valeurs attribuées satisfont au mieux les données mesurées Ceux-ci montrent des rapports isotopiques proches de en surface (temps de trajet des ondes en particulier). La ceux des chondrites (que l'on considère comme un tomographie donne, après inversion, une image du manteau matériel non différencié n'ayant subi aucune à une profondeur donnée en mettant en évidence des ségrégation). Le manteau profond qui donne variations latérales des vitesses de transmission des ondes naissance à ce type de basaltes n'aurait donc pas sismiques à la profondeur considérée, par rapport à la subi d'autre fractionnement que celui qui a séparé le moyenne prévue par le modèle. noyau du manteau lors de la constitution du globe. Son Elle met ainsi en évidence dans le manteau caractère primitif n'aurait pas été considérablement supérieur profond (Fig. 13 page suivante) des zones plus modifié depuis. Des études récentes des rapports rapides (en bleue) et des zones plus lentes (en rouge) qui isotopiques de l'hélium, élément volatil et donc prompt sont attribuées à des écarts de T° caractérisant des à se séparer du manteau pour rejoindre l’atmosphère31 mouvements convectifs évidemment transverses sur les discontinuités liées aux changements de phases préalablement évoquées. 31 et ce d’autant plus qu’il s’agit d’un isotope léger (cf. § VI).

- 78 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 13 : tomographie sismique du manteau supérieur. Fig.15 : représentation des zones froides du manteau supérieur. Zones lentes en bleu, localisées à faible profondeur sous les continents, et à grande profondeur en périphérie de l’océan pacifique (zones de subduction)

sur la plaque Pacifique perd progressivement son identité en descendant. Seules les zones de subduction présentent des racines froides profondes. Certes le réchauffement des plaques a - Zones d’accrétion subductées lors de l'enfouissement efface progressivement le contraste de densité avec le manteau environnant, mais leur Lire MC - Tectonique - Accretion Rift Dorsale - Martin- signature sismique a pu être mise en évidence malgré tout Mayembo.htm . Les cartes des vitesses à profondeur croissante jusqu'à la transition à 670 Km (Fig. 15). de la figure 13 montrent une très bonne corrélation entre la position des régions lentes et chaudes en profondeur Si les rides sont le lieu d'âge zéro de la lithosphère, (rouge foncé) et la présence des dorsales océaniques en les fosses (zones de subduction) ne constituent pas un lieu surface, qui sont les zones où les plaques lithosphériques isochrone. Le lieu de plongement d'une plaque résulte en sont fabriquées en continu à partir du manteau , par effet d'un ensemble de paramètres qui n’ont rien à voir avec accrétion de lithosphère. La zone chaude correspondant à la l’âge de la plaque en ce lieu, mais bien plutôt avec la nature ride Est- et Sud-Pacifique reste marquée jusqu'à 600 Km de et la géométrie des plaques en contact avec elle : profondeur. On peut donc dire que sous les dorsales 1 - Leur nature intervient en effet car il existe un seuil de océaniques qui fonctionnent depuis longtemps avec une densité en dessous duquel les matériaux sont trop vitesse d'expansion élevée (10 à 20 cm/an) comme la ride légers pour suivre une branche convective descendante circum-Pacifique ou Est-Pacifique, le domaine chaud dans le manteau. Ainsi, les continents (densité semble s'étendre jusqu'à la discontinuité de 670 Km moyenne 2.7) ne peuvent être que très partiellement (manteau supérieur - manteau inférieur) mais pas au-delà. recyclés, nous en reparlerons. Leur présence impose Une dorsale ancienne mais lente comme la dorsale alors à une plaque voisine de plonger à leur contact. Il Atlantique paraît correspondre à une “ déchirure ” au moins arrive aussi qu’une plaque lithosphérique, au lieu localement moins profonde dans le manteau (Fig. 13-14). d’être subductée, soit obductée sur la plaque adjacente Les petites ouvertures récentes, comme la mer du (lire MC - Tectonique - Obduction - Martin.htm et La Dérive des Japon, correspondent à une anomalie thermique peu ou pas Continents ) marquée en profondeur. 2 - La distribution (géométrie) des masses non recyclables joue aussi un rôle prépondérant, car la Terre est une b - Zones de subduction surface fermée; tout mouvement en un point a donc Lire MC - Tectonique - Subduction Convergence Arc Marge des incidences ailleurs. On l'oublie trop souvent à active - Martin-Mayembo.htm . Les cartes de la figure 13 montrent regarder des projections planes. que les régions rapides et froides du manteau Une coupe à travers une zone de subduction, comme correspondent, en surface, en premier lieu aux masses par exemple le NE de l’arc volcanique du Japon (Fig. 16) continentales, et en second lieu à la zone centrale de la montre que les foyers des séismes (petits ronds) sont répartis plaque Pacifique . On remarquera que la zone froide centrée Fig.14 : représentation des zones chaudes Fig. 16 : coupe EW à travers l'arc du Japon. du manteau supérieur. Zones rapides (dv/v <0) en rouge, sous les rides océaniques principalement

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Fig. 17 : 2 types de zones de subduction. zones chaudes du manteau sous les petites mers arrière-arc disparaissent rapidement en profondeur dans le manteau. Le comportement du plan de Benioff est différent d'une zone de subduction à une autre. Son angle de plongement varie considérablement (Fig. 17). Les zones de Benioff plongeant vers l’E-NE sont à faible pendage et supportent des chaînes orogéniques à double vergence alors que celles plongeant vers l’ouest sont sur trois régions: à forte pente et les chaînes associées sont à simple vergence. 1 - Du côté de la fosse océanique, les séismes sont C. Doglioni 1999 voit dans cette différence un mouvement localisés à la partie moyenne et supérieure de la région relatif d'est en ouest du manteau profond par rapport à celui froide (en bleu sombre) identifiée comme l’extrados de des plaques lithosphériques, provoqué par la rotation la plaque Pacifique plongeant sous le Japon. Cette terrestre. C. Doglioni et Don L. Anderson (2015) ont trace sismique est appelée plan de Benioff. Il est à modélisé l’effet de cette asymétrie sur la convection noter que le coin de manteau situé au-dessus de la mantellique et soulignent le rôle essentiel de la zone à faible plaque plongeante est constitué de deux régions : le vitesse dans le découplage de la lithosphère vis-à-vis de la manteau en contact avec la plaque plongeante est convection du manteau. Pour les auteurs, le volume refroidi par celle-ci ; cette région est surmontée par lithosphérique englouti dans l’ensemble des zones de une région chaude (jaune à rouge) en relation étroite subductions est de l’ordre de 300 km 3 / an, compensant ainsi avec le volcanisme en surface. la création de plaques provoquée par les upwellings mantellique passifs sous les rides océaniques et les bassins 2 - En sub-surface sous le Japon, les séismes en grand arrière-arcs. Les plaques lithosphériques subductées vers nombre témoignent de l'activité volcanique dans la croûte continentale de l'arc. l'ouest plongent dans le manteau plus de trois fois plus vite (~232 km 3 / an selon Doglioni et Anderson) que dans les 3 - Du côté de la mer du Japon, on observe beaucoup de zones de subduction plongeant vers l'est ou le nord-est (~74 foyers sismiques peu profonds. Ceux-ci sont km3 / an). Pour les auteurs, cette différence est conforme à provoqués par la mise en place plus à l’ouest de petites la dérive vers l'ouest de la lithosphère globale par rapport au cellules de convection dans le coin mantellique situé manteau sous-jacent (fig.18 a-b), ce qui explique 3 entre la plaque plongeante et la lithosphère (Japon + paramètres observés depuis la surface terrestre : mer du Japon). Cette “ mini ” convection provoque 1 - le pendage abrupt des subductions dirigées vers dans cette lithosphère une distension très comparable à l’ouest ; celle que l'on observe au droit des dorsales océaniques majeures. On appelle ces régions d'ouvertures 2 - l'asymétrie entre les flancs des dorsales océaniques, océaniques mineures des bassins arrière-arc. Ces qui trouve là une explication différente de celle donnée Fig. 18a-b : asymétries des plaques tectoniques et contraintes sur la convection du manteau

a) modifié après Carminati et Doglioni (2012). b) Déplacement relatif des plaques a) Les zones de subduction présentent des asymétries majeures selon leur orientation, ouest ou au contraire est à nord-est : dans la topographie, dans la vitesse de subsidence des fosses, le taux de subduction (rapide ou lent, inclinaison forte ou faible de la topographie de l’avant arc, le plongement fort ou faible de la lithosphère subductée, la présence ou non de bassins Arrière-arc, et volume de 1 à 3 de la lithosphère subductée. Au niveau des zones de rift, leur flanc ouest est plus profond et escarpé que leur flanc est, et présente une vitesse des ondes de cisaillement (S) est deux fois plus rapide que le flanc est. Toutes ces asymétries suggèrent une dérive vers l’ouest de la lithosphère par rapport au manteau. b) Déplacement relatif des plaques par rapport aux zones l’alimentation à 250 km de profondeur des points chauds du pacifique, prises en référence ; les petits cercles représentent les pôles euréliens des plaques dans ce référentiel. L’ensemble place l’axe de rotation de la dérive vers l’ouest de la lithosphère par rapport à l’asthénosphère et son équateur « tectonique » à environ 25-30° de la rotation de la Terre. http://ac.els-cdn.com/S1674987114000231/1-s2.0-S1674987114000231-main.pdf?_tid=40c209d0-ce63-11e5-9782- 00000aab0f02&acdnat=1454936318_aa054f77463ce8ca966b538178569dae - 80 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

dès 1998 par R. D. Müller et al. , qui après Fig. 19a : cartes tomographiques Fig. 19b : coupes avoir remarqué que les déficits dans du manteau inférieur. tomographiques du manteau l'accrétion de la croûte se produisaient inférieur. principalement sur les flancs des rides recouvrant un ou plusieurs points chauds, en attribuaient la cause à une propagation de la dorsale vers les panaches mantelliques en question ; en 2010, G. Panza,, C. Doglioni et A. Levshin 32 puis C.Doglioni et al. (2014) ont suggéré que la lithosphère subiraient une rotation différentielle vers l’ouest vis-à-vis du manteau asthénosphérique globalement centrée autour d’un axe polaire centré sur l’ensemble des pôles euréliens des plaques (Fig. 18 page précédente). La vitesse de rotation serait de l’ordre de 1° par 10 millions d’années. 3 - les directions de migration de la crête des dorsales. remarque en effet qu'à 4 - La tomographie sismique du manteau cette profondeur deux « tuyaux » beaucoup plus étroits (en inférieur rouge) correspondent aux deux zones chaudes de la couche Le plus souvent, la plaque subductée vient s’étaler D". On remarque sur la figure que le tuyau mantellique sur la zone de transition à 670 Km. Mais en 1994, africain se situe à l'aplomb du plateau sud-africain. Ce haut Kawakatsu et Niu ont reconnu une nouvelle discontinuité plateau est anormalement élevé pour un vieux craton dans le manteau inférieur peu profond, située à 920 km sous complètement érodé (environ 1000-1200m au lieu de 300- la zone de subduction de Tonga. Cette discontinuité a été 400m en moyenne). Pour Michael Gurnis et son équipe, la observée depuis sous deux autres zones de subduction dilatation provoquée par le matériel mantellique chaud serait (Japon-Izu Bonin, et Indonésie) à une profondeur variant de à l’origine de soulèvements régionaux de grande ampleur. 920 à 1080 Km. Le contraste d’impédance acoustique que Ainsi la topographie de la planète serait largement marquée révèlent ces discontinuités est lui aussi très variable. Trois par la convection mantellique profonde. Le second conduit hypothèses sont envisageables pour caractériser cette surchauffé, situé sous le Pacifique, correspondrait aux discontinuité : panaches équatoriaux qui percent en surface le plancher océanique (e.g. volcanisme d’Hawaï). 1 - un nouveau changement de phase ; 2 - une hétérogénéité chimique dans le manteau inférieur ; Dans les interprétations construites à partir de 3 - plus probablement cette discontinuité correspond à la l’ensemble des données (Fig. 19b), les auteurs montrent sur base de la plaque subductée, stockée à une profondeur les coupes B et C que le matériel chaud qui remonte ne pouvant atteindre ainsi 800 à 1000 km. dépasse pas la discontinuité à 670 Km. Par contre, dans la coupe A, le panache chaud semble en connexion avec le Si l’on ne connaît pas de changement des structures manteau supérieur chaud et très étiré vers le nord-est. C’est cristallines au sein du manteau inférieur, H. Marquardt & ce manteau supérieur qui alimente à son tour le volcanisme L. Miyagi (2015) ont mis en évidence expérimentalement — Est-Africain. enclumes à diamants, environ 64.10 6 kPa = 640 kbar et 2100 °C — que l’assemblage bridgmanite + magnésiowüstite subit une Il apparaît ainsi que la discontinuité à 670 Km est augmentation viscosité dès le début du manteau inférieur, et probablement franchie, au moins partiellement ou de que cet accroissement passe par un maximum (de l’ordre de manière intermittente, par les panaches ascendants du 3 fois la viscosité initiale) pour une pression équivalente à manteau inférieur, et qu’elle est aussi probablement franchie une profondeur de 1500 km. Les auteurs y voient une par du matériel froid et dense stocké au fond du manteau possibilité de bloquer temporairement les plaques supérieur. Faut-il alors envisager que la convection subductées en route vers la couche D’’. mantellique est à un seul étage ? Nous avons déjà mis en évidence le caractère hétérogène de la couche D" à la base du manteau (frontière 5 - Vers une convection à 1 ou 2 couches ? noyau-manteau) et, en corollaire, l’existence d’anomalies Lire Q - Planeto -Le manteau convecte en une ou deux couches - thermiques liées au mode de transfert de la chaleur du noyau Grizard.htm . Pour les géochimistes, la question est en effet vers le manteau. Les cartes tomographiques obtenues ces encore largement d’actualité. Nous avons vu que la dernières années pour diverses profondeurs dans le manteau dichotomie de composition chimique entre volcanisme inférieur (e.g. Michael Gurnis et al , 2000, Fig. 19a) nous d’origine profonde et volcanisme d’origine plus superficielle montrent que le contraste de densité définit deux zones paraît nécessiter une séparation ancienne (plusieurs Ga.) en chaudes équatoriales au voisinage du noyau. Ce contraste deux réservoirs mantelliques distincts, l'un supérieur et tend à s’effacer dans la partie médiane du manteau. On l'autre inférieur. La discontinuité à 670 Km agissant alors comme une couche limite diffusive, ces deux réservoirs devraient alors nécessairement convecter séparément. 32 http://www.mantleplumes.org/WebDocuments/Panza2010.pdf Pour les géophysiciens, cette séparation n’est pas

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Fig 20 : modèle Terra-Dynamo : peut varier brutalement, Fig. 21 : simulation tomogra- a) Les hétérogénéités de transfert de chaleur à la surface du les changements de phique du manteau Est Pacifique noyau paraissent guider la convection dans le manteau, modèle à phases qui une couche. A la surface terrestre, les zones froides apparaissent accompagnent beaucoup moins diffuses (réseau linéaire ou curvilinéaire bleu) l’augmentation de que les zones plus chaudes en vert à l’aplomb des panaches pression avec la rouges dans le manteau. profondeur. Confortant ce point de vue, on a mis en évidence pour la première fois dans les années 90 dans l’Ouest- Pacifique sous la fosse des Kouriles et sous le Japon, des zones froides dans le manteau inférieur qui paraissent relier zone de subduction dans le manteau supérieur et couche D". b) Modèle isovisqueux c) Modèle à viscosité croissante Les simulations, effectuées depuis les années (1997- 1998) à partir des résultats de la tomographie viennent conforter cette hypothèse. La figure 21 montre par exemple l’iso-surface limitant le domaine des ondes P à vitesse 0.5% plus grande que la moyenne, pour tout le manteau (supérieur et inférieur) de la région allant du Japon à l’est de la Chine. Cette surface iso-vitesse décrit la subduction de la plaque océanique Est-Pacifique au niveau des fosses des Kouriles, du Japon et de l’arc Izu-Bonin. Le modèle rend compte d’une part de l’accumulation de matériel subducté en une évidente et les opinions sont encore tranchées. Certains, flaque plate située sur la zone de transition entre manteau comme Glatzmaier et Roberts, estiment que les modèles à supérieur et manteau inférieur, et d’autre part de la présence une seule couche de convection, comme Terra-Dynamo d’un pont étroit de matière froide dans le manteau inférieur (Fig. 20a), « collent » mieux aux données sismiques que les qui met en relation la discontinuité à 670 Km et une sorte de modèles à deux couches. cône de déjection s’étalant sur la couche D", dénommé Deux observations doivent être gardées en mémoire : « cimetière » des plaques enfouies. Récemment, une zone froide a été identifiée sous la Sibérie (Van Der Voo 1999 ; 1- La forme du géoïde est dominée par des structures de grande longueur d’onde, 10 000 à 20 000 kms, qui sont considérablement plus grandes que la hauteur possible Fig 22b : paléo-reconstructions de la Sibérie (SIB) et des des cellules convectives du manteau (moins de 3000 blocks adjacents : km maximum pour un manteau à une couche) ; a) au Jurassique Supérieur et b) au Crétacé Inférieur, montrant la subduction de l’océan Mongol-Okhotsk sous la marge 2- Les hétérogénéités de vitesses sismiques mesurées Sibérienne. EUR, Europe; KAZ, Kazakhstan; MON, Mongolia; dans le manteau sont elles aussi de grande longueur NCB and SCB, North and South China blocks; INC, Indochina; d’onde and SH, Shan-Thai block. Ces deux faits sont en contradiction avec les résultats des modèles de manteau iso visqueux, qui montrent des cellules convectives aussi peu larges que hautes (Fig. 20b). Par contre les modèles de manteau à viscosité croissante (Fig. 20c) présentent des cellules étalées beaucoup plus conformes aux structures gravifiques et sismiques évoquées. En plus, les branches plongeantes des cellules acquièrent une morphologie en feuillets plus comparables aux plaques plongeantes que les panaches froids plongeants des modèles isovisqueux. Outre le chauffage interne du manteau par radioactivité et son chauffage basal hétérogène (et mal connu) par la couche D”, il existe de nombreux autres paramètres qui peuvent modifier la convection, rappelons le Fig. 22a) à l’ouest du lac Baïkal jusqu’à 2500Km de comportement cassant de la lithosphère continentale qui profondeur. Elle est interprétée comme les restes d’une vient localement jouer le rôle de couvercle, la viscosité qui plaque océanique ancienne qui, dans la collision des blocs qui formèrent progressivement l’Eurasie, fut subductée en Fig. 22a : plaque subductée sous l’Ouest du lac Baïkal. lieu et place du Lac Baïkal pendant 50 Ma. au moins à la fin du Jurassique (Fig. 22b). Cette découverte suggère donc que la trace des plaques subductées dans le manteau inférieur persisterait au moins durant 150 Ma., peut-être plus ? Ainsi donc, des exemples de plus en plus nombreux de plaques modernes et anciennes plongeant dans le manteau inférieur sont rapportés. Ces plaques vont rejoindre la couche D", qui apparaît d’une part, ainsi qu’on l’a montré

- 82 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 23a : convection à deux étages de Paul J. Tackley. Fig. 23b : simulation de la convection dans le manteau : a) modèle à 1 couche; b) modèle mixte; c) modèle à 2 couches

isothermes (parties droites des sphères de la figure) et des cellules de convection (parties gauches). Entre les deux extrêmes que sont, a) la convection unique à travers les deux manteaux pour une pente nulle, et c) la convection à deux plus avant, comme le parent des ascendants mantelliques étages découplant complètement le manteau inférieur du profonds (les panaches), et d’autre part comme le cimetière manteau supérieur pour une pente très forte de l’ordre de – des plaques océaniques subductées. 4.10 6 Pa/K, il peut exister b) des modes de convection à deux étages de cellules capables d'échanges intermittents, Il est toutefois très probable que les descendants pour des valeurs de la pente de l’ordre de – 2.10 6 Pa/K – mantelliques ne franchissent pas aisément la discontinuité à 6 670 Km. Dans un article relativement récent paru dans 3.10 Pa/K tout à fait comparables à celles qui ont été Nature P. J. Tackley 2008 confirmait que les modèles de obtenues lors de travaux expérimentaux sur cette transformation de l’olivine en pérovskite D’après ces convection sont toujours d’actualité (Fig. 23a) et suggèrent modèles, le manteau supérieur froid stagne et s’accumule que les plaques relativement froides (en bleu) sont soit sur la discontinuité, qu’il franchit spontanément lorsque défléchies sur cette discontinuité (tireté). On observe en effet clairement que les plaques subductées n’offrent pas un l’accumulation est suffisante. Lorsque cette quantité critique contraste de densité suffisant avec leur manteau environnant est atteinte, il se produit une avalanche de ce manteau supérieur froid jusqu’au fond du manteau inférieur, et un (en tous cas les plaques à vitesse sismique lente) pour nouveau cycle recommence. Pour les auteurs, la durée de traverser la discontinuité. Elles viennent donc s’étaler à la ces cycles pourrait être comparable aux cycles de profondeur de 700 Km. D’autres, au contraire traversent construction des super continents (Pangée(s)), de l’ordre de bien la discontinuité et sont renvoyées vers la CMB. Les morceaux accumulés dans ces cimetières bleus sont de 400 à 500 Ma, serait néanmoins variable et pourrait être l’ancienne lithosphère, donc un matériau issu de la fusion contrôlée par la mise en place de super panaches comme les deux que nous avons évoqués au paragraphe Chp.4.B.2. partielle du manteau. Or le produit de l’extraction des matériaux fusibles est enrichi en alcalins. Donc la CMB M. Yoshida et M. Santosh ont montré en 2011 s’enrichit en matériaux lithosphériques donc certains sont l’impact des supercontinents sur la dynamique mantellique des reliquats réfractaires pauvres en alcalins et d’autres sont et en corollaire sur les mouvements des plaques en surface. au contraire très enrichis en alcalins. Ce matériel est figuré La fabrication de ces « Pangées » résulte, d’après les en rouge orangé dans la figure 23a. Il donne naissance à des modèles de circulation dans le manteau, d’une subduction panaches chauds et légers de matériel marqué par sa grande simultanée en de multiples zones, conduisant à une super richesse en alcalins (mantle-plumes en rouge), qui vont subduction des plaques océaniques et au rapprochement des remonter vers la surface et alimenter le volcanisme alcalin continents en surface (lire Q - Ocean - Histoire Evolution et Devenir de point chaud. Leur trajet peut être direct jusqu’à la surface des Fonds Sous-Marins - Perrot.htm ). Pour les auteurs, le (plumes primaires), mais les panaches peuvent aussi être plongement vers l’interface noyau manteau (CMB) des bloqués sous la discontinuité à 670 Km et alimenter des matériaux d’abord stockés sur la zone de discontinuité (vers plumes secondaires. 700km) constitue le potentiel d’énergie capable d’engendrer On sait que le contraste entre les deux réservoirs un diapir de super panache depuis la CMB, auteur de la résulte principalement de la transformation de phase, rupture du supercontinent. Le couvercle imposé au transfert de chaleur par le supercontinent (voir Chp.1.B) se traduit par olivine ↔. pérovskite + magnésio-wüstite . une augmentation de la température sous la lithosphère Aussi, dès 1994, on a cherché comment la transition continentale et une réorganisation majeure des cellules de phase à 670 Km pourrait jouer un rôle de clapet convectives dans le manteau, comme le montre la figure intermittent. Les modélisations du transfert de chaleur dans 23c. On passerait alors par un stade de convection à un seul le manteau étage, peut-être généralisé à l’échelle de la planète, qui serait prenant en compte Fig 23c : Masaki Yoshida & M. Santosh 2011. cette transition de cartoon showing the time series of mantle reorganization by the amalgamation of supercontinent. phase (Fig. 23b) ont alors montré qu’en fonction de la pente de l'équilibre des phases (pente de Clapeyron ), on peut envisager plusieurs modes de distribution des http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012825210001753# - 83 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 caractéristique des épisodes de supercontinents. Dans la sauf dans les branches descendantes qui, pour phase de dispersion des morceaux disloqués du super- certaines, coïncident avec les zones de subduction. contient comme nous pouvons l’observer depuis la fin de la 7 - Le modèle de la convection à 2 couches et cellules de Pangée au Trias, la convection mantellique retournerait au « petite » taille, avec des panaches ascensionnels modèle à deux couches présenté plus avant, avec des locaux traversant la limite à 670 km entre les deux cellules convectives considérablement plus petites. manteaux et inversement des avalanches vers la CMB de lithosphère subductée et stockée temporairement En résumé : sur cette limite entre les 2 manteaux prévaut lorsque 1 - La trace froide de la plaque subductée peut être suivie les continents sont dispersés comme ils le sont jusqu'à 650-700 Km, zone de transition pérovskite, actuellement ; le modèle de convection à une seule voir plus de 1000 km, ce qui suggère des couche et cellules de grande taille (disparition complications dans cette transformation; temporaire de la limite à 670 km) s’installe lors des 2 - L'angle de plongement de la plaque est souvent épisodes de supercontinent à cause de la mauvaise brutalement modifié à cette profondeur, témoignant dissipation thermique que cela engendre. ainsi de la « flottabilité » importante de cette plaque sur le manteau inférieur ; La zone de transition constitue donc bien une couche limite (conductive et D - La valse à trois temps, l’Hadéen, donc à fort gradient thermique) ; l’Archéen, et les Temps Modernes 3 - Le déplacement de l'équilibre de phase initial, résultant de cette accumulation de matériau froid et dense pourrait permettre un changement de la pente de 1 - L’Hadéen, une naissance tourmentée l’équilibre, déclenchant u ne avalanche de matériau Rappel : la grande majorité des astrophysiciens lithosphérique (plaque subductée) dans le manteau s’accorde à penser que durant sa prime jeunesse, la Terre, inférieur suivie d'un retour à la normale ; le rôle de datée de 4.55 Ga. par C. Pattierson en 1953, a grossi par couche limite de la zone de transition est donc accrétion à froid, selon un scénario d’évolution de la transgressé au moins localement et la convection, nébuleuse que nous emprunterons à D. Bockelée-Morvan et certes à deux couches, admet des discontinuités de J. Crovisier (1993) et à A Brahic (1999). cette couche limite, dans le temps et/ou dans l’espace ; 4 - La couche D" constituerait le cimetière de ces plaques a - Scénario d’une accrétion à froid en subductées, matériau hétérogène mélange de manteau lithosphérique appauvri et réfractaire, et de matériau moins de 10 Ma ? crustal relativement enrichi en éléments alcalin et Lire MC - Planeto - Accretion - Ambroggi-Badgi-BenFadhel- hygromagmatophiles 33 ; elle s’enrichirait en outre des Padet & Sarfati.htm ; Q - Planeto - Naissance du systeme solaire et des produits de réaction entre la base du manteau et le planetes - Biron.htm . Résumons les 3 étapes développées au noyau métallique liquide ; chapitre 2.D : 5 - Les hétérogénéités de la couche D", en agissant sur le 1 - Le stade nébuleuse aurait été initié à l’occasion de la transfert de chaleur du noyau vers le manteau, traversée d’un bras de notre galaxie (la Voie Lactée) régiraient le fonctionnement de la dynamo terrestre et par un nuage interstellaire. La compression qui en la dynamique des panaches mantelliques profonds résulte aurait provoqué la fragmentation du milieu en générateurs d’épisodes volcaniques paroxysmiques ; globules de Bok et l’effondrement de ces globules. 6 - Le transfert des panaches chauds du manteau inférieur L’un d’entre eux était la nébuleuse ancêtre commun de au manteau supérieur est complexe ; une partie notre Soleil et des planètes. seulement du matériel du panache est transférée vers le manteau supérieur; cette partie semble entraînée dans 2 - Le stade proto-Soleil, passage de la nébuleuse à la convection mantellique supérieure (au moins dans le l’étoile, implique une concentration de la matière à cas de l’Afrique). En surface, le volcanisme des points laquelle tout s’oppose : la température du gaz qui chauds reste géographiquement fixe sur de longues s’élève ; le champ magnétique qui s’intensifie ; la périodes alors que les plaques sont mobiles, dessinant vitesse de rotation du nuage qui s’accélère. Les ainsi par exemple les chaînes de volcans d'âge observations des pouponnières d’étoiles comme la régulièrement croissant du Pacifique. Un tel schéma nébuleuse d’Orion et les modèles théoriques nous suggère que la géométrie des cellules convectives du montrent qu’à ce stade l’étoile émet un jet de plasma manteau supérieur reste stable au moins pendant le bipolaire représentant une perte importante de matière même laps de temps ; la géométrie de ces cellules est et de moment cinétique, ce qui rend l’effondrement alors indépendante de celle des plaques sus-jacentes, possible. Cet effondrement donne une étoile très lumineuse et concentre rapidement la matière en un disque équatorial. Pour les objets suffisamment 33 On appelle élément hygromagmatophile tout élément qui, massiques comme notre Soleil, l’effondrement engagé ans un processus de fusion partielle du manteau ou gravitaire s’arrête lorsque la pression est assez forte et de la croûte, présente un coefficient de partage D entre le donc la température assez élevée pour permettre le solide et le liquide très faible : D<<1. Autrement dit, ces démarrage de la fusion de l’hydrogène en Hélium élément présentent une grande affinité (comme les alcalins (Ensuite, tant qu’il restera de l’hydrogène à dans la fusion du manteau) pour les liquides magmatiques. consommer, l’état de notre Soleil sera stationnaire). Donc lors de la cristallisation fractionnée les éléments Mais l’étoile perd à ce moment de sa luminosité, et hygromagmatophiles se concentrent dans les derniers l’arrêt de l’effondrement se traduit donc aussi dans le liquides. gaz restant, par la chute de la température, et en

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cascade par la condensation de ce gaz en particules chondrite CI de Allende , on donne pour âge du début de (grains). Près du Soleil se sont retrouvés condensés les l’effondrement de la nébuleuse solaire une fourchette de composés réfractaires de Ca, Al, Mg, Ti, apparus les temps très étroite, 4.568-4.565 Ma . Or certaines premiers en dessous de 2000K. Ensuite, les silicates se achondrites basaltiques qui sont des météorites sont condensés entre 1400 et 1000K, puis les sulfures différenciées et donc ne peuvent provenir que de corps et les oxydes métalliques et, vers 300K, est apparue la rocheux ayant déjà subi une fusion partielle et une glace d’eau. Enfin aux alentours de quelques x10K ségrégation, sont à peine plus jeunes, de 8 Ma. seulement ! sont apparus des grains méthane. Dans ce disque en Il faut alors imaginer que notre scénario de formation des cours de refroidissement avait lieu des réactions embryons planétaires à partir des planètésimaux peut se chimiques dont la nature diffère avec la température, et dérouler en moins de 8 Ma., un laps de temps extrêmement donc aussi avec la distance au soleil. Les court. Il aura fallu que l'augmentation de la pression et de la compositions, minéralogique et chimique, du système température 35 du corps en cours d’accrétion aient été solaire actuel sont le reflet de cette différenciation suffisantes pour amener ces embryons planétaires jusqu’à première, conséquence directe de la variation de l'état liquide (ou à son voisinage). température dans le disque protoplanétaire. 3 - Le stade d’accrétion des planètes est décrit à travers b - Un vernis météoritique et cométaire les modèles théoriques comme un événement très bref, tardif pour la Terre moins de 100 Ma. Lire MC - Planeto - Differentiation Par similitude, on peut certainement rapporter la planetaire - Badji-BenFadhel &Turon.htm . La condensation différenciation dans la Terre du noyau métallique à cette chimique que nous avons évoquée au stade B ne période hautement dynamique de l’accrétion planétaire, en permet pas de dépasser une taille d’objet supérieure à raison sans doute de la forte densité du fer, mais aussi de quelques x.Cm. Sans instabilités gravitationnelles l’état possiblement entièrement liquide auquel cet épisode locales, nous en serions encore à ce stade, mais fort tumultueux avait amené la Terre. Observé à travers les heureusement, celles-ci provoquent rapidement la informations de la géochimie du manteau, cet épisode de constitution d’agglomérats de grains de x.100m, les fractionnement majeur dans notre planète paraît avoir eu planètésimaux (moins de 10 Ma. selon Lugmaier et lieu avant la fin de la phase d’accrétion planétaire. En effet, Shukolyukov 1998). Les collisions entre lorsque l’on mesure (depuis les années 70) les rapports des planètésimaux fabriquent des embryons planétaires de abondances en métaux nobles à leur teneur en fer dans les x.100 Km à quelques x.1000 Km. Les collisions roches du manteau, remontées par les volcans ou exhumées provoquent tantôt la fragmentation des corps, tantôt par la tectonique, on constate qu’elles sont plus proches des leur fusion. Ce sont elles qui ont finalement donné aux rapports chondritiques qu’elles ne devraient. Si la planètes internes au moins leur axe et leur période de différenciation avait eu lieu strictement après la phase rotation initiaux. C’est bien sous l’égide d’ Hadès , en d’accrétion, l’affinité de ces métaux vis à vis du fer étant cette époque “ infernale ” de l’Hadéen que commence variable (c. à d. la similitude de comportement avec le fer), la vie de notre planète, qui atteint sa masse actuelle cela aurait dû engendrer une ségrégation différentielle de ces entre 4.51 et 4.45 Ga. ( Halliday 2000), et voit se métaux dans le noyau en cours de différenciation ? différencier son noyau en moins de 30Ma ! (Yin et al. et Klein et al. 2002). Ainsi, les métaux à affinité forte avec le fer (e.g. Ir) ont dû être entraînés dans le noyau, et inversement les Le cas des planètes géantes gazeuses est métaux à affinité plus faible (e.g. Pd) ont dû « enrichir » le probablement différent. Il paraît difficile d’obtenir des manteau ? Reprenant les évaluations du fer manquant dans planètes de cette taille par accrétion, et certains imaginent le manteau actuel du début de ce chapitre, les rapports dans un scénario complètement différent qu’elles résultent mesurés de ces métaux au fer dans le manteau, et enfin les directement d’effondrements gravitaires précoces au sein du mêmes rapports dans les chondrites supposées représenter la disque protoplanétaire. En outre, l’existence d’un très grand composition de la Terre avant la différenciation, les espace, plus de 500.10 6 Km sans planète entre Mars et géochimistes concluent à un enrichissement du manteau, Jupiter 34 peut laisser à penser que Jupiter a été formée très post-différenciation, qui représente le mélange du manteau tôt, et que sa très grande influence gravitaire aurait alors déjà différencié avec 0.5 à 1% de matériel chondritique. On interdit la fabrication de corps importants dans cette région appelle « vernis tardif » l’héritage géochimique de cette de l’espace, d’où une planète Mars très petite par rapport à période « finale » du bombardement météoritique et la Terre, et une ceinture d’astéroïdes qui n’ont jamais réussi cométaire postérieure à la différenciation du noyau terrestre. leur accrétion entre Mars et Jupiter. La localisation des C’est à cette période que l’on rapporte le rôle essentiel joué objets les plus froids, les comètes, dans la ceinture par le bombardement météoritique dans la composition de d’Edgeworth-Kuiper et le nuage de Oort aux confins du l’océan. système solaire fait de ces objets des planètésimaux qui ont échappé à l’attraction des planètes géantes en formation. Le deutérium (D) est l’isotope de l’hydrogène qui possède 1 neutron, contrairement à l’hydrogène qui n’en possède pas. En 1995, C. J. Allègre, G. Manhès et C. Göpel ont Il est donc possible de caractériser une eau (H O) par sa précisé ce scénario général. Partant de la datation précise 2 proportion d’atomes de deutérium par rapport à celle des corps les moins différenciés (donc les plus proches des d’hydrogène. On trouve ainsi pour l’eau des océans un planètésimaux connus) les inclusions réfractaires de la

35 Augmentation qui résulte à la fois de l'accroissement de 34 alors que les 4 planètes internes sont confinées dans un taille et de la quantité d'énergie cinétique emmagasinée sous rayon de 230.10 6 Km seulement. forme de chaleur lors des collisions.

- 85 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 24a : interactions planète-disque. rapport D/H = 1.5 .10 -4. Les mesures effectuées en 1996, Un objet massif perturbe le disque de gaz et crée une tant par la sonde Giotto dans la queue de la comète de onde spirale de densité Halley que depuis la Terre à l’aide de télescopes sur la comète Yakutake, ont montré que le rapport cométaire D/H est de 3.0 10 -4. L’eau terrestre contient au maximum 30% d’eau cométaire.

c - Mise en place du système solaire L’accrétion récente des planètes, encore plongées dans un disque de gaz et de poussières, est un processus relativement instable. La masse du « cocon » de poussière et de gaz restant en fin de phase d’accrétion des planètes — et qui va continuer à s’accréter principalement à l’étoile naissante — est suffisante pour entraîner un rapprochement des planètes géantes déjà partiellement formées vers la proximité même de l’étoile.

Pour Aurélien Crida (Observatoire de la Côte http://www.oca.eu/crida/index.html d’Azur), sur les plus de 250 exo planètes connues de nos jours, on observe que la plupart sont ainsi des géantes proposé par ces auteurs (model de NICE, 2006, 2007), au qualifiées de « Jupiters chauds », c'est-à-dire formées loin de départ, l’ensemble des 4 géantes est plus proche du Soleil et l’étoile et rapprochées ensuite par interaction avec le disque la ceinture de comètes de Kuiper est, elle aussi, beaucoup gazeux. En effet, Au moment de leur formation, les planètes moins éloignée que de nos jours (Fig. 24b-a). De ce fait, les ou les protoplanètes sont « immergés » le disque de gaz, et géantes captures nombre de comètes, qu’elles absorbent ou ils interagissent avec lui. Leur masse créée une onde spirale dévient vers l’intérieur du système ; seuls Jupiter et le Soleil de densité (Fig. 24a) qui repousse le gaz, plus fortement vers ont une masse suffisante pour les renvoyer vers l’extérieur, l’extérieur de son orbite que la vers l’intérieur. En réaction voire en éjecter une partie hors du système. Chaque fois la planète est poussée vers le Soleil. Ce processus, appelé qu’une comète est catapultée vers le Soleil, la conservation migration planétaire, explique la formation de nombreuses du moment cinétique de la planète en cause lui impose un planètes géantes extrasolaires, qui ne peuvent s’être formées léger déplacement vers l’extérieur. Chaque comète expulsée sur leur orbite basse actuelle car il n’y avait pas assez de par Jupiter tend au contraire à la déplacer vers l’intérieur. matière dans le disque de gaz à ce niveau. Elles sont Selon les auteurs, le déplacement des planètes les auraient nécessairement nées plus à l’extérieur avant de commencer conduites à se situer un temps (Fig. 24b-b) en résonance 2 :1 leur migration, vidant le disque de gaz et la migration s'est (Jupiter faisait alors 2 tours pendant que Saturne en faisant arrêtée où on les observe. 1); cette résonance confère une excentricité croissante aux Les simulations récentes menées par l’auteur et A. orbites des 2 planètes, perturbant ainsi celles de Neptune et Morbidelli et al suggèrent que cette étape n’a pas eu lieu d’Uranus. Initialement plus interne qu’Uranus, Neptune va dans le système solaire parce que Jupiter, la plus massique ainsi dépasser Uranus et acquérir une excentricité des deux géantes Jupiter et Saturne, est sur l’orbite la plus temporairement maximale. C’est donc l’ensemble des basse. Dans le cas inverse, Jupiter aurait poussé Saturne interactions comètes-planètes durant la phase de nettoyage avec elle-même dans une position beaucoup plus chaude. du disque stellaire qui aurait conféré aux orbites des planètes Que serait-il advenu des planètes rocheuses internes ? les caractéristiques qu’on leur connaît (Fig. 24b-c), et L’éjection du système de l’une ou plusieurs d’entre elles repoussé le reste de la ceinture de Kuiper de 15-30 UA à 38- devient alors tout à fait probable. 50 UA, alors que les planètes gazeuses passaient respectivement de 5.5 à 5.2 UA pour Jupiter, 8 à 9 UA pour Le bombardement cométaire déjà évoqué pour la fin Saturne, de 13 à 30 UA pour Neptune et de 16 à 19 UA pour de l’accrétion terrestre a semble-t-il joué un rôle primordial Uranus. dans le positionnement final des planètes. Selon le modèle L’excentricité temporairement extrême acquise par Fig. 24b : migration des planètes du système solaire selon le modèle de NICE .

http://www.f utura -sciences.com - 86 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

Fig. 25a : scénario d’une collision avec Theïa en 5 clichés : le noyau du météore rebondit avec un mélange des 2 manteaux. Le mélange reste sur orbite (future Lune), alors qu’une partie du noyau retombe sur Terre. Echelles des tailles et distances des corps non respectées

t=0 t=12’ t=45’ t=1h20’ t=4h07’

Neptune au cours de cette période aurait déclenché une avalanche de 10 16 tonnes de comètes, pour l’essentiel catapultées vers les planètes rocheuses et le Soleil. Une telle Reste donc la capture violente d’un météore de la avalanche aurait duré de 30 à 100 Ma. et aurait aussi vidé taille de Mars, nommé Theïa. Pour qu’un scénario de ce partiellement la ceinture d’astéroïdes située entre Jupiter et type soit possible, les contraintes que cela impose à son Saturne. On retrouve la trace de cet épisode de orbite initiale suggèrent un objet d’une telle taille devait être bombardement d’astéroïdes sur la Lune dans les roches déjà différencié au moment de l’impact, probablement en un collectées par les missions Apollo. Il est daté à 3.9 Ga., soit noyau métallique et un manteau silicaté. Depuis une 700 Ma. après la formation de système Solaire. Ce décennie, on envisage le scénario suivant (Fig. 25a) : bombardement cométaire est aussi observé sur Terre, dans la 1 - à t=0 premier impact ; géochimie du manteau terrestre (vernis tardif, § D1b), mais 2 - à t=12’ Les noyaux restent individualisés, mais aussi dans l’abondance de l’eau sur notre planète. les manteaux fusionnent ; d - Terre-Lune, le couple infernal 3 - à t=45’ Le météore déstructuré rebondit ; Il est alors constitué d’un mélange des manteaux des 2 corps Lire MC - Planeto - couple Terre-Lune - Fuhrmann-Gagnot.htm . et de son noyau; Pour W. Hartmann et D. Davis (1975), reprenant une 4 - à t=1h20’ une fraction du noyau s’est ré- hypothèse émise par R. Daly en 1946, c’est encore durant individualisée et se prépare à retomber sur la proto- l’Hadéen que le couple Terre Lune a été créé vers 4.5 Ga. Terre ; le reste est satellisé autour de la proto-Terre ; lors d’une capture violente d’un météore. Dans cette hypothèse, l’impact d’un météore de la taille de Mars sur la 5 - à t= 4h07’ deuxième impact ; le noyau du météore Terre serait à l’origine de ce couple. L’intérêt de cette va s’intégrer au noyau terrestre et augmenter la masse théorie est de rendre mieux compte des contraintes volumique moyenne de celle-ci ; la Lune va renaître de géochimiques: leurs manteaux présentent des points de l’accrétion des fragments restés en orbite. La nature similitude troublant et des différences importantes. Les ferreuse du noyau lunaire est encore largement autres scenarii proposés à ce jour sont moins performants : discutée, il pourrait aussi être silicaté. 1 - Pour Georges Darwin (fils de Charles) la Lune était A supposer qu’ils aient été solides au moment de née de la fission de la Terre, arrachée au Pacifique en l’impact, on imagine que 65% de l’ensemble des 2 corps raison d’une rotation trop rapide. Trois objections aurait pu fondre. La proto-Lune perd dans cette aventure une peuvent être faites à cette théorie: l’orbite lunaire est grande partie de son noyau au profit de la Terre, mais elle inclinée de 5° sur le plan équatorial de la Terre; le perd aussi dans le cosmos d’une partie de ses constituants moment cinétique du couple Terre Lune n’est pas volatils en raison la chaleur dégagée ; elle présente de ce fait assez élevé pour expliquer une instabilité de rotation; une surabondance des constituants réfractaires par rapport à d’où viennent les différences chimiques entre Terre et la Terre. Cette perte d’une partie de la masse initiale la plus Lune ? légère est probablement reflétée dans la masse volumique 2 - La capture douce de la Lune par la Terre : l’objection moyenne un peu élevée du couple Terre-Lune (cf. de l’orbite lunaire disparaît ; deux mécanismes sont introduction). Jusque très récemment, les rapports possibles, soit une orbite initialement très rasante qui isotopiques de l’oxygène des échantillons lunaires rapportés permet la dissipation de l’énergie cinétique en marées par les missions Apollo étaient considérés comme énormes et donc la capture de la Lune, soit l’existence significativement différents de ceux des roches issues du préalable d’une première « Lune » autour de la Terre, manteau terrestre, suggérant que le mélange de notre proto- permettant un échange de moment avec la Lune lors de Terre avec l’embryon de planète Theïa. Mais pour les sa capture et de l’éjection de la première « lune ». chercheurs de l’UCLA (E. D. Young et al. 2016), utilisant Mais nous n’avons aucune trace de cette première un nouvel équipement de spectrométrie de masse, ces « lune », et quid des similitudes chimiques entre Terre rapports isotopiques de la Lune et de la Terre montrent des et Lune. différences inférieures à 2 fois l’erreur standard et doivent 3 - Les deux planètes, sœurs jumelles, auraient grandi donc être considérés comme indiscernables. Dans ce simultanément. Mais formées dans le même nouveau modèle, l’impact aurait eu lieu sous un angle très environnement par un processus similaire, on fort, seul capable de conduire à un mélange aussi intime. comprend très mal les différences chimiques de leurs Selon les auteurs, un tel modèle conduit en outre à limiter le manteaux. rôle du bombardement cométaire dans le vernis météoritique et cométaire tardif évoqué au paragraphe D1B, qui achève

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de donner sa signature géochimique au manteau terrestre. Mais les conditions de température en surface vont se Les continents lunaires (par opposition aux mers rapprocher très vite de celles que nous connaissons aujourd’hui, puisque l’on sait que la précipitation de basaltiques plus récentes) paraissent constitués de l’océan s’est produite vers 4.1 Ga. ; les sédiments marins matériaux silicatés alumineux riches en alcalins (Na, K, les plus anciens jamais trouvés (Isua au Groenland), datés de le feldspath). Globalement légers, ces continents de 3.8 Ga., attestent de la précocité de l’océan terrestre. feldspath pourraient avoir été séparés par flottation , très tôt, à partir d’océans magmatiques (Fig. 25b). Un océan de Néanmoins, la radioactivité mantellique plus abondante à magma aurait enveloppé la lune. Durant les 100 Ma. de sa cette époque imposait une température interne plus élevée, et en outre une grande partie de l’énergie initiale était encore cristallisation, les feldspaths, légers auraient constitué la disponible. Quel pouvait être l’état de ce manteau croûte lunaire, les actuelles montagnes de la Lune. A “archaïque” ? La géochimie des komatiites, roches l’opposé, olivine et pyroxènes seraient venus sédimenter au volcaniques (sortes de basaltes très magnésiens) connues fond du réservoir, constituant progressivement le manteau lunaire. Sa fusion partielle ultérieure aurait donné les à une exception près seulement dans des terrains très anciens basaltes, constituant alors les mers lunaires, plus récentes et (entre 3.5 à 1.7 Ga., Archéen), impose que le manteau dont elles sont issues était à cette époque environ 200° plus chaud moins constellées d’impact .On imagine que ces océans ont que le manteau actuel. En effet ces roches, qui trouvent leur pu être créés soit par la catastrophe soit en conjonction avec origine dans la fusion partielle de ce manteau vers 250 Km la séparation du noyau lunaire, qui permet la récupération de profondeur, témoignent d’un taux de fusion de 30% d’énergie gravitationnelle. environ. De nos jours la chaleur disponible à cette 6 - Lors de la phase d’accrétion des planètes, les objets profondeur ne permet pas de dépasser un taux de quelques plus petits ont été rassemblés à froid. Ils ne pouvaient % (en tous cas moins de 10%) et induit un volcanisme être que peu ou pas différenciés, et contenaient donc chimiquement bien différent. On atteint de nos jours les une part non négligeable d'éléments volatils. Ceux-ci 30% de fusion du manteau à des profondeurs bien moindres, ont dû être incorporés en solution dans le manteau des moins de 100 km, et la composition des laves qui en planètes durant cette période. Mais la fin très chaude résultent (basaltes des rides océaniques) est encore plus de cet épisode de l’histoire précoce des planètes éloignée de celle des komatiites. La température des telluriques fut très propice au dégazage du manteau. éruptions de komatiites était de l’ordre de 1700°c contre Au paragraphe “ histoire de l’atmosphère ” du chapitre 1200 pour les basaltes modernes, et la fluidité des laves était V, on montrera, grâce à l'étude isotopique des gaz beaucoup plus grande. neutres, qu’en effet l’essentiel de l'atmosphère On en conclue que la tectonique des plaques que terrestre s’est différenciée du manteau très tôt, nous connaissons devait être très différente à cette époque, avant 4.4 Ga. et de façon brutale . Le reste des et que vers 2 Ga. la convection (et le mouvement des volatils dissous dans le manteau continue encore à plaques) était encore certainement environ 10 fois plus rejoindre l’atmosphère, mais sur un tout autre rythme. rapide que les plaques d’aujourd’hui. Si la contribution de ce type de volcanisme à la création de la croûte terrestre 2 – L’Archéen, une convection mantellique précoce, en particulier en domaine océanique, a rapide et des komatiites, chaleur oblige… probablement été essentielle à cette époque, elle a presque Dès lors que la Terre fut différenciée en noyau, totalement disparu de nos jours. Quant à l’extraction de la manteau et atmosphère, le gradient de pression dans le croûte continentale, A PRIORI non recyclable, nous verrons manteau est devenu comparable à ce qu’il est aujourd’hui. qu’elle n’a dû démarrer significativement que vers 2.7 Ga. Par contre, le géotherme était considérablement plus Jusque-là, la convection devait être la plus forte et le chaud . La température de la surface de la géosphère était recyclage da la croûte dans le manteau devait être très celle son atmosphère de l’époque, c'est-à-dire une important. Néanmoins nous connaissons des morceaux de atmosphère vénusienne, dense et composée principalement continents plus âgés (e.g. Isua, 3.8 Ga.), mais d’autant plus de CO 2 dont la température très élevée par effet de serre rares qu’ils sont plus anciens. pouvait atteindre 400 à 500°C au lieu des 13°C actuels. On peut penser que la vitesse de circulation dans les cellules 3 - Le début des temps modernes vers 2 Ga. convectives précoces (vers 4.3 Ga.) dans ce manteau très En résumé, après une naissance tourmentée, fluide, permettait, sinon l’existence d’océans magmatiques commencée à l’Hadéen par une agrégation froide et achevée comme il a pu en exister sur la Lune, au moins l’extraction dans une débauche d’énergie, concentration du fer dans le très active par fusion partielle et flottation des mêmes noyau, tumulte des collisions de météores, naissance du matériaux silicatés alumineux riches en alcalins, donnant couple Terre-Lune, la Terre inaugure avec le des embryons de croûte continentale. refroidissement de sa surface et la naissance de l’océan, un mode de fonctionnement toujours d’actualité : extraction des Fig. 25b : un océan de magma aurait enveloppé la lune. matériaux fusibles, par fusion mantellique partielle d’une part, et par introduction d’eau dans le système mantellique d’autre part. Même si les modes de fonctionnement de l’Archéen vont évoluer dans le détail, tous les ingrédients de la tectonique des plaques moderne sont réunis, et l’extraction des matériaux crustaux peut démarrer. Avec la fin des komatiites, vers 1.7 Ga., on peut considérer que la période archéenne prend fin. Néanmoins, le dernier épisode komatiitique connu, mis en place durant un volcanisme de point chaud classique il y a 90Ma seulement, nous montre

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malgré tout que des panaches profonds anormalement chauds peuvent peut-être encore venir heurter la lithosphère. Fig. 26 : advection magmatique dans la lithosphère.

E - La croûte terrestre et la lithosphère, interaction entre manteau et atmosphère

Rappelons la distinction opérée entre croûte et lithosphère : 1 - la croûte, océanique ou continentale est héritée du fractionnement du manteau. Elle est mécaniquement rigide et transporte la chaleur par conduction, mais aussi par advection grâce aux liquides qui y circulent. http://faculty.weber.edu/bdattilo/parks/plume_cont.jpg 2 - la lithosphère comprend la croûte plus la partie mécaniquement rigide du manteau sous-jacent. Ce lors des collisions entre plaques continentales. Les manteau lithosphérique est complexe puisqu’il a ensembles rocheux les plus anciens connus, Isua et Acasta, souvent subi des extractions partielles ayant donné la sont de tous petits fragments, et leur âge ne dépasse pas 4.03 croûte sus-jacente. Il est en outre traversé (Fig. 26) Ga. D’autres noyaux de croûte continentale ont donné des par des magmas en provenance du manteau âges qui s'étendent entre 4.03 et 2.5 Ga., période appelée asthénosphérique convectif situé en dessous ou de archéenne. plumes plus profonds, qui vont alimenter des plutons crustaux ou le volcanisme à la surface de la Terre. A Dans des roches légèrement plus jeunes, situées dans l’exception des magmas, le manteau lithosphérique et l’ouest Australien, des zircons (silicates de Zirconium) ont la croûte profonde ne transportent la chaleur du donné un âge de 4.2 Ga. Ils sont donc plus âgés que les manteau convectif que par conduction. roches qui les contiennent, ils sont « hérités ». Dans ces minéraux, le rapport Hf/Lu (Hafnium/Lutécium) est utilisé 1 - Croûte et lithosphère continentale, une pour traduire le caractère continental (riche en Hf) ou au mémoire longue, mais effaçable contraire mantellique (riche en Lu) de leur milieu d’origine. En effet, on sait que Hf présente une grande affinité Parce que le premier constituant (70% environ) de la chimique avec les éléments constitutifs de la croûte croûte terrestre est océanique et perpétuellement recyclé continentale, il est lithophile, alors qu’à l’inverse Lu n’est dans le manteau (en moins de 200 Ma. actuellement), c’est pas lithophile et donc tend à rester dans le manteau. Donc, la croûte continentale, constituée essentiellement de dans les premiers âges de la Terre, tant que le processus de matériaux légers théoriquement non recyclés dans le cristallisation fractionnée n’avait pas commencé le rapport manteau qui va nous fournir les principales archives. Hf/Lu du matériau initial homogène est partout le même. Par contre avec le fractionnement de la croûte terrestre et la Les fragments très anciens sont exceptionnels, d’une séparation en deux réservoirs distincts, manteau et croûte du part parce ce que les premiers continents, partis de rien, ont matériel initial, le rapport Hf/Lu de l’un grimpe très vite (les vu leur taille s’accroître progressivement (fig. 27), et d’autre petits bouts de croûte continentale formés) quand celui de part parce que s’ils n’ont pas été recyclés dans le manteau, l’autre décroît lentement (l’ensemble du manteau un peu ils peuvent avoir été « réinitialisés » comme par exemple modifié). Les zircons cristallisés dans l’un ou l’autre des deux réservoirs présenteront Fig. 27 : l’âge de la croûte continentale. donc des rapports Hf/Lu très Les ronds représentent les pointements connus de komatiites différents. Ensuite, ce caractère est quasiment inaltérable et ineffaçable. Les zircons étudiés en Australie par M. Harrison et J. Blichert-Toft ont ainsi été recyclés dans des roches plus récentes qu’eux, et ils témoignent de l’existence d’une croûte terrestre âgée de 4.2 Ga. au moins, soit à peine quelques 200 Ma. seulement après la fin de l’accrétion terrestre. Les premiers embryons de continents se seraient donc formés très tôt après la naissance de la Terre, estimée quant à elle à 4,56 milliards d'années. Mais les rapports en Hf/Lu des zircons de cette époque sont - 89 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

Fig. 28 : croissance des continents. Les estimations de volume de la croûte continentale constituée à cette époque reculée (Fig. 28) sont encore très controversées. Les informations sont fragmentaires, difficilement déchiffrables, et encore moins aisément interprétables en termes de reconstitution géotectonique.

a - Des blocs ceinturés Si la période archéenne correspond à la formation des premiers noyaux continentaux à la surface de notre planète, la période suivante, le Protérozoïque, correspond à la croissance des masses continentales autour de ces témoins de l’époque Archéenne, qui se retrouvent ainsi souvent bordés de « ceintures » d’âge décroissant (Amériques Nord irréguliers, chaotiques, suggérant de multiples débuts de et Sud et Australie en particulier). fractionnements suivis de ré-homogénéisations locales et re- Les terrains les plus récents notés 0-250 Ma. différenciations donnant ces premiers zircons conservés. Ce constituent deux types de ceintures orogéniques : l’une est n’est qu’à partir de 3.8 Ga. environ que la tectonique des coincée entre les blocs plus anciens Nord-Européen et plaques que nous connaissons aujourd'hui semble se mettre Afrique-Arabie-Inde ; l’autre occupe une situation en place. Le rapport Hf/Lu des zircons augmente alors péri-Pacifique tout à fait remarquable graduellement, prouvant qu’une extraction généralisée, Dans le premier type, dénommé ceinture progressive et largement irréversible cette fois se met en orogénique de collision , ce sont des pans entiers de la place à partir du manteau. Le système paraît avoir trouvé mémoire continentale qui sont un jour repris dans l’étau son rythme et sa pérennité. Parallèlement, les premiers d’une collision continentale comme celle qui crée les Alpes lambeaux de croûte peuvent être conservés (noyaux (lire Q - Tectonique - La formation de la chaine de montagnes Alpes - archéens). Ceux qui étaient apparus préalablement, dans un Martin.htm ) ou l’Himalaya actuellement. Lors d’un tel milieu très chaud, turbulent et violent, ont tous replongé processus, deux blocs continentaux s’affrontent et leurs dans le manteau ou ils ont été recyclés. bordures comprimées se déforment et se chevauchent. Dans les parties profondes de la croûte sur-épaissie par cette Les premiers noyaux continentaux conservés se collision, le métamorphisme et la fusion partielle viennent retrouvent au cœur des boucliers archéens (plages violacées alors effacer largement les traces de l’histoire continentale de la figure 27) et occupent une surface bien inférieure à la antérieure. Quant-aux parties superficielles de l’édifice surface actuelle des continents. En outre, leur répartition montagneux, elles sont alors largement soumises à l’érosion, actuelle n'a évidemment rien à voir avec celle qu’ils et la mémoire continentale s’émiette ici dans les rivières et occupaient à l’époque. Ils sont constitués par 3 grands les océans qui bordent la nouvelle chaîne. ensembles de roches : Dans le second type, dénommé ceinture orogénique de marge continentale active , les mêmes agents, 1 - les roches vertes (greenstone belts ) qui forment des métamorphisme et fusion partielle en profondeur, érosion en ceintures de laves constituées de komatiites (évoquées surface sont aussi en action. Dans les chaînes montagneuses plus haut), de basaltes et d’andésites ; ces ensembles qui surplombent des zones de subduction en bordure de volcaniques présentent à la fois des caractères de continents (les marges actives des continents Nord- et Sud- roches de dorsale océanique et des caractères de Américain par exemple) se fabriquent depuis 200 Ma. roches des zones de subduction. environ des chaînes de montagnes qui remodèlent ainsi les 2 - les roches granito-gneissiques, qui proviennent de la bordures préexistantes de ces continents (les Rocheuses et transformation métamorphique de granites et rhyolites les Andes par exemple). Mais parallèlement, c’est aussi et/ou de schistes argileux ; principalement dans ces zones de subduction que de la 3 - les roches sédimentaires, qui témoignent de l'altération croûte continentale nouvelle est susceptible de se former et de l'érosion par l'eau et/ou le vent d'anciens massifs encore de nos jours (cf. § lithosphère et subduction). Il faut rocheux dès cette période ; la roche sédimentaire la toutefois noter que les études récentes et détaillées de ces plus ancienne date de 3,8 Ga. (Isua, Groenland). régions (dans les Andes par exemple) suggèrent à l’inverse qu’une fraction non négligeable de la base des continents Reprenant Pierre André Bourque de l’Université de puisse être scalpée par la plaque plongeante et entraînée Laval (Québec) nous dirons qu'il est fort probable que des avec elle dans le manteau. Le bilan de matière n’est mécanismes comme ceux qui sont associés à la tectonique décidément pas facile à évaluer. des plaques de nos jours ont joué un rôle comparable dès cette époque: La croissance des continents s'est faite surtout durant le Protérozoïque, entre 2.5 Ga. et 600 Ma., et l’on est à peu 1 - fusion partielle du manteau produisant des laves de près certain que le volume des continents n'a finalement que dorsale et de zone de subduction; peu varié durant les derniers 400 Ma. (Fig. 28). Cela signifie 2 - métamorphisme dans des zones de subduction pour donc que les processus d’extraction des matériaux fusibles produire les terrains granito-gneissiques; et légers du manteau terrestre sont maintenant globalement compensés par les processus d’introduction de ces mêmes 3 - altération des premières roches formées, érosion et matériaux dans le manteau. dépôt conduisant aux premières roches. Le Protérozoïque inférieur vient souvent recouper

- 90 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 des blocs archéens. On a tout d’abord pensé que les Il nous faut maintenant aborder l’extraction des formations protérozoïques sont venues s'ajouter autour de matériaux mantelliques qui fabriquent ainsi la lithosphère. ces noyaux archéens, mais on considère de nos jours que cet Archéen formait de grands noyaux qui ont été fragmentés en 2 – Croûte et lithosphère océanique Une microcontinents déplacés par la tectonique des plaques. Les mémoire courte de 200 Ma. matériaux protérozoïques se sont donc déposés dans des océans entre ces microcontinents, puis le puzzle se serait à De nos jours, c’est au droit des dorsales océaniques nouveau rassemblé, coinçant les matériaux protérozoïques ou des rifts continentaux (grandes fractures qui séparent des dans de nouveaux continents plus grands. blocs) que la croûte nouvelle est formée. Sous ces structures, du manteau supérieur en cours d'ascension subit une Vers 1.0 Ga. à 800 Ma., l’ensemble des continents de décompression adiabatique . On retrouve donc, à une l’époque allait se trouver suffisamment rassemblés pour profondeur donnée, du manteau « anormalement » chaud par qu'on ose parler d'un méga continent, sorte de Pangée de rapport à son environnement. l'époque, que l’on a appelé Rodinia , et l’océan mondial qui l’entourait, Mirovia . La valse des continents, leur rassemblement, leur déchirure et leur écartement ont donc a - La lithosphère océanique est issue de certainement déjà l’allure qu’on leur connaît aujourd’hui. la fusion du manteau dans les zones d'accrétion b - Une hétérogénéité verticale et Le resserrement vers le haut des isothermes se traduit horizontale dans la figure 12 (§ 4.C.2.b) par un géotherme terrestre très Nous avons décrit la surface terrestre (croûte décalé vers les hautes températures (flèche 1), que l’on continentale en particulier) comme le résultat de l’extraction retrouve en pointillé rouge dans la figure 29. de matériaux à partir du manteau. Cette notion, qui Lors de la chute rapide de pression que subit le d’ailleurs est valable aussi pour la croûte océanique, est manteau (adiabatique donc sans perte de chaleur ou presque) basée sur un processus de fractionnement chimique qui il franchit son solidus (sec), ce qui provoque sa fusion enrichit l’un en appauvrissant l’autre. Mais la mécanique partielle, Lire MC - Geochim - Solidus - Liquidus - Hmiza & terrestre couple largement produits et producteurs et Mayembo.htm . Ce processus donne naissance à un liquide introduit une dichotomie rhéologique bien différente. silicaté qui monte vers la surface et nourrit la croûte Rappelons qu’elle oppose le manteau convectif (et terrestre. particulièrement ductile dans la région de la LVZ , asthénosphère) à la couche limite conductive et rigide La figure 12 montre les champs de stabilité du solide, reconnue comme la lithosphère, indépendamment de tout péridotites à plagioclase ou à spinelle ou à grenat selon la caractère chimique. La partie sommitale du manteau, trop profondeur. Au-delà du solidus débute le domaine de froide et donc rigide, appartient à la lithosphère dont elle l'équilibre solide + liquide (Fig. 29). La pente négative du constitue la base. Quant-aux produits de fractionnement du solidus sec signifie que la pression favorise l'état solide. La manteau, croûte continentale et croûte océanique légères, ils composition chimique du liquide est différente de celle du constituent le sommet de la lithosphère. La lithosphère manteau parent car, dans le manteau parent polyphasé constitue, entre le manteau et l'atmosphère, un équivalent de (olivine, pyroxènes, et phase alumineuse cf. tableau 1), les la couche D" entre le noyau et le manteau, avec les points de similitude essentiels suivants: Fig. 29 : fusion de l’asthénosphère par décompression adiabatique au droit d’une dorsale. 1 - la lithosphère est une couche thermique limite (transport de la chaleur par conduction); 2 - la croûte montre une grande hétérogénéité horizontale (océanique, continentale, nature et âge dans les continents); 3 - la lithosphère reflète les interactions entre le manteau supérieur et l'atmosphère . Ajoutons à ces critères de similitude avec la couche D" les caractères propres à la lithosphère : 1 - la stratification verticale de la croûte océanique et la grande jeunesse du domaine océanique ; 2 - le déplacement relatif des pièces du puzzle (plaques lithosphériques) qui la constituent, mais s’agit-il bien là d’une spécificité de la lithosphère; Néanmoins, la différence de densité qui oppose croûte continentale et croûte océanique conduit à un comportement radicalement différent dans le temps : 1 - La mémoire continentale est effaçable, le matériau continental reste largement piégé en surface, mémoire longue ; 2 - La mémoire océanique est courte, et le matériau océanique retourne rapidement dans le manteau. http://svt.ac -dijon.fr/schemassvt/article.php3?id_article=187 - 91 - Fig. 30a : croûte océanique. ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 30b : éruptions sous-marines : sous faible tranche d’eau à gauche et au centre : la lave refroidie en surface (noire) par l’eau (noter l’ébullition) craque sous l’effet de la poussée de la lave chaude. La fente (rouge) sert alors de filière pour l’extrusion de nouveaux coussins noter les stries laissée par l’extrusion ; à faible profondeur le refroidissement brutal de la lave est souvent accompagné d’une explosion des gaz contenus ; à grande profondeur, sur les rides (à droite) la pression empêche cette expression des gaz.

minéraux les moins réfractaires sont ceux qui portent les océanique actuelle prend naissance par fractionnement alcalins et l’aluminium, clinopyroxène plus grenat ou chimique à partir du manteau, mais à des taux de fusion spinelle. A l’opposé, les plus réfractaires sont les silicates et à une profondeur moindre qu’au premier jour de la Terre. magnésiens, orthopyroxène et surtout olivine. Une fois le Au droit d’une dorsale océanique, les magmas solidus franchi, le trajet du système dans le plan PT° se arrivent presque en continu jusqu'à la surface en ligne rapproche du liquidus, ce qui signifie que le taux de fusion directe du manteau sous-jacent anormalement chaud. Ils augmente (zone rouge Fig. 29). Les 2 petits cartouches fabriquent la croûte océanique (Fig. 30a), constituée depuis gauches de la figure 29 montrent ce phénomène, mais ne la surface d’abord de basaltes en coussins (pillow lavas, rendent pas en compte de la plus ou moins grande fusibilité Fig. 30b), puis d’une séquence de dykes d’alimentation des différentes espèces, et donc de la différence de (filons entrecoupés). En dessous on observe (Fig. 30a) les composition entre le liquide formé et le résidu solide. roches plutoniques de composition similaire aux laves, qui Rapidement, tout le clinopyroxène et le grenat ou le sont un ensemble de chambres magmatique initialement spinelle de la lherzolite sont fondus ; la péridotite situées sous la ride. Ces chambres ont lentement cristallisé mantellique résiduelle n’est alors plus constituée que de en gabbros de plus en plus évolués vers leur toit minéraux réfractaires, l’orthopyroxène et l’olivine, on (cristallisation fractionnée, Chp. 3.E.3.a), tout en appelle cette péridotite une harzburgite . Inversement, le fractionnant des laves plus ou moins variées. Enfin la base liquide formé dans cette fusion présente une composition de la série est constituée de péridotites mantelliques variées, chimique très marquée par celle des minéraux fondus lherzolites fertiles qui ont donné par fusion partielle des préférentiellement (cf. Chp. 4.E.3.a). Si le ∆T° au-dessus du reliquats réfractaires, harzburgite et dunites. Ces péridotites solidus augmente encore, la fusion des minéraux réfractaires peuvent être lardées de pos chromifères, résultant d’une commence, en engageant prioritairement l’orthopyroxène lente ségrégation du chrome. dans ce liquide ; lorsque tout l’orthopyroxène a disparu, la Au droit de la ride on peut considérer que l'isotherme péridotite est devenue monominérale, on la nomme dunite , 1200°C qui constitue grossièrement la limite entre elle est extrêmement magnésienne. lithosphère et asthénosphère arrive pratiquement à Au liquidus, tout le solide étant fondu, la l'affleurement (Fig. 31a). Il n'y a donc quasiment pas de composition du magma serait identique à celle du manteau lithosphère au niveau des dorsales. Seule la croûte est lherzolitique parent. Plus on déplace le géotherme vers les présente. La couche limite conductive est réduite ici à hautes températures et plus le début de la fusion commence pratiquement rien, et une bonne part du transfert de la profondément, et plus le trajet du système s’approche du chaleur du manteau vers l’hydro-atmosphère se fait ici par liquidus. La composition très magnésienne des komatiites advection, au niveau de la dorsale. Le gradient thermique est s’explique de cette manière, par une fusion profonde et un très fort, et l’évacuation de la chaleur est largement facilitée taux de fusion très élevé. C’est aussi ainsi que la croûte dans la croûte solide par la mise en place d’une cellule Fig. 31a-b-c : lessivage et hydratation de la croûte et du manteau au droit des dorsales : a) schéma de lessivage; b) fumeur noirs; c) anomalie du rapport (Al+Fe+Mn)/Al.

http://www.whoi.edu/oceanus/viewArticle.do?id=2400 http://earthsci.org/mineral/energy/geomin/geomin.htm

- 92 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig.32 : panache enrichi en 3He. convective aqueuse , qui constitue une seconde entorse au (He) sont, elles aussi, transfert de chaleur seulement conductif dans la couche très significatives limite. A 1000m de profondeur la T° d’ébullition de l’eau (Fig. 32). Si l’isotope est de 310°C ; elle est de 370°C à 2000m et de 410°C à 4He est fabriqué par 3000m ( http://www.divediscover.whoi.edu/vents/ ). En de nombreux radioactivité (par évents, la température de l’eau dépasse la valeur du point irradiation du Be e du critique 218 atm, 375°C. Li), 3He, lui, est La mise en place de ce thermosiphon est rendue très formé par photodissociation à aisée par le grand nombre de fractures ouvertes qui très haute altitude et accompagne l’énorme distension à laquelle est soumise cette il est alors zone tiraillée entre les deux plaques. Cette circulation d’eau rapidement perdu supercritique lessive la croûte et le manteau sous-jacent, l'hydrate en transformant par exemple la péridotite du dans le cosmos car manteau en serpentinite, lui échange du Sodium contre du très léger, ou bien il est originel. En fait, l’Hélium est si léger que la Terre en perd toujours un peu dans le cosmos. Calcium, et lui emprunte du Soufre, du Fer, du Mang Donc 3He de la haute atmosphère n'interfère pas avec brutalement au contact de l'eau de mer des sulfures et des l'hélium contenu dans la basse atmosphère ou l'océan. Or on oxydes ou anèse... Très riches en métaux et en soufre, les constate que les sources qui jalonnent les rides océaniques sources très chaudes précipitent hydroxydes qui opacifient 3 l'eau, leur donnant leur nom de fumeurs noirs, et contiennent une quantité anormalement élevée de He. Elles construisent des cheminées sur le fond de l'océan (cf. poly apportent la preuve que le manteau contient encore pas mal du gaz originel, et que le dégazage continue. En outre la LDC). On a pu les observer au cœur des rides océaniques taille importante du panache (Fig. 32, vue en coupe) montre depuis une quinzaine d'années environ (Fig. 31b). Ils encore l’importance de l’hydrothermalisme dans la chimie rejettent des quantités considérables d'eau dont la de l’océan. L'enrichissement en 3He hydrothermal est température peut atteindre ou dépasser 350°C. L’énergie 3 4 disponible est utilisée par une chaîne alimentaire complexe mesuré en comparant le rapport isotopique He / He de l'eau à celui de l'atmosphère. Les différences mesurées sont depuis des archéobactéries extrêmophiles pouvant vivre à importantes et significatives, mais en toute rigueur, il devrait des T° allant jusqu’à 105°C et très mal à l’aise en dessous de être tenu compte du fractionnement des isotopes de l'hélium 85°C., jusqu’à des organismes supérieurs, mollusques, au cours de l'évaporation. crustacés parfaitement adaptés, en passant par les célèbres vers vestimentaires Riftia (cf. Poly LDC). En s’éloignant de la ride, la plaque, plus vieille (Fig . 33), se refroidit, et les interactions océan-lithosphère L’enveloppe de l’anomalie de concentration en Fe et deviennent rapidement négligeables. La croûte n’évolue plus Mn (Fig. 31c) dans l'océan montre clairement d'une part la que fort peu, elle épaissit progressivement par-dessus, avec coïncidence avec la ride Est-pacifique (pointillé), et d'autre part l’influence des courants sur son étalement (flèches les sédiments qui viennent la recouvrir lentement, mais elle grises). reste peu épaisse (<10km). L’isotherme 1200°c plonge en s’éloignant de la ride Les mesures effectuées sur les isotopes de l’hélium

Fig. 33 : âge du plancher océanique croissant symétriquement avec la distance à la ride.

186 150 120 90 50 25 0 Ma http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/fliers/96mgg04.html

- 93 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 et la lithosphère épaissit. Elle dépasse ainsi rapidement et donnent naissance à de la croûte continentale, dont la l'épaisseur de la croûte, dont la nature détaillée n'est pas composition chimique moyenne peut être assimilée à celle évoquée ici (cf. poly LDC), et incorpore progressivement la des diorites, roches intermédiaire entre les basaltes, liquides partie sommitale du manteau (accrétion de manteau devenu quasi indifférenciés, et les granites, qui constituent le terme froid). Ce manteau est partiellement différent du manteau le plus évolué de ce fractionnement. initial car si la croûte est enrichie en matériaux fusibles La plaque subductée et déshydratée commence sa empruntés au manteau, la fraction du manteau qui l’a descente par le scalp de la majeure partie des sédiments qui produite est en revanche rendue plus réfractaire . On est viennent s’ajouter au prisme d’accrétion de l’arc ou de la donc amené à conclure que la lithosphère (croûte + marge active (Fig. 34). Les sédiments, de densité très basse manteau) n'est pas globalement différente du manteau (1.8 à 2.2 environ) et de cohésion faible, qui s'étaient primaire sous-jacent, en tout cas en domaine océanique. Le déposés sur la plaque au fond de l'océan quittent ici la refroidissement de la lithosphère avec la distance à la ride et plaque océanique qui les portait et viennent s'accréter à la donc avec le temps est parfaitement corroboré par le flux de plaque supérieure au niveau de la fosse. La plaque chaleur mesuré (cf. carte Fig. 5 in Chp. 1.D2). La subductée continue sa descente et enfouit alors avec elle les contraction qu’il implique mène inévitablement à une stigmates chimiques de son contact avec l'atmosphère, mais inversion de densité, la lithosphère devenant plus lourde que une partie de l’eau contenant du CO et du CH est libérée. le manteau sous-jacent. C’est semble-t-il pour un âge de 2 4 Cette eau circule au voisinage du plan de subduction pour l'ordre de 150 à 200 Ma. que cette inversion devient patente. venir alimenter une ligne de sources chaudes jalonnant le Elle est alors susceptible d'engendrer une branche front accrétion au fond de la fosse (cf. Poly LDC). En outre descendante d'une cellule de convection ? En tous cas, la subduction de la plaque s'accompagne de frottements aucun plancher océanique plus vieux que 180 à 200Ma n’a intenses qui arrachent des fragments au soubassement de la jamais été échantillonné. plaque supérieure. Ces fragments du soubassement seront enfouis avec la plaque dans le manteau, avec les quelques b - La lithosphère plongeante provoque la lambeaux de sédiments qui auront échappé à ce rabot et fusion du manteau dans les zones de seront restés solidaires de la plaque. Ils retournent avec elle subduction et fabrique de la croûte au manteau. De même, plus loin dans la subduction, une petite fraction du matériau continental peut être raboté par la continentale plaque plongeante et renvoyé dans le manteau. L’introduction d'eau dans le système mantellique Cette petite partie des sédiments portés par la plaque caractérise toutes les régions qui, en surface, correspondent ou des fragments arrachés à l'arc ou au soubassement du au plongement d’une plaque océanique, que ce soit au droit continent réussira à atteindre le manteau supérieur, et elle des guirlandes d'îles comme le Japon, ou au droit des modifiera (faiblement mais significativement) sa “marges” continentale dites actives comme la cordillère des composition chimique et celle de ses produits de fusion Andes. La tomographie sismique du manteau dans les zones partielle. C'est à travers ce processus que l'on imagine la de subduction (Fig. 16, § 4.C.3.b) montre qu'il existe un coin contamination de la couche D" que nous avons envisagé de manteau entre la croûte de l'arc et la plaque plongeante. plus avant. Pour M. Yoshida et M. Santosh 2011, le bilan de Durant la descente, en se réchauffant et en se comprimant, la matière entre quantité de continent créé en zone de rift plaque libère l'eau d'hydratation qu'elle avait emmagasiné au continental et quantité de continent perdu par le rabot de la voisinage de la dorsale, hier ou 180 millions d'années plus subduction ne serait pas constant dans le temps. Le bilan tôt, bien plus encore que pendant les millions d’années continental serait positif dans les phases de séparation d’un passées au fond de l’océan... C'est cette eau qui provoque la supercontinent (continental breakup induit par un super- fusion partielle du manteau sus-jacent lorsqu'elle le panache) et inversement, il serait déficitaire durant les traverse car, sous forte P H2O le manteau subit un phases de super-subduction qui sont le moteur du abaissement important de sa courbe solidus (Fig. 12, rapprochement des continents en un super-continent comme § 4.C.2.b)). Rappelons que la morphologie du solidus la Pangée. humide est très incurvée vers les basses pressions (flèche 2 in fig. 12), recoupant largement les géothermes continentaux, ancien ou récent, et plus encore le géotherme océanique au niveau des dorsales. Fig. 34 : les sédiments marins de la plaque plongeante. Ils sont rapidement scalpés par la plaque sus-jacente et fortement L'analyse des roches volcaniques des zones de tectonisés en grossissant le prisme d'accrétion. subduction ainsi que l'expérimentation montrent que les produits de la fusion mantellique hydratée sont très différents de ceux qu'engendre la fusion par décompression adiabatique du manteau quasi sec sous les dorsales . Au lieu de basaltes, qui contiennent 40 à 45% de SiO 2, on obtient des andésites et des diorites, qui contiennent 50 à 60% de SiO 2.

Le fractionnement des éléments lithophiles, Une partie des sédiments restés solidaires sont sous-charriés avec la légers comme Si, Na, K ou lourds comme U, Th, plaque plongeante sous le prisme ; ils peuvent ensuite venir est alors maximum . Ces produits sont en outre de s’accréter au prisme par sous placage ou au contraire être subductés faible densité (d#2.8 au lieu de 3 pour les basaltes). avec la lithosphère dans le manteau. Ils ne peuvent plus être recyclés dans le manteau http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosgeol/01_decouvrir/02_subduction/04_subduction_ plaques/01_terrain/03a.htm - 94 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

3 - Le fractionnement magmatique la composition nouvelle du liquide (C lT ) s’écrit :

Deux types de diagrammes de phases suffisent à q.C sT + (1-q).C lT = Cte (ici C0 ), où q et 1-q sont illustrer clairement le fractionnement des magmas (Fig. 35), respectivement les masses de solide et de liquide. dans l’espace de la composition représentée par 2 La cristallisation du liquide C lT reprendra lorsque la constituants A et B en fonction de la température T°. température sera à nouveau descendue et recoupera le liquidus pour cette composition. La cristallisation d’un a - Le processus de fractionnement (cf. liquide peut donc être schématisée comme une suite TP Axe GP) d’incréments. Lire MC - Energie interne - Radioactivite - Letellier.htm ; MC - Arrêtons-nous un instant sur la composition du solide Geochim - Cristallisation - Saifane.htm . Aux hautes T° considérées, formé à chaque incrément : le système magmatique est généralement entièrement 1 - Dans le cas des corps purs (A et B non miscibles, liquide (monophasé) quelque soit la concentration, et aux Fig. 35a), la composition du solide est fixe, soit A soit basses T° considérées, le système est entièrement solide; il B ; La composition du liquide évolue avec la quantité peut alors être polyphasé si les constituants A et B de solide formé, jusqu’à avoir la composition de représentent des corps purs non miscibles, ou monophasé si l’eutectique E. les corps représentés par A et B sont miscibles en toutes proportions (solutions solides). 2 - Dans le cas des solutions solides (Fig. 35b), la composition du solide total est à chaque instant Entre ces deux états, initial et final, ces diagrammes (chaque T°) celle du solidus ; elle varie donc avec le nous montrent les domaines des compositions possibles pour degré de cristallisation (i.e. la température). La le liquide et pour le solide. Ces domaines sont limités cristallisation à l’équilibre impose donc dans le cas des chacun par une courbe, lieu des points où la composition est solutions solides que le solide total formé réagisse à fixée par la température. Ces deux courbes sont (lire MC - chaque incrément avec le liquide, pour donner un Geochim - Solidus - Liquidus – Hmiza & Mayembo.htm ): nouveau solide. Le rééquilibrage de la concentration du 1 - le liquidus, qui limite vers les basses températures le solide magmatique est rarement complet dans les domaine des compositions possibles à l’état liquide; magmas, en raison des vitesses de diffusion des éléments dans le solide. La composition du dernier 2 - le solidus , qui limite vers les hautes températures le liquide Cf, dépassera alors largement la composition domaine des compositions possibles à l’état solide. prévisible (celle qui correspond à la température Ces deux courbes sont toujours disjointes, sauf aux Tfc L0. points d’abscisse A et B qui illustrent la cristallisation des Les deux cas conduisent donc à une évolution de la corps purs représentés par A et B, et éventuellement en un composition de la fraction liquide magmatique au cours de point singulier de composition A/B défini, eutectique ou la cristallisation. Dans le cas de la fusion du manteau par extremum. L’espace situé entre liquidus et solidus est donc exemple, les minéraux les moins réfractaires (les premiers à un espace de composition impossible, tant pour le liquide fondre) seront différents en fonction de la profondeur (cf. que pour le solide. Chp. 4.C.2). Mais qu’il s’agisse de spinelle ou de grenat, les Imaginons un liquide L 0 de composition initiale C 0, à deux sont riches en éléments alcalins et le liquide formé sera la température T 0(Fig. 35). Si la température s’abaisse, le donc prioritairement enrichi en ces élément. Ensuite, le taux liquide L 0 rencontre le liquidus à la température T 1. Débute de fusion augmentant le volume de liquide formé augmente ici la cristallisation du solide, dont la composition C s0 est sans nouvel apport en alcalin. Il s’opère donc une dilution définie par le solidus. La composition de l’ensemble du qui conduit vers des laves (basaltes) d’abord alcalines puis système étant inchangée (C 0), et le solide formé ayant une de moins en moins alcalines (tholéiites). Si pour une raison composition (C sT ) différente de celle du liquide initial (C 0), ou une autre il est opéré une séparation de tout ou partie de

Fig. 35a-b : diagrammes de phases X vs. T° : a) corps purs A & B b) solution solide complète A - B

- 95 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

cette fraction liquide, on peut prélever toute une gamme de cristallisation. Celle-ci concentre encore le rubidium dans liquides de concentrations variées entre C i et C f , ou de les derniers liquides, légers et à composition de granite, qui mélanges liquide + solide en proportions variées. Ce sont stockés dans la croûte continentale (Rb/Sr = 0.17 in processus intervient naturellement chaque fois qu’une Fig. 36a). On qualifie un tel élément d’hygromagmatophile fracture au toit de la chambre magmatique permet à une ou de lithophile. Avec le temps, le rapport 87 Sr / 86 Sr de la portion du magma de migrer, ou bien lorsque par croûte terrestre augmente donc inexorablement plus vite que accumulation du solide formé, il n’y a plus de contact entre celui du manteau (Fig. 36a) et de la moyenne terrestre. l’essentiel du solide et le liquide restant. Cette évolution Inversement, celui du manteau voit sa croissance d'autant « en route » vers la surface (terme anglais), donne dans la plus ralentie. Partant des valeurs mesurées aujourd'hui et croûte tout un ensemble de roches cogénétiques, plutoniques dans des matériaux relativement anciens, provenant de la et/ou volcaniques croûte continentale (Fig. 36a) et du manteau supérieur (Fig. 36b), on peut estimer que la construction massive de la b - Depuis quand le fractionnement de la croûte continentale et l'appauvrissement du manteau supérieur ont commencé vers 2.7 Ga. . Dans la figure 36, croûte continentale à partir du manteau depleted mantle (3) reflète la valeur moyenne du manteau supérieur fonctionne-t-il? supérieur asthénosphérique actuel. Le manteau EM I Si les processus terrestres sont capables d'opérer un (Enriched Mantle I) qui se situe sur la droite moyenne n’est fractionnement des isotopes des éléments très légers, les en fait enrichi que par rapport au manteau supérieur actuel; différences de masse entre les isotopes d'un même élément il est donc proche d’un manteau n’ayant jamais été modifié lourd, 87 Sr et 86 Sr par exemple, sont insuffisantes pour que (appauvri) par la fusion partielle responsable de la naissance les processus géologiques comme la fusion partielle ou la de la croûte continentale (Primary Mantle issu de BABI). cristallisation les fractionnent. Mais une partie du 87 Sr est Mais il porte aussi quelques caractères chimiques de certains d'origine radiogénique, elle provient de la désintégration du sédiments profonds qui permettent d’interpréter sa 87 Rb ( 87 Rb → 87 Sr +β), et le rapport 87 Sr / 86 Sr ne cesse composition comme le mélange d’un manteau déprimé avec d'augmenter avec le temps, depuis la formation du système une once de sédiment recyclé dans ce manteau par la Terre, partout où il y a du Rubidium. La première utilité subduction. Nous sommes là aux confins de la cuisine des d'une relation linéaire de ce type est bien sûr d'offrir un géochimistes. EM II représente quant-à lui un manteau chronomètre. La radio chronologie exploite ainsi bon lithosphérique ( i.e. un manteau mécaniquement solidaire de nombre d'autres transformations de ce type, telles que: la croûte) très riche en éléments lithophiles (comme Rb), résultant probablement d'imprégnations par des liquides 238 U→206 Pb ; 235 U→207 Pb ; 176 Lu →176 Hf ; 40 K→40 Ar, magmatiques en route vers la surface. 40 K→40 Ca ; 138 La →138 Ce, 138 La →138 Ba. L’étude récente du Manteau Lithosphérique Sub- Parmi ces paires radiogéniques certaines présentent Continental (SCLM en anglais) a montré qu’en tout point de des contrastes de propriétés chimiques entre père et fils que l’écorce continentale, son âge est corrélé à celui de la croûte l'on utilisera pour tracer les processus géologiques dans le sus-jacente (e.g.). Cette observation confirme que temps. Par exemple, la paire d'éléments 87 Rb →87 Sr l’extraction de la croûte, qui se fait à partir du manteau, (colonnes I et II du tableau périodique respectivement) est s’accompagne d’une accrétion du manteau sommital local. très sensible aux processus de fusion et de cristallisation; Rb Nous avons vu que cette extraction de magma du manteau a une affinité beaucoup plus forte que Sr pour le liquide ou résulte de la fusion partielle de ce dernier, et qu’en fonction les volatils. Si le Rubidium a une grande affinité pour les du taux de fusion, la minéralogie résiduelle du manteau liquides magmatiques, la fusion mantellique appauvrit donc évolue : le manteau solide (Rb/Sr = 0.03 in Fig. 36a) au profit du 1 - A des taux faibles, les phases calciques, alcalines et liquide. Arrivé dans la lithosphère, ce liquide commence sa alumineuses, le clinopyroxène et le grenat (ou le Fig. 36a-b : évolution du rapport isotopique 87 Sr / 86 Sr ; a) dans la croûte continentale, b) dans le manteau.

a) b) Attention aux changements d'échelle 87 Sr / 86 Sr. Le point de départ de la droite d'évolution de la valeur moyenne terrestre, BABI (Basaltic Achondrite Best Initial) est la valeur initiale estimée de la Terre au temps T 0 . La zone grisée balaye le champ possible de l'évolution, de 87 Sr / 86 Sr mininum à maximum. - 96 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

spinelle, cf. tableau 1) sont encore présents correspond à la « molt péridotite » de la figure. Certaines péridotites subcontinentales montrent en outre un 2 - A taux élevé, seules restent les phases les moins enrichissement anormal en alcalins et terres rares légères fusibles, l’olivine et le orthopyroxène ; ces phases sont (La..Sm), qui résulte de la percolation de magmas et/ou de des solutions solides de fer et de magnésium, olivine = fluides venus du manteau asthénosphérique, en route vers la SiO (Fe-Mg) , Opx = Si O (Fe-Mg) , qui comme 4 2 2 6 2 surface. Ce processus d’échange avec la roche environnante, tous les silicates ferromagnésien admettent le magnésium comme pôle de haute T° et le Fer comme qui tend à équilibrer chimiquement le liquide ou le fluide pôle de basse T°. La fusion croissante, à température avec le solide qu’il traverse, s’appelle métasomatisme. La production de fluides ou de magmas dans l’asthénosphère croissante de ces minéraux conduit donc à un solide étant liée à la convection, il s’agit là d’un phénomène résiduel de plus en plus magnésien. pérenne qui a d’autant plus de chances d’avoir marqué la Au terme de la fusion partielle qui fabrique la croûte lithosphère de son empreinte que celle-ci est ancienne. Sur sus-jacente, il reste donc un manteau appauvri en matériel ce point, La figure 37 oppose clairement le manteau entrant dans le liquide. subcontinental phanérozoïque aux manteaux lithosphériques Suzanne O’Reylly et al 2001 ont mis en évidence plus anciens. que la nature du manteau lithosphérique varie Nous avions noté plus avant qu’aux temps archéens considérablement avec l’âge de l’écorce, et qu’une le manteau supérieur fertile (Lherzolite composée d’olivine, distinction importante doit être faite entre lithosphère orthopyroxène clinopyroxène plus une phase alumineuse, cf. ancienne (archéenne) et récente. Un saut dans la § C1 Minéralogie du manteau p 57-58) subissait une fusion composition chimique moyenne est bien marqué entre le partielle beaucoup plus intense que celle qu’il subit de nos manteau subcontinental très magnésien des régions à croûte jours en raison de la grande énergie thermique disponible, et archéenne, et celui des régions à croûte de la période que ce taux élevé s’exprime dans un volcanisme suivante (Protérozoïque), qui semble en effet beaucoup plus komatiitique (à la fois très chaud et magnésien) très différent calcique et alumineux (Fig. 37) ; ce contraste est peut-être du volcanisme basaltique moderne. Pour produire les encore plus marqué pour les régions “jeunes”, d’âge basaltes modernes, les fractions fondues d’olivine et Phanérozoïque (les âges où la vie est abondante, <600 Ma.). d’orthopyroxène sont faibles par rapport à celles qui sont Les auteurs ont remarqué à travers l’étude des enclaves de engagées dans le processus de fusion partielle qui conduit manteau remontées par les laves que les péridotites les plus aux komatiites. Il en résulte donc un liquide capables de donner des liquides magmatiques, dites proportionnellement plus calcique, plus alcalin, plus siliceux « fertiles » ; sont d’autant moins abondantes que l’âge de la (voir les compositions des deux minéraux prépondérants qui croûte terrestre qui supporte les volcans est ancien. Les fondent en premier, le clinopyroxène et la phase alumineuse, conduits volcaniques des volcans qui éjectent de telles au § C1) et par soustraction moins magnésien. A l’opposé, enclaves en faible proportion ramonent donc un manteau au puisque le manteau qui a donné naissance au komatiites caractère appauvri (« depleted »), ce qui signifie qu’il a subi fondait beaucoup, il conduisait vers un résidu solide très une fusion partielle importante caractérisée par son déficit appauvri (harzburgite et dunite). En outre le résidu solide en Na, Ca, Al par rapport à la lherzolite type, dite fertile. des komatiites présente un rapport Mg/Fe fort, car en Les harzburgites dans la figure 37 sont des roches très équilibre avec le liquide à une température très élevée, qui « déplétées » selon cette terminologie. L’asthénosphère favorise le solide magnésien et le passage du fer dans le commence lorsque la ductilité du manteau s’affirme, ce qui liquide. Fig.37 : logs géochimiques verticaux (en km) dans le manteau lithosphérique subcontinental datant de l’archéen (Sibérie et Canada), du protérozoïque et du phanérozoïque ; On appelle lherzolite fertile des péridodites riches en Orthopyroxène et phase alumineuse (grenat), donc les moins réfractaires, par conséquent capables de donner naissance à des liquides magmatiques par fusion partielle. Le reliquat de cette fusion, dépourvu de phase alumineuse est appelé harzburgite, plus ou moins appauvrie en clino puis en orthopyroxène, elle est appelée dunite lorsqu’elle n’est plus composée que d’Olivine. Les fractions métasomatisées figurées en rouge représentent la fraction du manteau lithosphérique (rigide, tectoniquement associé à la croûte continentale sus- jacente) qui a subi des modifications de composition par réaction avec les liquides magmatique issus de la fusion partielle du manteau (y compris d’origine asthénosphérique venant du manteau sous-jacent.

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Un tel manteau lithosphérique possède donc un poids manteau convectif, en particulier dans les régions de rift ; un volumique remarquablement faible par rapport au manteau tel manteau « délaminé » rejoint alors le manteau convectif normal (plus riche en éléments lourds Fe et Ca), et il reste de et laisse place à du manteau plus jeune, peu déplété et peu ce fait très solidement arrimé à la croûte sus-jacente, et ou pas métasomatisé. On parle de délamination, à l’image vieillit avec elle. Inversement, le manteau subcontinental des des composites vieillissants comme les plastiques des régions les plus jeunes est rapidement plus dense que le coques de bateaux manteau asthénosphérique, et très facilement entraîné par le

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Quelques idées fortes Quelques idées fortes : Noyau Graine solide, reconnue seulement depuis 1936, axisymétrique : orientation des cristaux de fer par convection axisymétrique ? ou par dépôt orienté par le champ magnétique du noyau ? 30 à 100 m 3 de graine cristallisée/jour = chaleur latente qui permet la convection dans le noyau liquide. Le noyau liquide sismiquement transparent pour les ondes S : limite entre le noyau et le manteau : P= 130 G.P ; T°= 3800K ; limite entre le noyau et la graine : P= 320 G.P ; T°= 5000K ; Centre de la Terre : P= 400 Gpa ; T°= 6000K. Noyau fonctionne comme une magnétohydrodynamique, Les inversions du champ terrestre : La durée moyenne de stabilité entre 2 inversions est de l'ordre de quelques x100 000 ans, elle peut être beaucoup plus courte elle peut être beaucoup plus longue, plusieurs x10 Ma ; avant la limite Permien-Trias et avant la limite Crétacé-Tertiaire. la couche D" Produit de l'interaction chimique entre le fer liquide du noyau et le manteau silicaté . Solide mais à vitesse lente, à forte densité, et elle donne des rais sismiques spécifiques qui émergent dans la zone d'ombre ; Topographie tourmentée : épaisseur très variable, de quelques x10 km à 200-300 km. Couche limite entre la convection mantellique et la convection du noyau , Zones épaisses =accumulateur de chaleur à la base du manteau ; Déclanche des panaches mantelliques si longue accumulation = volcanisme de point chaud trapps de Sibérie, à la fin du Permien, trapps du Deccan en Indes, à la limite Crétacé-Tertiaire Manteau inférieur Composition chimique proche de celle des chondrites = indifférencié, et minéralogie très compacte. Pas de fractionnement important car ne donne que les basaltes des points chauds. échanges intermittents avec le manteau supérieur : Subduction d’une plaque dans le manteau inférieur vers la couche D" ; Traversée de la discontinuité 670 Km par des panaches chauds en route vers la surface Manteau supérieur Compostion chimique et minéralogie et de péridote = fortement différencié : Péridotites à plagioclase dans les 30 premiers Km; Péridotites à spinelle entre 30 et 60 Km; Péridotites à grenat au-delà de 60 Km. Autres phases minérales plus compactes en profondeur Fractionnement important : Tous les volcanismes autres que les points chauds ; T toute l’extraction de la croûte continentale (SiAl) Domaine de convection ordinaire des plaques lithosphériques = volcanisme de 3 types Décompression adiabatique peu profonde (<80-100 km), fusion partielle « à sec, HT° » dans les rides océaniques (ou rifts) Décompression adiabatique profonde(>80-100 km), fusion partielle HT° « à sec, HT° » dans les points chauds Fusion partielle « hydratée, BT° » à profondeur croissante dans les zones de subduction Croûte Croûte océanique : Fusion dans les rides océaniques, transport et hydratation du plancher océanique, disparition dans les fosses ; Durée de vie maximum d’un fond océanique = 200 Ma (mémoire courte) Croûte continentale : Fusion dans les zones de subduction, matériaux légers et hydratés peu recyclables ; Durée de vie très variable : jusqu’à 4 Ga (cratons) Mémoire effaçable par érosion ou par métamorphisme (ceinture orogénique de collision ou de marge continentale active) Histoire de la Terre L’Adéen, une naissance tourmentée datée de 4.55 Ga. Planètes formées en moins de 10 Ma ? ou quelques x10 Ma ? Le couple Terre-Lune fabriqué par capture violente d’un météore déjà différencié de la taille de Mars ? Archéen, (3.5 Ga. A 1.7 Ga. ) une convection mantellique rapide et un géotherme élevé l’extraction très active par fusion partielle et flottation = embryons de croûte continentale Le début des temps modernes vers 2 Ga Fonctionnement de la tectonique des plaques prend un rythme comparable à celui que nous observons

- 99 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 CHAPITRE 5 L’enveloppe gazeuse de la Terre Le couple atmosphère - hydrosphère

Lire MC - Atm - generalites - Hamelin.htm . Nous tenterons masse se répartit comme suit : ici une description sommaire de la sphère des vapeurs, 50% contenus dans les 5.5 condensées ou non, Josephine Wall « Sadness of Gaïa » premiers Km; http://www.josephinewall.co.uk/ le couple hydrosphère-atmosphère. Cependant, avant de 75% « « les 10 « « ; décrire l’atmosphère de notre planète et d’envisager son 90% « « les 16 « « ; histoire, nous devons nous interroger sur les conditions 99% « « les 31 « « . mêmes de l'existence d'une atmosphère sur les planètes A 200 Km de la surface terrestre, la pression n’est telluriques: plus que de 10 -7mbar, et l’on peut considérer que vers 500 1 - la première condition est bien évidemment qu’elle fut à 1000 Km, la densité de l’atmosphère est suffisamment créée un jour, soit lors de l'effondrement de la faible pour que des molécules gazeuses puissent partir nébuleuse solaire, soit par dégazage des enveloppes vers le cosmos sans qu’un choc avec d’autres molécules rocheuses, soit encore par bombardement cométaire; les renvoient vers l’atmosphère. On entre là dans 2 - la seconde condition est que la planète concernée ait eu l’ exosphère , domaine où la physique des gaz ne une pesanteur (et donc une masse) suffisante pour s'applique plus, et où chaque molécule se comporte retenir une atmosphère. comme une particule balistique. A ces 2 conditions essentielles de l’existence d’une L’air est un mélange de gaz . Cette intuition de atmosphère viennent s’ajouter d’autres considérations, Descartes fut rapidement confirmée. Auparavant, l’air relatives à l’état de l’atmosphère, P, T° en particulier. Parmi était considéré comme une substance homogène, ce qui les principaux paramètres qui régissent l’état d’une rendait complexe l’explication de la pluie, souvent atmosphère, citons: considérée par les anciens comme un des états possibles de l’air. 1 - la distance au soleil; 2 - l’extraction continue de volatils par le biais d’une Le tableau 1 montre que les constituants gazeux tectonique encore active susceptible de limiter ou essentiels de l’atmosphère sèche, exprimés en volume, d’annuler les pertes vers le cosmos; sont le dioxyde d’azote (78%) et le dioxygène (21%). 3 - la vitesse de rotation de la planète (ou de son L’argon (0.9%) et le dioxyde de carbone (0.035%), atmosphère en cas de super-rotation comme pour pourtant 3° et 4° constituants respectivement, sont déjà Vénus 60x plus rapide que la planète elle-même) qui très minoritaires. limite les écarts de température jour - nuit; Par comparaison avec la composition de 4 - l’orientation de l’axe de rotation sur le plan de l’atmosphère des autres planètes telluriques (cf. planche l’écliptique (susceptible de variations importantes) qui hors texte, planétologie comparée en fin d’introduction), peut engendrer une durée du jour égale à la durée de la celle de notre hôte apparaît à la fois ordinaire par la nature révolution... des constituants (N 2, O 2, Ar, CO 2), et singulière par les teneurs de ces constituants. Ces similitudes et ces A - Composition de L’atmosphère Terrestre différences reflètent l’évolution particulière de notre globe (cf. § Histoire de l’atmosphère terrestre). La comparaison actuelle avec l'atmosphère des géantes gazeuses montre des différences encore plus radicales. Celles-ci apparaissent La connaissance du champ de pression de en effet beaucoup plus proche de la composition de Soleil, l’atmosphère terrestre est récente. Après le décès de Galilée , et donc de la nébuleuse initiale. en reprenant ses expériences non achevées sur des colonnes d’eau, E. Torricelli mit en évidence en 1644 que le poids de La composition de l'air terrestre (sec) est l’air maintient à niveau le mercure d’une colonne. B. Pascal suffisamment constante (malgré les variations de teneur en déduisit que la pression de l’air devait décroître avec en CO 2 en particulier) pour que l’on puisse lui attribuer l’altitude, ce qu’il fit mesurer en 1648 entre Clermont- une masse molaire internationalement reconnue (M = Ferrand et le sommet du Puy de Dôme. 28.966). La présence de produits instables (ozone au-delà Partant du champ de pression on estime la masse de Tableau 1 : composition de l’atmosphère terrestre l’atmosphère (à l’équilibre hydrostatique) à 5.13 10 18 kg , ce Gaz % volumiques -6 qui est de l’ordre de 1.10 de la masse Terrestre. azote N2 78.09 Si la masse volumique de l'air était constante, et si sa oxygène O2 20.95 répartition autour du globe était homogène, alors Argon Ar 0.93 l’atmosphère serait une enveloppe épaisse de 8Km environ. Dioxyde de carbone CO 2 0.038 -3 Mais en fait, la masse volumique de l’air varie avec néon Ne 1.8 10 -4 l’altitude, et notre atmosphère n’a donc pas de limite. Sa Helium He 5.2 10 Krypton Kr 1.0 10 -4 -5 Hydrogène H2 5.0 10 - 100 - Xénon Xe 8.0 10 -6 ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

de 25 Km par exemple, ou produits azotés, NO, NO 2, NO 3) l’eau (non solide), vis à vis du CO 2 par exemple, les n’engendre pas non plus de modifications significatives de la grandes vitesses de diffusion en milieu non solide, et la masse molaire de l’air. protection efficace qu’elle procure (à l’état liquide en particulier) vis à vis des UV entre autres, font de l’eau Toutefois, on considère que la production de atmosphérique et hydrosphérique un des paramètres l’oxygène atomique par photodissociation pourrait provoquer essentiels de l’apparition de la vie sur la Terre, mais aussi un changement de composition significatif au-delà de 80 à 100 Km. L’absence de brassage vers les très hautes altitudes, de sa pérennité renforcerait ce changement de composition en provoquant L’air contient de nombreux aérosols et grains une stratification de la composition, les gaz les plus légers solides provenant de la surface terrestre, tels que des tendant à s'élever au-dessus des plus lourds. poussières arrachées ou cendres volcaniques injectées dans la haute atmosphère, ou des cristaux de sel(s). Les La vapeur d’eau est présente en quantité très variable dans l’atmosphère terrestre, si bien que la valeur de rôles essentiels de cette fraction solide sont d’une part d’introduire des variations dans les conditions sa concentration moyenne, 5400 ppm volume n’a pas grande d’ensoleillement, et d’autre part (et surtout) d’aider à la signification. La fourchette de teneur s’étend dans les basses condensation et/ou à la congélation de la vapeur d’eau. couches de l’atmosphère entre 0.1% environ dans les régions continentales et 5% environ dans les régions océaniques intertropicales. B - Structure thermique et chimique verticale On évalue à 2.5Cm seulement la hauteur d’eau de l'atmosphère (condensée) contenue dans l’atmosphère, ce qui revient à dire que l’essentiel de l’eau non géosphérique (i.e. contenue Lire MC - Atm - Bilan radiatif - Autixier.htm et MC - Atm - dans les minéraux) est stocké dans les océans. Le réservoir Structure thermique - Autixier & Puyau.htm ; Q - Atm - que devient le atmosphérique peut apparaître insignifiant. Pourtant il n’en rayonnement reçu par le Terre - Autixier.htm ; Q - la chaleur sur Terre est rien, car le temps de résidence de l’eau dans le réservoir et comment elle se propage - Aurélien Badji.htm Les pionniers de la atmosphérique est extrêmement court (quelques heures à recherche dans le domaine atmosphérique, à l’articulation quelques mois) par rapport à son temps de résidence dans le du XIX° et du XX° siècle furent tout d’abord les 2 4 réservoir océanique (10 à 10 ans), ou a fortiori aérostiers, dont certains, victimes de leur curiosité, géosphérique, et les flux entre le réservoir atmosphérique décédèrent en raison du froid et de la raréfaction de l’air (continental + océanique) et l‘hydrosphère sont au contraire au-delà de 7500m. L’histoire retient aussi L. Teisserenc considérables. La figure 1 présente des estimations des de Bort et les “ emmêlés ” de ses cerfs-volants avec réservoirs d’eau dans le cycle de l’eau selon M.T. Chahine . l’administration du télégraphe, et G. Hermite , qui mit au On notera que l'atmosphère assure un transfert d'eau vers le point les premiers ballons sondes. Avec eux, l’ère de la 15 continent de 36.10 kg/an, qui est compensé par le débit des mesure des paramètres atmosphériques devenait fleuves vers l'océan. L’imprécision sur les composants de ce journalière. cycle est certes importante, mais cette estimation des ordres de grandeur des réservoirs et des flux permet de confirmer La courbe de la température en fonction de les estimations précédentes des temps de résidence de l'eau l’altitude (Fig. 2) permet de distinguer 4 zones : très différents dans les divers réservoirs, de l'ordre de 1 - la troposphère, quelques jours dans l'atmosphère (11/434; 4.5/71); de 1000 à 2 - La Stratosphère, 10000 ans dans l'océan (1400000/398); et 500 ans environ 3 - La mésosphère dans le réservoir continental (59000/107). 4 - La thermosphère. La figure 1 résume les ordres de grandeur des volumes des réservoirs d’eau, y compris géosphériques Fig. 2 : structure verticale de l’atmosphère terrestre. (croûte et manteau) et les temps de résidence moyens dans les réservoirs superficiels. L’eau océanique représente l’essentiel de la masse de l’eau sur Terre avec 1.39 × 10 21 kg, soit 0,023 % de la masse totale de la Terre. La Terre est la seule planète de notre système où l’eau est présente sous les 3 états, solide, liquide et gaz . Le rôle solvant de

Fig. 1 : estimation des réservoirs et des flux dans le cycle de l’eau de la surface terrestre selon M. T. Chahine.

Marine atmosphere A dvection Terrestrial atmosphere 3 6 11.0 4.5

Rain Evaporation Rain 398 Evaporation & 107 434 Transpiration 71

land Ocean Ice & Snow 43 400 Mixed layer 50 000 R ivers Surface water 360 3 6 Thermocline 460 000 Underground w 15 300 Abyssal 890 000 Biota 2 1 400 000 59 000

Reservoirs in 10 15 kg ; Fluxes in 10 15 kg yr -1 - 101 -

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1 - La Troposphère b - Troposphère, siège de l’effet de serre a - Troposphère et phénomènes climatiques Lire MC - Atm - Effet de serre - Alvares Leite & Son épaisseur varie de 8 Km au pôle en hiver (air Autixier.htm . Le terme “ serre ” n’a pas été judicieusement froid et dense) à 16 km à l’équateur (air chaud et léger); elle choisi, car dans une serre, la paroi de verre joue un rôle contient 75% de la masse de l’atmosphère et quasi 100% primordial en interdisant le transfert de chaleur vers de la vapeur d’eau. Tropos veut dire changement; la l’extérieur (les IR), mais pas le passage des longueurs troposphère est le siège des phénomènes météorologiques. d’ondes visibles (Lire MC - Atm - Longueur d'onde - Alvares Leite Elle constitue la zone convective de l'atmosphère. & Autixier.htm ). La chaleur accumulée dans la serre résulte La température au sol est en moyenne de +13°C. donc essentiellement du fait que les IR émis par le sol ou En un point donné, elle est liée à l’ensoleillement et à la les plantes sont réfléchis par le verre, alors que quantité d'IR réémis par la Terre. l’insolation directe traverse normalement les parois de la serre. L’atmosphère terrestre, elle, n’a pas de couvercle, et Anaxagore , au ~V° siècle, reprenant les écrits de le mécanisme de l’effet de serre est un peu différent. Thalès de Milet (~VII°), remarquait déjà que l’air chaud s’élève, que les nuages se forment lorsque l’air refroidit. Il Le bilan énergétique de l’atmosphère repose admettait ainsi que la température s’abaisse avec l’altitude. sur deux paramètres fondamentaux, sa composition (nous On sait que l’air chaud s’élève en premier lieu par y reviendrons) et la distance du soleil. décompression adiabatique. La convection continue aussi En effet, les planètes du système solaire étant en longtemps que les particules montantes sont plus chaudes équilibre thermodynamique (leur température moyenne que l’air environnant. Puis, lorsque la température a annuelle est “ constante ”), les lois du rayonnement du suffisamment baissé, la condensation de la vapeur d’eau corps noir, établies à la fin du XIX°, leur sont applicables commence, et la chaleur latente libérée relance la machine, (lire MC - Planeto - corps noir - Autixier.htm ), comme elles le accélérant ainsi de nouveau l’ascension de l’air. sont au soleil : Au sommet de la stratosphère la température cesse 1 - la loi de Planck : elle exprime le fait que l’intensité de décroître ( tropopause ) et se stabilise autour de -50 à - du rayonnement émis par le corps en équilibre en 80°C. Le gradient moyen de température est de l’ordre de - -1 fonction de sa longueur d’onde passe par un 6°.Km . La tropopause peut être mise en évidence lors du maximum (fig. 3a cas du Soleil, 3b cas de la Terre); développement de très gros nuages d’orages dont l’ascension vient “ buter ” sur cette couche limite; ces nuages constituent 2 - la loi de Wien : elle exprime le fait que la longueur alors une magnifique enclume qui vient s’étaler sous la d’onde maximale émise par le corps noir est tropopause. inversement proportionnelle à sa température d’émission; λmoy = 2900/T, λ exprimé en microns et T exprimé en K. Fig. 3a : spectre solaire comparé à l’émission d’un corps noir à 5770K (en jaune), T° de la chromosphère. Fig. 3b : spectre du corps noir à 256K, T° d’émission de la Terre.

a) b) Le spectre réel (courbe noire) montre des creux profonds, Les longueurs d’onde du visible sont hors du champ Liés aux absorptions élémentaires de son atmosphère. d’émission de la Terre qui, à 256°K n’émet que des IR Lire MC - Atm - Rayonnement solaire - Bantegnie.htm Lire MC - Atm - Emission - Autixier.htm A 5770°K, Il émet principalement dans le visible dans la gamme 3 à 20 µm ▼ 0.4 à 0.7 µm et l’IR ▼

- 102 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 4a : relation couleur-température du corps noir, d’après Autrement dit, plus un corps est chaud plus la J.Y. Daniel 1991. fréquence de sa couleur démission est élevée (Fig. 3a-b, Rayonnement à 2K, fossile du Big Bang. Etoiles : Soleil et Terre ; Fig. 4a, principaux objets cosmiques). En Betelgeuse, rouge ; Soleil, Jaune. Cyg X 1 Rayonnement X effet, plus la fréquence d’une radiation est élevée, plus son de la constellation du Cygne, trou noir potentiel. énergie est importante. 3 - La loi de Stephan-Boltzman nous dit que pour un corps noir de rayon R, la luminosité L (voir définition Chp. 1A), à la température T est égale à L = 4πR2 . σ T4 avec la cte de Stephan σ = 5.67 10 -8 SI (erg.s -1.cm -2/K -4).

Pour le Soleil, R = 700 000 Km, T° surface = 5770K, 26 -2 la luminosité Ls = 3.8 10 w m .

On appelle “ Constante solaire ” le flux solaire Cs reçu par une surface plane située à la distance d du Soleil,

2 Cs = Ls/(4 πd ). Cette constante solaire n’est d'ailleurs pas strictement constante. Les mesures montrent des variations de l’ordre de 0.1% en relation avec la surface cumulée des taches solaires.

Pour la Terre, située 150 10 6 Km, Le flux solaire calculé est de 1360 w m-2. Puisque l’on considère les planètes comme des corps noirs sphériques à l’équilibre, autour de son noyau dans le plan de vibration de la l’énergie qu’elles émettent est égale à celle qu’elles radiation incidente. Le dipôle ainsi créé rayonne, reçoivent : pour une planète de rayon R p, située à la distance l’intensité de son émission varie selon l’angle entre 2θ d du soleil, la température d’équilibre sera T p et le bilan direction d’émission et onde incidente (Cos ) et s’écrit : elle est fonction de l’inverse (à la puissance 4 !) de 2 2 4 λ4 Cs* π Rp = 4 πRp σ Tp la longueur d’onde de la radiation incidente (1/ ) : 2 2Θ λ4 (NB. Surface réceptrice = jour = πRp ; surface rayonnante = I= I 0 * Cte * (1+Cos )/ . π 2 4 Rp ). Le flux solaire reçu par la Terre (par unité de Le Bleu est donc beaucoup plus diffusé que le -2 surface) est donc égal à C s/4 — soit 340 w m en moyenne Cela rouge. Plus le regard s’éloigne de l’axe des rayons représente environ 10 000 fois la chaleur dissipée par les du Soleil et moins les photons qui viennent frapper enveloppes rocheuses par unité de surface! — et le flux rayonné la rétine proviennent directement du Soleil. La par la Terre à la température T T , appelé émittance (voir lumière erçue est alors de plus en plus d’origine définition Chp. 1A), est de la forme diffusée. Loin de l’axe du rayonnement solaire, le 4 σ TT ciel apparaît donc bleu. Avec l’altitude et selon L’atmosphère et la surface terrestre réfléchissent cette direction, le nombre des molécules vers l’espace respectivement 87 W.m -2 et 21 W.m -2 =108 diffractantes diminuant, le ciel apparaît d’un bleu W.m -2 soit 31% de l’énergie reçue . Cette fraction de d’autant plus sombre. Lorsque l’œil regarde dans la l’énergie renvoyée vers l’extérieur définit l’albédo α de la direction du Soleil, à midi, la quantité planète (=0.3) 36 , lire MC - Planeto - Albedo - Autixier & d’atmosphère traversée est minimale et la lumière Rondeau.htm . perçue est blanche. A l’inverse, au levant ou au couchant, le rayonnement perçu a traversé une - 6% du rayonnement incident est réfléchi par les longueur d’atmosphère beaucoup plus grande ; il a molécules de l’atmosphère. Dans le visible, entre 400 donc subi une dispersion maximale qui diminue (bleu) et 700nm (rouge), les molécules étant petites d’autant la quantité de bleu par rapport au rouge. devant la longueur d’onde (<0.1 λ), il s’agit principalement d’une diffusion de Rayleigh, selon - 20% du rayonnement reçu est diffusé par les nuages. laquelle le nuage électronique de la molécule oscille Les goutelettes d’eau sont de taille très supérieure aux longeurs d’ondes du visible est la diffusion n’est pas de type Rayleigh mais de type Mie. 36 Dans le détail, le problème est plus complexe car l’albédo L’enveloppe de la diffusion de Mie est d’autant plus colinéaire de la direction incidente que la de l’atmosphère αa et celui de la géosphère αg sont différents : l’atmosphère laisse passer le visible ou le particule diffusante est grande (Fig. 4b). Cette réfléchit vers le cosmos, et absorbe la moitié des infra rouges diffusion n’est pas fonction de la longueur d’onde (IR) qu’elle renvoie ensuite vers le cosmos ; le sol réfléchit Fig. 4b : enveloppe des diffusions de Rayleigh et de Mie ou absorbe le visible, et il absorbe tous les IR qui lui sont transmis par l’atmosphère. Si on appelle Ir abs le coefficient d’absorption des IR par l’atmosphère, la fraction de flux IR absorbée par la Terre (qui participe au flux émis par la Terre) 4 est de la forme Ir abs /2 α Tt . L’énergie totale réellement reçue π 2 α α par la Terre serait donc de la forme C* Rp (1 – a) (1 – g) 4 + Ir abs /2 α Tt . http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/atmos/blusky.html

- 103 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 4c : albédo annuel moyen versus latitude Fig. 5a : spectre des raies d'absorption des gaz atmosphériques. de l’Antarctique (à gauche) à l’Arctique (à droite) Limites rouges : le domaine des λ courtes reçues du Soleil Limites bleues : le domaine des λ longues émises par la terre

http://www.climatedata.info/Forcing/Forcing/albedo.html reçue, raison pour laquelle les nuages nous apparaissent blanc, ou gris neutre, en fonction de la quantité de lumière qui les traverse. - 4% de la lumière réfléchie vers le cosmos provient du sol. Les meilleurs « réflecteurs » sont les corps blancs ou clairs, la neige et la plupart des sols dépourvus de végétation. L’albedo varie donc avec la latitude (Fig. 4c) et la saison, en particulier en raison de la variation de la surface de la banquise, qui diminue significativement l’albedo moyen du pôle nord par rapport à celui de l’Antarctique (Fig. 4c). En raison de la dissymétrie de la planète L’albédo de la Terre est maximum durant l’hiver de l’hémisphère Nord et minimum durant l’été, il varie entre 0.2 et 0.3. On perçoit ici l’effet rétroactif d’un changement climatique éventuel (variation de la surface réfléchissante des calottes glaciaires) ou de la déforestation. Connaissant l’albédo de la Terre ( α), on peut en déduire que la valeur du flux qu’elle reçoit réellement vaut -2 Cs/4 (1 – α) = 340 *0.7 = 238 w m et le bilan radiatif de la Terre s’écrit schématiquement : Flux reçu = Flux émis 4 Cs/4 (1 – α) = σ.T -4 -4 2 D’où TT= [(238/ σ] = [(238/ 5.67 ] 10 =254.7K soit -18.3°C . A cette T° d’équilibre, la Terre émet essentiellement dans le domaine des IR, en 5 et 50 µm (Fig. 3b et 5a) La différence entre sa température d’équilibre théorique (-18°c) et sa température moyenne (+13°c) impose que la Terre tire de l'énergie d’une autre source. L’énergie interne dissipée par la Terre (Chp. 1) est très insuffisante pour justifier une telle différence, la source d’énergie réside donc nécessairement dans son atmosphère. Il convient toutefois de rester prudent, pour plusieurs raisons : Atm - Diffusion - Autixier & Coup.htm )). A ce phénomène de Le calcul de la température d’équilibre présenté ici est diffusion du rayonnement incident s’ajoutent des un modèle largement utilisé, quoique très simplifié. Nous absorptions dans l’atmosphère (note infrapaginale page avons raisonné à partir d’un flux que recevrait un disque précédente et MC - Atm - Absorption - Autixier & Coup.htm ). Les perpendiculaire au flux, et non une demi-sphère exposée au absorptions de rayonnement sont principalement le fait flux. La quantité totale reçue calculée est donc bien des molécules qui constituent l’atmosphère. L' absorption satisfaisante, mais ensuite nous calculons une température du rayonnement provoque la transition d'un atome ou moyenne comme la racine (quatrième !) de ce flux moyen, d'une molécule d'un état d'énergie stable vers un état alors qu’il serait plus rigoureux de sommer les températures d'énergie plus élevé (excité) sous l'action d'un photon calculées en chaque point de la demi-sphère exposée, en ν fonction du flux réel reçu par chaque surface unitaire non incident d'énergie h . Pour que l'absorption ait lieu il faut ν perpendiculaire au flux sauf sur le plan de l’écliptique. Par donc que le quantum d'énergie h corresponde à la ailleurs, il n’est pas tenu compte de la rotation terrestre, ni de différence entre deux niveaux permis par les règles de la l’inclinaison de son axe et de l’excentricité de la révolution mécanique quantique: c'est ce que l'on appelle une raie terrestre. En résumé, notons que cette valeur de -18°C n’est d'absorption (Fig. 5a). En revenant à son niveau d'énergie pas exacte mais qu’elle suffit à notre propos. initial, soit directement, soit par étapes, la matière émettra à son tour un rayonnement de même énergie. Nous avons vu que 30% du rayonnement est directement réfléchi par le globe terrestre (albédo, lire MC - Si l’atmosphère est transparent aux longueurs d’ondes incidentes venant du Soleil, il absorbe au - 104 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 contraire fortement les IRs réémis par la Terre. Les Fig. 5b : down-welling Surface Short-wave Radiation Flux. principaux absorbants dans cette gamme d‘ondes sont des molécules gazeuses, qui jouent donc un rôle dans l'énergétique de l'atmosphère. Les molécules triatomiques, vapeur d'eau (H 2O), dioxyde de carbone (CO 2), ozone (O 3) ont un spectre d’absorption énergétique beaucoup plus riche que les molécules diatomiques dioxygène (O2) et azote (N2) que l’on peut considérer comme n’étant pas à effet de serre. Il existe toutefois d’autres molécules diatomiques, comme le monoxyde de carbone (CO) ou d’azote (NO) qui elles aussi absorbent le rayonnement Terrestre. La nature multi- élémentaire favorise leur comportement. En effet, le dipôle électrique qu’elles constituent peut comme pour les triatomique entrer en résonnance pour certaines fréquences avec le rayonnement électromagnétique IR. En outre, les molécules poly atomiques (CH 4, CFC) et de nombreux aérosols ont un pouvoir absorbant très élevé : on appelle http://landsaf.meteo.pt/algorithms.jsp?seltab=1 « gaz à effet de serre » (GES ) les gaz fortement absorbants. µ Le spectre du rayonnement solaire est caractérisé 16 m, dans la troposphère en particulier. Une augmentation de sa teneur dans l'atmosphère se par des longueurs d’ondes courtes, dans la gamme 0.1 à 5 µm couvrant le domaine des UV, du visible et un peu les IR ; traduit donc automatiquement par un accroissement de l'effet de serre. La concentration en CO étant l’essentiel du rayonnement est compris en 0.3 et 1.5 µm 2 naturellement très basse, l’activité humaine (CO (Fig. 3a, et 5a). On nomme souvent ce rayonnement 2 d’origine industrielle, de chauffage, transport) provenant du Soleil « Downwelling Shortwave Radiation modifie significativement sa teneur et provoque (DSR ) Flux ». La figure 5b illustre la répartition de l’énergie nécessairement un accroissement de l’effet de serre. reçue sur Terre un jour d’équinoxe à 12h GMT. Dans ce Pour l’essentiel de la communauté scientifique, les domaine de longueurs d’onde, il n’y a pas d’autres raies effets du CO anthropique sont maintenant d’absorption de gaz atmosphériques autres que celles de 2 considérés comme indiscutables, même s’il existe l’eau, tant dans la basse atmosphère (troposphère) qu’en encore ici ou là quelques chercheurs arcboutés sur altitude (fig. 5a). Il s’ensuit donc une absorption minimale du leurs observations, rebelles face à ce consensus, flux solaire, et ces absorptions ne sont pas totales. Dans le nous y reviendrons. domaine 1.5-5µm, le CO 2et le méthane sont présents, mais dans un domaine de très faible intensité du flux solaire. Par 4 - Le CH 4 (en vert) peut lui aussi absorber une part contre, dans la bande spectrale de l’émission du corps noir importante du rayonnement IR dans la fenêtre 8-10 terrestre, 5-50 µm, le nombre des raies des gaz µm. Le méthane est un produit qui provient atmosphériques est beaucoup plus important, et leur capacité naturellement de la décomposition de matières d’absorption devient très importante, en particulier dans les organiques dans des conditions réductrices (c'est le couches basses et denses de l’atmosphère (Fig. 5a) où seules gaz des marais et des terrains humides 1.5 à 3 trois bandes d’énergies ne sont pas totalement absorbées, G.Tonnes/an ). Il voit sa concentration augmenter ouvrant autant de fenêtres ouvertes vers le cosmos : fortement avec l'accroissement des surfaces 1 - 8-9 µm; consacrées à la riziculture (actuellement 2 à 3.5 2 - 10-14 µm; G.T/an ), et aussi (même si ceci peut apparaître plus 3 - 18-30 µm. anecdotique) avec l'augmentation du cheptel ruminant, dont la fermentation entérique est un Plusieurs faits importants sont à noter : producteur important de CH 4 (1G.T/an !). Son effet 1 - L’absorption d’une longueur d’onde λ donnée par un ne peut donc que se surajouter à celui du CO 2, nous GES donné est fonction de la concentration en ce GES aurons donc à y revenir.

dans l’atmosphère, jusqu’à une concentration limite 5 - L’O 3 troposphérique ( en jaune brun dans la figure correspondant à l’absorption totale de cette λ ; au-delà, 5a, le pic à basse altitude est légèrement décalé vers la largeur de la bande d’absorption s’élargit légèrement la droite et n’est pas superposé au tireté brun, mais une augmentation de la concentration n’aura …imprécision de la figure origine ) pose un qu’un effet mineur, l’ensemble des photons de cette λ problème comparable à celui de l’eau, la bande 10- étant déjà absorbés par l’atmosphère. 12 µm étant d’ores et déjà presque totalement 2 - Dans le domaine de l'émission terrestre (5-50 µm; absorbée. D'origine anthropique elle aussi, l’ozone Fig. 3b et 5a), les fréquences absorbées par H2O (en troposphérique reste limitée aux bassins industriels bleu pâle) le sont à 100%; une augmentation de la et aux mégalopoles. Il en résulte une augmentation teneur en eau de l'atmosphère serait donc sans locale de la température, mais qui restera faible. Son répercutions sur l'effet de serre pour ces λ. En outre inconvénient majeur n’est donc pas un l'atmosphère terrestre est globalement proche de la accroissement important de l’effet de serre il mais saturation en H 2O. Il n’y a pas grand-chose à redouter réside dans son impact sur la santé humaine, en d’une augmentation de la teneur en eau. raison de l’irritation des voies respiratoires qu’elle provoque. 3 - Le CO 2 (en violet) peut par contre absorber encore une part importante du rayonnement IR dans la fenêtre 12- En conclusion, c’est donc une fraction importante

- 105 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 6a : l’effet de serre d’après Ramanathan et al. Fig. 6c : Downwelling Long-wave Radiation (DLR) Flux.

de l’énergie émise par le corps noir terrestre qui est ainsi http://landsaf.meteo.pt/algorithms.jsp?seltab=2&starttab= 0 absorbée par l’atmosphère. Cette énergie ne peut être longues, infrarouges réémis vers notre atmosphère. Selon rétrocédée qu’avec retard au cosmos. Il s’ensuit l’instauration Ramanathan et al., 20 W.m -2 sont perdus directement d’un équilibre dynamique conduisant à une élévation de la dans le cosmos et le reste, 149 W.m -2, est absorbé par température de –18°C à +13°C : c'est cela que l'on nomme l’atmosphère. En effet, si celui-ci est largement «effet de serre». transparent aux UV et au visible incidents, il ne l’est que faiblement aux IR 37 . Reprenons en détail le schéma de bilan énergétique terrestre de Ramanathan et al. (Fig. 6a). Comme dans le cas des 68 W.m-2 cédés par le rayonnement Solaire incident, cet excédent de 149 W m -2 Sur les 345 W.m -2 reçus par la Terre dans les UV, rétrocédé à l’atmosphère sera perdu à terme par celle-ci, le visible et le proche IR , ce sont finalement 169 W.m -2 pour ½ vers le cosmos, et pour ½ renvoyé vers la surface ; seulement qui sont absorbés par la surface du sol : cette dernière fraction sera à son tour réinjectée vers 1 - Une partie de l’irradiation directe, 68 W.m -2, est l’atmosphère — fraction qui ne peut être mesurée directement absorbée par l’atmosphère dans les nuages et lors de mais que l’on peut calculer et que l’on nomme Downwelling la photodissociation de l’oxygène dans le processus Longwave Radiation (DLR 38 , Fig. 6c) Flux — où elle subira le de fabrication de l’ozone ; cette chaleur est restituée même sort, rendant ¼ au cosmos et ¼ au globe, puis ⅛, à terme par l’atmosphère, dans toutes les directions. etc. (voir représentation simplifiée Fig. 6b) ; l’ensemble De la sorte, on peut admettre qu’une ½ est renvoyée tend vers un excédent total à l’équilibre de 149 W.m-2 vers le cosmos et l’autre ½ est transmise à la surface venant de la surface terrestre, plus 34 W.m-2 issus de la du globe (Fig. 6b) ; fraction incidente cédée à l’atmosphère, soit 183 W.m-2 , un total voisin de l’excès de 187 W.m-2 que nous avons 2 - Une partie est réfléchie, 108 W.m -2 (albédo #30%), par estimé à partir de Ramanathan et al . Le flux thermique l’atmosphère ou par la surface du globe, sans d’ondes longues (DLR) provient essentiellement de la absorption par l’atmosphère transparent pour ces couche riche en vapeur d’eau, donc proche de la surface, longueurs d’ondes, comme suit: avec environ un tiers émis par la tranche des 10 premiers a) 87 W.m -2 sont renvoyés par l’atmosphère et les mètres et de 80% par la tranche 0- 500 mètres. nuages ; Un simple bilan entre la chaleur incidente entrant b) 21 W.m -2 sont renvoyés par le sol terrestre. dans le système Terre + atmosphère (= 345 -108 = 237 -2 La valeur mesurée du rayonnement émis par la W.m ) et la chaleur émise vers le cosmos par le même surface terrestre est de 390 W.m -2 (en rouge dans la figure système ( = 149 +68 +20 = 237 nous montre que ce 6a) ; à la température de -18°C ce rayonnement se situe schéma de fonctionnement très approximatif est exclusivement dans les IR. D’après ces valeurs tirées de néanmoins suffisant. Ramanathan et al. , la surface du globe dégage donc un L’excédent permanent de 187 W m -2 à l’équilibre excédent de chaleur par rapport à ce qu’elle reçoit que nous explicitons ainsi ne correspond qu’à la fraction directement du Soleil et indirectement de l’atmosphère, excès rayonnement intervenant dans le bilan terrestre. Selon que l’on peut estimer à 390 -169 -(68/2) = 187 W.m -2. D’où Ramanathan et al. , il faut ajouter à cette fraction les provient-il ? contributions liées aux transferts de chaleur latente et de -2 Considérons que les 169 W.m transmis par le Soleil à la surface du globe y sont totalement convertis en ondes 37 Sur le total de 390 W m -2 émis par la surface du globe Fig. 6b : l’effet de serre, représentation simplifiée. (dans les IR) 20 sont transmis au cosmos ; l’opacité de l’atmosphère aux IR est donc de 370/390*100 = 95%. 38 DLR est calculé à partir de plusieurs capteurs de satellites (METEOSAT, MSG) et en utilisant différentes approches dans différents programmes: GEOLAND ; AMMA. Cette approche fut essentielle dans la détermination du transfert de chaleur entre océan et atmosphère en Arctique, Surface Heat Budget of the Arctic Ocean (SHEBA) .

- 106 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Tableau 2 : potentiel de réchauffement planétaire (PRP) et chaleur sensible traversant l’interface entre le globe durée de vie dans l'atmosphère des GES. (continents-océans) et l’atmosphère : http://www.ec.gc.ca/pdb/ghg/inventory_report/2003_report/c1_f.cfm 1 - 90 W m -2 de flux de chaleur latente ; pour les http://www.riaed.net/spip.php?article448 GES Formule PRP Durée de vie auteurs, les changements d’état de l’eau dans le Ans dans l'atmosphère champ de gravité jouent un rôle prépondérant Dioxyde de carbone CO2 1 125 dans le transfert de chaleur entre la surface Vapeur d’eau H2O 8 1 semaine terrestre et l’atmosphère ; L’évaporation de l’eau Méthane CH4 21 12 contenue dans le sol permet de transférer un Oxyde nitreux N2O 310 150 excédent de chaleur de la surface terrestre Hydro fluorocarbures (HFC) (géosphère ou hydrosphère) vers l’atmosphère, et HFC-23 CHF3 11 700 264 inversement, la condensation ou la congélation HFC-32 CH2F2 650 6 (plus la gravité ici aussi), sont le moteur du HFC-41 CH3F 150 4 transfert de chaleur de l’atmosphère vers la HFC-43-10mee C5H2F10 1 300 17 HFC-125 C2HF5 2 800 33 surface. Les flux de chaleur latente sont HFC-134 C2H2F4 1 000 11 particulièrement forts au-dessus des courants HFC-134a C2H2F4 1 300 15 marins chauds comme le Gulf Stream et au-dessus HFC-143 C2H3F3 300 2 des forêts tropicales humides, couplant les cycles HFC-143a C2H3F3 3 800 4 d’énergie et d’eau. HFC-152a C2H4F2 140 48 2 - 16 W m -2 de chaleur sensible ; pour les auteurs, les HFC-227ea C3HF7 2 900 37 échanges de chaleur sans changement de phase HFC-236fa C3H2F6 6 300 209 entre la surface du globe et l’atmosphère au sein HFC-245ca C3H3F5 560 7 Hydrocarbures perfluorés (HPF) du système Terre est donc significatif ; les flux de Perfluorométhane CF4 6 500 50 000 chaleur sensible sont importants au-dessus de Perfluoroéthane C2F6 9 200 10 000 terres arides, où l’eau (exclusivement vapeur) Perfluoropropane C3F8 7 000 2 600 transfère en convectant de la chaleur à travers Perfluorobutane C4F10 7 000 2 600 l’interface, aidant ainsi à réguler la température Perfluorocyclobutane c-C4F8 8 700 3 200 des deux réservoirs. Perfluoropentane C5F12 7 500 4 100 On peut donc évaluer à 187 +90 +16 = 293 W m -2 la Perfluorohexane C6F14 7 400 3 200 chaleur qui est cédée temporairement à l'atmosphère. L’équilibre dynamique ainsi obtenu correspond à ce que nous puisqu’il fut « visiblement positif » pour les pays nommons effet de serre. industrialisés, comment ne servirait-il pas de modèle à tous ceux qui n’ont bénéficié à ce jour que du loisir de c – Réchauffement climatique ou « global nous observer ? La mondialisation des échanges et des matières, le déplacement des usines du monde depuis warming ». quelques décennies, sont en train de nous montrer la Toutes les fenêtres d’énergie ouvertes vers le cosmos nécessité d’une gestion coordonnée des besoins, des n’étant pas entièrement saturées par les GES, on comprend ressources, des produits et des déchets. L’eau en est que les climatologues recherchent parmi ceux-là les l’exemple type qui, parce que vitale, nécessitera la mise responsables du changement climatique observé de nos jours, en œuvre d’un droit d’accès pour tous. Parce en corrélation avec les variations de leurs concentrations qu’universelle (climatologie à l’échelle des continents, mesurées dans l’atmosphère. bassins versants transfrontières etc.) elle exigera une gestion commune et une protection partagée. La prise de La démarche écologique apparue au sein des pays conscience de la finitude de notre planète et de ses industrialisés durant les dernières décennies et l’ouverture au ressources est douloureuse, nos habitudes de fragmenter monde de l’ensemble des populations, en particulier grâce au l’information pour aborder les problèmes par spécialités racourcissement des tremps de transport, sont concomitantes. sont très ancrées, notre propension à dénoncer le bouc En effet les antipodes longtemps distants de plusieurs mois émissaire est intacte, au point que même si l’analyse de navigation sont maintenant à peine éloignés de 24h de vol. systémique des milieux permet d’entrevoir différents Ce lointain inaccessible, juqu’alors présent seulement dans modèles prometteurs de « développement soutenable », nos livres, est devenu en quelques années une partie de notre l’évidente causalité humaine des dégats engendrés sur les réalité quotidienne. Parallèlement, l’immensité du monde est espaces dits « naturels » peut engendrer des peurs devenue jardin et le cultivateur cueilleur chasseur pêcheur irrationnelles que nous chercherons ici à éviter. que nous sommes encore a réalisé que la ressource n’est pas inépuisable. Ainsi, sur la très médiatique question du changement climatique, la causalité humaine est L’impact longtemps ignoré de l’industrialisation de maintenant très généralement considérée comme nos activités, source de notre bien-être, nous est devenu entendue. Malgré la complexité des processus mis en évident, questionnant en retour l’immense bond œuvre et une méconaissance encore très importante de technologique et scientifique opéré durant les XIX° et XX° notre atmosphère, le coupable est, pour un grand nombre siècle. Ainsi donc Science et Technique qui mettaient notre de climatologues, le relargage inconsidéré des GES. planète au creux de notre main étaient en quelque sorte irrespectueuses de notre devenir ? A refuser de nous Mais la géologie, qui nous renseigne sur le passé considérer comme partie intégrante de la nature, nous de la Terre, nous informe que le climat terrestre à toujours n’avons pas voulu voir l’effet, si positif pour nous, du varié et donc qu’il faut se garder de penser qu’il aurait développement de notre mode de vie sur notre planète. Et existé un point climatique d’équilibre dont nous serions en - 107 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 train de nous éloigner ! Elle nous renseigne sur les variations base des conclusions déduites. On trouve celle-ci dans le majeures subies par notre planète (Chp 5.F) et enregistre bien corps du Résumé technique et dans les chapitres associés les phénomènes périodiques jusqu’à une périodicité indiqués entre accolades. pluricentenale. Pour les oscillations plus courtes, la géologie devient déficiente, sauf exception telles que l’enregistrement RT.6.1 Principales incertitudes concernant l’observation annuel des variations sédimentaires dans les varves39 . de l’évolution du système climatique La climatologie prend alors le relais, mais n’oublions • On n’accorde qu’un degré de confiance moyen à pas qu’avant les observations satellitaires (environ 20 ans en faible au rythme d’évolution du réchauffement de matière de climatologie) notre méconnaissance des espaces la troposphère et de sa structure verticale. Les océaniques était quasi-totale. N’oublions pas non plus que évaluations du rythme de réchauffement de la nombre de phénomènes océano-atmosphériques présentent troposphère englobent les évaluations du rythme des périodes longues, souvent pluridécénales, voire d’élévation de la température en surface. On pluricentenales. La mesure rigoureuse des nombreux accorde un faible degré de confiance au rythme et paramètres mis en œuvre, à l’échelle des processus mis en à la structure verticale du refroidissement de la jeu (celle de la planète, via les satellites), couvre donc stratosphère. {2.4.4} seulement quelques périodes des cycles les plus rapides, et • On accorde un faible degré de confiance à pour beaucoup seulement une petite partie des cycles l’évolution des précipitations terrestres à l’échelle pluridécennaux. En outre, nombre de phénomènes encore du globe avant 1951 et un degré de confiance mal compris ne sont probablement pas pris en compte moyen à leur évolution par la suite, en raison du comme il conviendrait. Il en est ainsi par exemple de la caractère incomplet des données disponibles. formation des nuages et du rôle joué par le rayonnement {2.5.1} cosmique dans la condensation, nous y reviendrons. • Les observations portant sur la variabilité et les En outre l’acquisition même des données est déjà en tendances des nuages sur le plan mondial se soi bien souvent une gageure. Prenons en exemple la mesure prêtent à de nombreuses interprétations, d’où le de la température sur la Terre. Avec l’arrivée de la mesure faible degré de confiance qui leur est associé. satellitaire, la couverture du globe en nombre de points de {2.5.6} mesure est devenue nettement plus homogène. Pour autant, les valeurs sont obtenues à partir de satellites différents, qui • On accorde un faible degré de confiance à la prennent en compte des corrections variées. Cela conduit à tendance mondiale à la sécheresse ou à l’absence des sets de données tels ceux sur l’anomalie de température de précipitations observée, en raison de l’absence (établie par rapport à une moyenne antérieure), dont la valeur d’observations directes, d’incertitudes et de choix pour la dernière décennie varie de 0.2°C à 0.55°C (cf. méthodologiques et d’incohérences géographiques Chp.5.B.c.4). Certes, nos computeurs de plus en plus des tendances. {2.6.2} efficaces sont capables de reconstruire le passé récent que • On peut dire avec un faible degré de confiance que nous avons échantillonné, et c’est bien le moins que l’on peut toute évolution à long terme (centennale) signalée attendre de modèles créés à partir de ce dernier. Mais qu’en concernant les caractéristiques des cyclones est-il de leur valeur prédictive, puisque leur validation ne tropicaux est robuste, si l’on tient compte de devrait être effective en principe qu’au-delà de plusieurs l’évolution passée de la capacité d’observation. cycles observés et correctement modélisés ? Dès lors faut-il {2.6.3} sans doute rester prudent et considérer que même si toute une communauté scientifique établit à partir des mêmes données • Il est impossible actuellement de tirer des des modèles cohérents entre eux, il peut être prématuré de conclusions solides quant à l’évolution à long parler de consensus scientifique ? A ce titre , on rappellera terme de la circulation atmosphérique à grande que nombre d’articles scientifiques, issus de chercheurs échelle en raison de la grande variabilité des qualifiés de climato-sceptiques (plus de 30000 dans le monde échelles interannuelle à décennale et des se qualifient ainsi eux-mêmes) sont encore publiés dans les différences qui existent entre les jeux de données. revues à comité de relecture, garantes de leur contenu. De {2.7} plus une lecture attentive du dernier rapport scientifique du • On observe des variations entre les évaluations GIEC, loin du foin médiatique que provoque la réunion de la mondiales des températures sous la surface des 21° COP en France en décembre 2015, permet de mieux en océans selon le moment et la période, ce qui laisse cerner les principales incertitudes, qu’il reprend d’ailleurs penser que la variabilité d’échelle inférieure à la lui-même dans ses dernières pages pp 114-115, comme suit : décennie des températures et du contenu thermique RT.6 Principales incertitudes de la couche supérieure des océans (de 0 à 700 m) est toujours mal caractérisée dans les relevés Cette dernière section du Résumé technique donne un historiques. {3.2} bref aperçu des principales incertitudes concernant la compréhension du système climatique et la capacité de • Au-dessous d’une profondeur de 700 m, prévoir des changements découlant de l’action de l’homme. l’échantillonnage dans l’espace et dans le temps Cet aperçu n’est pas exhaustif et ne présente pas en détail la est trop fragmentaire pour que l’on puisse évaluer, sur le plan mondial, la température et le contenu thermique annuels avant 2005. {3.2.4}

39 • Au-dessous d’une profondeur de 2 000 m, la Les varves sont des dépôts sédimentaires laminaires très couverture en matière d’observations océaniques fins, où chaque lamine correspond à une alternance de deux reste limitée, ce qui gêne non seulement la termes, un dépôt d’été et un dépôt d’hiver. - 108 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

production d’évaluations mondiales plus précises et climatique. {10.1, 10.3 et 10.7} fiables de l’évolution du contenu thermique et de la • L’évolution et la variabilité interne du cycle de l’eau teneur en carbone des océans, mais également la sont toujours mal modélisées, ce qui limite la quantification de l’apport du réchauffement des confiance qu’on peut accorder à l’évaluation de couches profondes des océans à l’élévation du niveau leur attribution. En outre, les incertitudes en de la mer. {3.2, 3.7 et 3.8; encadré 3.1} matière d’observation et l’effet important de la • Le nombre de séries chronologiques d’observations variabilité interne sur les précipitations observées continues permettant de mesurer l’importance des interdisent une meilleure évaluation des causes de caractéristiques de la circulation océanique liées au l’évolution des précipitations. {2.5.1, 2.5.4 et climat (comme la circulation méridienne océanique 10.3.2} de retournement) est limité et les séries • Les incertitudes des modélisations dues à la chronologiques existantes sont toujours trop courtes résolution des modèles et à l’intégration des pour que l’on puisse évaluer les tendances décennales processus pertinents prennent de l’importance à et à des échéances plus longues. {3.6} l’échelle régionale et les effets de la variabilité • Les données disponibles pour l’Antarctique ne interne deviennent plus sensibles. Ainsi, permettent pas d’évaluer l’évolution de nombreuses l’attribution des changements observés à des caractéristiques des glaces de mer (épaisseur, forçages externes d’échelle régionale continue à volume, etc.). {4.2.3} poser des problèmes. {2.4.1 et 10.3.1} • Sur le plan mondial, la perte de masse due à la fonte • La capacité à simuler des variations de fréquence et des fronts de vêlage et au détachement d’icebergs n’a d’intensité des phénomènes extrêmes est limitée pas encore fait l’objet d’une évaluation exhaustive. par la capacité des modèles à simuler l’évolution C’est dans l’Antarctique que l’incertitude quant à la moyenne des principales caractéristiques de façon perte de masse des glaciers est la plus élevée et fiable. {10.6.1} l’observation des interactions glace-océanaux • Pour certains aspects du système climatique alentours des deux inlandsis reste insuffisante. {4.3.3 (évolution de la sécheresse, évolution de l’activité et 4.4} des cyclones tropicaux, réchauffement de l’Antarctique, étendue des glaces de mer en RT.6.2 Principales incertitudes concernant les causes du Antarctique, bilan de masse de l’Antarctique, etc.), changement climatique on accorde un faible degré de confiance à • Les incertitudes quant aux interactions aérosols-nuages l’influence de l’homme en raison d’incertitudes en et au forçage radiatif associé restent importantes. Il matière de modélisation et du faible degré de en résulte que les incertitudes liées au forçage dû aux cohérence entre les études scientifiques. {10.3.1, aérosols sont celles qui contribuent le plus à 10.5.2 et 10.6.1} l’incertitude globale quant au forçage anthropique net, bien que certains des processus atmosphériques RT.6.4 Principales incertitudes concernant les en jeu soient mieux compris et que l’on dispose d’une projections mondiales et régionales relatives au surveillance mondiale par satellite. {2.2, 7.3 à 7.5 et changement climatique 8.5} • D’après les résultats des modèles, on accorde un • Il est probable que la rétroaction des nuages est degré de confiance limité à la prévisibilité des positive, mais sa quantification reste difficile. {7.2} températures en moyenne annuelle et décennale, • Les reconstructions paléoclimatiques et les modèles du tant pour la moyenne mondiale que pour certaines système Terre indiquent l’existence d’une rétroaction zones géographiques. Les résultats multimodèle concernant les précipitations indiquent une positive entre le climat et le cycle du carbone, mais on prévisibilité généralement faible. Les projections à accorde un faible degré de confianceà l’importance court terme concernant le climat sont également de cette rétroaction, en particulier pour les terres émergées. {6.4} limitées par l’incertitude des projections quant au forçage naturel. {11.1, 11.2, 11.3.1 et 11.3.6; RT.6.3 Principales incertitudes concernant la encadré 11.1} compréhension du système climatique et son évolution • On accorde un degré de confiance moyen aux récente projections à court terme concernant le • La simulation des nuages par des modèles de déplacement vers le nord de la trajectoire des circulation générale couplés atmosphère-océan s’est tempêtes et des vents d’ouest dans l’hémisphère légèrement améliorée depuis le quatrième Rapport Nord. {11.3.2} d’évaluation, mais elle n’en demeure pas moins • On accorde généralement un faible degré de problématique. {7.2, 9.2.1, 9.4.1 et 9.7.2} confiance aux projections à l’échelle du bassin des • Les incertitudes quant à l’observation des variables tendances significatives concernant la fréquence et climatologiques autres que la température, les l’intensité des cyclones tropicaux au XXIe siècle. incertitudes quant au forçage dû notamment aux {11.3.2 et 14.6.1} aérosols et la compréhension limitée des processus en • Les projections quant à l’évolution de l’humidité des jeu continuent de gêner l’attribution causale des sols et au ruissellement ne sont pas robustes dans changements pour de nombreux aspects du système de nombreuses régions. {11.3.2 et 12.4.5}

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• Divers phénomènes ou composantes du système Fig. 7a : évolution de la teneur en CO 2 et de la Température de l'air climatique risquent de subir des modifications depuis 400 000 ans; brusques ou non linéaires, mais on accorde un les mesures ont été effectuées dans une carotte de glace de faible degré de confiance à la probabilité l'antarctique (Vostok) d’occurrence de nombre d’entre eux au XXIe siècle, qui fait l’objet d’un faible consensus. {12.5.5} • On accorde un faible degré de confiance à l’ampleur des pertes de carbone dues aux émissions de CO2 et de CH4 dans l’atmosphère du fait du dégel du pergélisol. On accorde un faible degré de confiance aux projections concernant les futures émissions de CH4 issues de sources naturelles en raison de l’évolution des zones humides et ru rejet d’hydrates de gaz par les fonds marins. {6.4.3 et 6.4.7} • On accorde un degré de confiance moyen aux projections des modèles de la dynamique des inlandsis quant à l’élévation du niveau de la mer au XXIe siècle et un faible degré de confiance à leurs projections au-delà de 2100. {13.3.3} • On accorde un faible degré de confiance aux projections des modèles semi-empiriques quant à l’élévation du niveau moyen de la mer à l’échelle du globe et la communauté scientifique n’est arrivée à aucun consensus en ce qui concerne leur Un décalage de 8 siècles environ entre augmentation de température fiabilité. {13.5.2 et 13.5.3} et enrichissement de l’air en CO 2

• On accorde un faible niveau de confiance aux avec la concentration en CO 2 soit globalement évidente projections concernant de nombreux aspects des est considéré de nos jours comme la preuve que le CO 2 phénomènes climatiques qui influent sur l’évolution anthropique est la cause principale de l’augmentation de la du climat régional et notamment sur l’évolution de température terrestre. Les paléoclimatologues ont montré l’amplitude et de la configuration spatiale des modes depuis environ 15 ans que des évolutions climatiques de variabilité du climat. {9.5.3 et 14.2 à 14.7} majeures se sont produites bien avant l'ère industrielle ; Si à tous ces bémols introduits par le GIEC dans ses les courbes d’évolution (e.g. J.R. Petit et al. 1999, conclusions, on ajoute qu’en science les faits sont toujours Fig. 7a) sont caractéristiques. Le climat terrestre, opposables aux théories – un seul fait, observé en un seul lieu enregistré par la composition des glaces de l’inlandsis par un seul scientifique, peut suffire à mettre à bas une théorie, s’il (rapport 18 O/ 16 O retranscrit en évolution des températures) s’avère être incontournable, correctement observé et interprété – le et celle des bulles d’air piégées (concentration en CO 2), lecteur comprendra qu’un retour sur les faits me soit apparu apparaît cyclique à l’échelle de la centaine de milliers nécessaire. d’années (cf. § F4b, ce chapitre). On observera aisément dans la figure 7a la covariation de la température et le Force est donc de reposer ici cette question. Comment CO , elle est remarquable à cette échelle, comme le le climat a-t-il évolué ? Cette évolution est-elle synchrone de 2 montre la superposition de la courbe du CO (rouge) sur l’industrialisation (depuis1850) ? L’évolution des marqueurs 2 celle des températures (en bleu). Lorsque l’on entre dans du climat est-elle conforme à celle des GES, le CO en 2 un interglaciaire, la remontée de la température et particulier, mais aussi les autres gaz dont l’eau (de loin la l’augmentation du CO atmosphérique sont très plus abondante) et ceux, beaucoup moins abondants mais 2 clairement corrélées. Par contre les chutes de la dont le rôle peut aussi être primordial en raison de leur fort température du début des périodes froides sont beaucoup pouvoir de réchauffement (tableau 2). plus rapides que les diminutions de la concentration en Rappelons la concentration en vapeur d’eau est de CO 2. Le retard à la baisse du CO 2, qui apparaît être d’au 5400 ppmV. Cette valeur moyenne n’a pas grande moins 10000 à 20000 ans, contraste avec la quasi signification car, nous l’avons souligné, cette concentration simultanéité des deux phénomènes lors des varie beaucoup d’un point à un autre. Celle du CO 2 atteint réchauffements. Toutefois, et ce point est essentiel, ces maintenant 380 ppmv. En termes de potentiel de covariations lors du réchauffement sont elles aussi non réchauffement planétaire (tableau 2) le CO 2 représente donc synchrones. L’augmentation de la température précède environ 1% de celui de la vapeur d’eau. Celui du CH4, l’augmentation de teneur en CO 2 ; le décalage est à présent en moyenne à 1.8 ppmv dans notre atmosphère en peu près constant, de quelques centaines d’années représente environ 0.1%, et celui de N 2O (0.32 ppmv) (moins de 1000 ans ; Nicolas Caillon et al 2003). Ce environ 0.2%. L’effet de serre responsable de la température phénomène n’est pas observable à l’échelle de la moyenne terrestre de 13°C calculée précédemment (Chp figure 7a). Lors de ces paléovariations, la teneur en 5.B.1.b) trouve donc bien son origine, très majoritairement, CO 2 de l’atmosphère a donc été le corollaire et non la dans la vapeur d’eau atmosphérique. cause de l’augmentation de la température ; mais cela Le fait que la covariation de la température moyenne ne signifie pas que l’inverse soit impossible, ce qui se - 110 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 passerait actuellement 40 . Le même diachronisme température de l'air à la surface de la Terre, HadCRUT3, température-teneur existe aussi pour le méthane (CH 4) GISS et NCDC; la série UAH des températures de la dans les glaces. L’augmentation en CH 4 de l’atmosphère tranche atmosphérique basse troposphère ; la série avec le réchauffement à la fin des périodes froides est HadSST2 relatives aux températures de surfaces des attribuée à la fonte du permafrost. Lors des épisodes de océans. Ils utilisent aussi les données sur la concentration refroidissement et de gel du sous-sol, le stockage en CO 2 de la couche de sub-surface (« mixed layer ») cryosphérique du dioxyde de carbone et du méthane serait un moyenné à l'échelle du globe et les données du CDIAC processus beaucoup plus progressif. relatives aux émissions de CO 2 anthropique. Enfin, pour évaluer le rôle potentiel des éruptions volcaniques, ils ont Actuellement, le sol gelé des hautes latitudes de aussi utilisé les données GWP. A l’exception des données Sibérie et d’Alaska contiendrait encore 30% (ou plus, sous CDIAC relatives aux émissions de CO anthropique, forme d’hydrates de gaz) de tout le carbone stocké dans les 2 toutes les séries de données utilisées ici montrent des sols de la planète. Par conséquent, la fonte du pergélisol (autre nom du permafrost) par augmentation de l’effet de cycles annuels, comparables à ceux de la série bien serre pourrait être suivie d’émissions à grande échelle de connue des teneurs en CO 2 de l’atmosphère du Mona Loa (Fig. 7b). La conclusion essentielle des auteurs (Fig. 7c) méthane ou de dioxyde de carbone, provoquant un feedback est qu’ils observent bien une positif sur les températures. Dans les Fig. 7b : évolution de la teneur en corrélation entre les séries de données scénarios plus ou moins catastrophiques CO 2 de l’air du Mona Loa 2011-2015. des températures et les données sur que l’on nous promet, de telles émissions pourraient être supérieures à les teneur en CO 2, mais que cette celles produites par les carburants corrélation est maximale lorsque l’on fait correspondre aux températures les fossiles. taux de CO 2 avec un retard, de 11 à Les différences essentielles qui 12 mois par rapport à la température accompagnent l’évolution de globale de la surface des océans, et de l’atmosphère actuelle par rapport à celle 9 à 10 mois par rapport à la de l’atmosphère ancienne résident donc température de l'air en surface du d’abord i) dans le fait que globe ou de la tranche basse l’augmentation actuelle de la http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/ troposphère. Ils notent enfin dans leur température est considérée comme abstract que si la corrélation entre les induite par celle de la concentration en GES et ii) dans le fait variations des températures océaniques et celles du CO 2 que les deux phénomènes sont quasi synchrones à l’échelle atmosphérique est forte, elle ne suffit pas pour expliquer de l’activité humaine. l’ensemble des variations observées. Ils soulignent par Néanmoins les climatologues Norvégiens O. ailleurs qu’ils n’obtiennent pas de corrélation significative Humlum, K. Stordahl et J.E. Solheim ont montré en 2013 entre les séries de températures et la série de données dans la revue Global and planetary change que, comme les relatives au CO 2 anthropique. Il semble donc exister, à carottes glaciaires mais à l’échelle de l’année, les variations cette échelle de temps aussi, un diachronisme entre variation de température en variation de la teneur en CO 2 de la teneur en CO 2 de l’atmosphère sont en retard sur les variations des températures de la planète. Dans cette étude, suggérant que les variations de CO2 dans l’atmosphère sont pilotées par les variations de température. Dès lors, la parallèlement aux séries de valeurs sur le CO 2 atmosphérique et les températures globales, les auteurs ont utilisé question de l’impact des activités humaines pourrait-elle différentes séries de données. Concernant les Fig. 7c : évolution décalée de la teneur en CO 2 de l’air et des températures, ils utilisent 3 séries de données sur la températures de l’air.

40 Revenant à la figure 7, qui analyse les fluctuations pré- humaines du CO2 et de la température. On note qu’à une amplitude de variation thermique de 10°C correspond une variation de la concentration en CO2 de 100 ppmv. Cette amplitude de la variation de température en fonction de celle du CO2 est dont très au-delà de l’actuelle, dont le rapport du GIEC40 estime que pour le XX° siècle elle est de +0.6°C pour un accroissement en CO2 du même ordre de grandeur, 100 ppmv. Force est donc de constater que la réponse du climat actuel à notre injection massive de GES durant le XX° siècle est considérablement plus faible que ce que les archives des glaces polaires ont enregistré. La cause ne peut en être le temps d’homogénéisation de l’atmosphère puisqu’il y aurait plus d’un ½ siècle entre le début de l’injection massive de CO 2 et la réponse de l’atmosphère. L’écart à la linéarité entre ces 2 paramètres est-il si important qu’il signifie que l’on va vers une asymptote de température?12-month change of global atmospheric CO 2 concentration (NOAA; green), global Pour quelle raison? La figure 5 suggère que, dans la gammesea surface temperature (HadSST2; blue) and global surface air temperature (HadCRUT3; red dotted). The upper panel shows unfiltered monthly values (e.g. des longueurs d’ondes émises par la Terre, les raiesJanuary 2000 minus January 1999), while the lower panel shows filtered values d’absorption du CO2 ne sont pas complètement « bouchées »(DIFF12, the difference between the average of the last 12 month and the average mais que l’on s’en approche… Est-ce suffisant ? for the previous 12 months for each data series). - 111 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 7d-1 : covariation du taux de CO (orange) avec δ13 C sembler résolue ? 2 (bleu ) de 1980 à 2012. La réponse n’est pas si simple, comme en témoigne la Valeurs du CO2 aux dates extrêmes 15/01/1980 et 15/01/2012, 338 δ coévolution de l’augmentation du CO 2 dans l’atmosphère et et 393 ppmV, calées sur les valeurs du 13C Keeling et al. la diminution du δ13 C dans la figure 7d-1. La valeur du δ13 C de l’atmosphère — écart entre le rapport isotopique mesuré du Carbone 13 C/ 12 C et la valeur choisie en référence 41 — dépend de l’équilibre dynamique autour duquel évolue la composition de l’atmosphère. Cet équilibre dépend d’une part de la nature et de l’abondance des émetteurs de carbone vers l’atmosphère, et d’autre part de la nature et de l’activité des puits de carbone, qui soustraient du carbone de l’atmosphère vers d’autres réservoirs récepteurs. http://scrippsco2.ucsd.edu/data/flask_co2_and_isotopic/monthly_iso/monthl Réservoirs émetteurs et réservoirs récepteurs sont y_mlo_c13.csv souvent les mêmes, mais à des époques différentes. Ainsi, la Fig. 7d-2 : signature isotopique des sources de CH 4 végétation qui grandit stocke du carbone via la photosynthèse, alors que cette même végétation enrichit l’atmosphère en carbone lors d’un incendie. De même, dans le transfert océan-atmosphère du CO 2, le fait que la température déplace l’équilibre entre les concentrations en CO 2 de l’eau et de l’air qui la surmonte implique qu’un océan qui refroidit est capable d’absorber du CO 2 dissout en provenance de l’atmosphère, alors que lorsqu’il se réchauffe, il doit relarguer une partie de son CO 2 dissout vers l’atmosphère. De plus, chacun des réservoirs évoqués ici, quel qu’il soit, sera capable d’échanger du carbone avec un autre réservoir, avec des proportions des isotopes 13 C et 12 C, provenant de rizières ou de marais présente une valeur spécifique de cet échange. En effet, le mode de sélection des nettement plus faible (donc plus négative). La constitution isotopes d’un élément donné dépend de la réaction qui en carbone de l’atmosphère est donc dépendante de conduit au transfert d’un réservoir vers un autre. Par l’ensemble des sources qui y contribuent. On observe dans exemple, la végétation qui absorbe de CO 2 de l’atmosphère la figure 7d-2 que la valeur moyenne estimée du δ13 C des pour effectuer la photosynthèse privilégie plus le stockage du contributeurs de méthane à l’atmosphère terrestre est plus 12 C que celui du 13 C. Mais il existe différents types de basse que la valeur moyenne estimée de l’atmosphère. Ce plantes, dont le fonctionnement diffère. Chez les plantes en biais (flèche verte) résulte du fait que la signature C3 42 , l’ouverture variable des stomates en fonction de isotopique des puits de méthane est plus basse que la l’humidité joue un rôle essentiel dans le fractionnement du moyenne des émetteurs, privilégiant ainsi la soustraction 13 C. Il est fort si les stomates sont fermés : le δ13 C est alors de 12 C de l’atmosphère par rapport au 13 C. Les séries de de l’ordre de -12.5. Il est beaucoup plus faible lorsque les mesure sur les bulles de glaces conduisent à une stomates de la plante sont ouverts (pas de manque d’eau) et reconstruction des valeurs atmosphériques depuis 1850, le δ13 C descend au-delà de -35 ‰. Au lieu d’une ouverture qui montrent (Fig. 7d-3) que la diminution régulière du variable des stomates pour s’adapter à un déficit hydrique δ13 C (pente -0.0045‰ /an) depuis l’époque pré- important, nombre de plantes des pays secs et chaud (savane, industrielle jusque vers 1960, s’est brusquement accéléré prairie inter-tropicale) utilisent un cycle passant par la et conserve depuis cette nouvelle pente (-0.02‰), synthèse d’acide oxalo-acétique, composé à 4 C : on parle de jusqu’en 2000 d’après la figure et 2012 d’après la figure plante en C4. Chez ces dernières, le δ13 C est homogène et de 7d-1. l’ordre de -15‰. Cet exemple illustre bien comment chaque Ainsi éclairée la coévolution de l’augmentation de la réservoir de carbone va posséder une signature isotopique teneur en carbone atmosphérique avec l’abaissement du particulière. Ainsi, la figure 7d-2 tirée de la thèse de S. rapport δ13 C confirme que le phénomène est ancien et Bernard 2004 montre que le méthane CH provenant de 4 qu’une partie du carbone atmosphérique est bien d’origine matériaux tels que la biomasse utilisée comme combustible humaine, via l’utilisation des énergies fossiles et la (la forêt) ou les hydrocarbures fossiles (gaz et pétrole de nos 13 voitures) présentent une valeur de δ C élevée (négative mais 13 Fig. 7d-3 : covariation du taux de CO 2 (pâle) avec δ C « proche » de la valeur zéro de la PDB) alors que le CH 4 (foncé) de 1850 à 2000 .

41 La valeur standard du rapport 13 C/ 12 C (valeur référence) est celle mesurée sur une bélemnite, la Pee Dee Belemnite (PDB). Cette valeur standard, anormalement élevé (0.0112372,) est prise comme valeur zéro ; cela fait que les rapports des matériaux usuels (e.g. atmosphère) sont largement négatifs. 42 Elles sont les plus nombreuses et vivent dans des milieux variablement riches en eau. Elles présentent un cycle photosynthétique aboutissant à la synthèse d’un composé à 3 atomes de C (phosphoglycerate) d’où leur nom. Extrait de Tagliabue et Bopp, 2008, du Laboratoire d’océanographie et du climat. Les Segments rouges ajoutés ont une de pente - - 1120.0045‰ - /an jusqu’en 1960 et -0.02‰ de 1965 à 2000 ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

Fig. 8a1-2 : variation de la teneur en CO 2 des 20 000 ans BP : Fig. 8b : RCO 2 = Rapport des teneurs de CO 2 avec le niveau de concentration de1900.

, 1) d’après le rapport du GIEC 2007, données Antarctic (violet) -2 et actuelles (vert puis rouge) ; report des limites ci-dessous (vert) et à quasiment 1W. m en terme de contribution de chaleur (« radiative forcing » dans la figure 8a-1) par rapport à l’état pré-industriel, c'est-à-dire environ ⅔ du réchauffement climatique attribué à notre espèce. 2 - Concernant toute l’histoire de la Terre, depuis l’explosion de la vie (600 Ma., début du Primaire) jusqu’à la deuxième partie du tertiaire, les paléoclimatologues ont montré que l’atmosphère terrestre a connu des teneurs en CO 2 beaucoup plus élevées que de nos jours (Fig. 8b) qui apparaissent difficilement corrélables aux températures et aux niveaux des océans. En effet, au début du Primaire, 2) Données NOAA GISP2 Groenland (vert) et Antarctic (rouge). lors de l’explosion de la vie Cambrienne et de sa diversification, la teneur en CO de l’atmosphère combustion de la biomasse. Le rapport 2007 du GIEC faisait 2 était 20 fois supérieure à la concentration actuelle. déjà état d’une contribution de l’ordre de 5% au CO 2 Elle l’était 5 fois seulement au Crétacé, pour des atmosphérique. Faut-il y voir la causalité des variations températures de 9-10°C de plus qu’aujourd’hui récentes du climat et conclure, à l’inverse de l’observation du (Scortese et Mc Kerrow , ou S. Manoliu et M. diachronisme avec les variations de température, que c’est le Rotaru Fig.81 p. 183). Arrêtons-nous sur les derniers CO qui provoque le réchauffement climatique observé au 2 100 Ma. Le climat terrestre a considérablement XX°siècle et non l’inverse ? changé durant cette période. On se situe jusqu’à la Le débat est complexe et d’autant plus difficile que fin du Paléocène dans une période de température l’amplitude des variations historiques du CO 2 est, elle aussi, décroissante mais encore chaude, sans incidence souvent mal connue par nos contemporains. En se basant sur notable de l’accident à 65Ma de la météorite de les mesures effectuées dans les glaces de l’Antarctique et du Chixculub, tenue pour responsable de la crise du Groenland, on dit souvent que les valeurs maximales vivant entre crétacé et Tertiaire. Durant cette « naturelles » de CO 2 n’avaient jamais dépassé 300-320 période, le continent indien s’est détaché et remonte ppmv (Fig. 7a et 8b), valeur que nous avons atteinte en 1900 vers le nord, créant l’océan indien, et sur la courbe de la figure 12d (p. 117) et que nous avons progressivement le bloc Antarctique-Australie prend largement dépassées depuis. Aussi, la concentration une position quasi polaire. Avec l’Oligocène, on actuelle en CO 2 dans l’atmosphère de 370-380 ppmv a-t- entre dans la période froide, marquée par l’existence elle été souvent considérée comme le témoin irréfutable de de calottes polaires. Dans la figure 9, issue de IPCC l’impact de l’activité humaine. La concomitance avec l’ère 2010, sont représentées la teneur en CO 2 et l’étendue industrielle de cette ultime et brutale variation (# 200 ppm) des glaciations d’après Crowley 1998 (exprimée en est indubitable (Fig. 8a-1) latitude, en bleu) pour les derniers 400 Ma. La teneur en CO est représentée pour différents proxies Dire que cette valeur n’a jamais été dépassée mérite 2 compilés par Royer 2006, et l’on y retrouve (en vert) néanmoins d’être nuancé : le domaine plausible (en rose dans la figure 8b) tiré 1 - Concernant la période industrielle, nombre de voix du modèle GEOCARB III 43 de Berner et Kothavala discordantes se font entendre ; prenons pour exemple (2001). La chute de la température, d’abord douce E.G. Beck, 2007 (cf. fig. 12c p. 117), qui considère que durant l’Oligocène, devient abrupte à 33.7 Ma. Cette les courbes d’évolution du CO 2 atmosphérique sont transition est appelée « Eocène-Oligocène insuffisamment renseignées par l’étude des glaces et Boundary » (EOB). Elle est accompagnée d’une qu’il faut prendre en compte l’ensemble des données diminution très importante de la concentration historiques fiables. Ainsi, les données sur les glaces atmosphérique en CO 2. Une fois encore, un (Fig. 8a2) du Groenland (GISP2) sont certes moins diachronisme léger apparaît entre la cassure de la complètes que celle tirées des glaces de l’Antarctique (Vostok) mais elles montrent que dans la période 10000 à 12000 ans BP, la teneur en CO 2 de l’atmosphère a 43 Notez que la représentation IPCC de GEOCARB III, atteint plusieurs fois 320-325 ppm, ce qui correspond limitée à 400 Ma, ampute celle-là de valeurs plausibles dans l’augmentation moderne du CO 2 à la teneur des concentrations en CO2 les plus hautes jamais atteintes atteinte aux environs de 1970 dans la figure 12b p. 115, sur terre. - 113 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

δ2 δ18 courbe de la température et celle de la courbe du CO 2 la Fig. 10a : effet des précipitation sur les rapports H et O. plus précise, celle du phytoplancton (Fig. 9). Notez (based on Hoefs 1997 and Coplen et al. 2000). aussi que la présence de calottes glaciaires, banquises ou inlandsis, n’est pas une constante de l’histoire de la Terre. Au contraire, les périodes sans glaces polaires ont été nettement plus longues que les 3 périodes présentant des pôles englacés, i) quelques Ma autour de 350 Ma, ii) 330à 270, la plus longue, et iii) les 30 derniers Ma. Concernant cette dernière période, Y. Lagabrielle et al. (2009) ont mis en évidence le rôle de l’isolement progressif du continent Antarctique et sa migration vers le pôle (ouverture du passage de Drake entre 43 et 10 Ma, §E5, Fig. 52a, p. 158) dans la http://www.sahra.arizona.edu/programs/isotopes/oxygen.html dernière entrée en glaciation de la Terre (Fig. 52b). Dans les figures 7a et 9, la température n’est pas mesurée directement mais monitorée par des proxies, mot Fig. 10b : carte des δD et δ18 O pour les précipitations en anglais utilisé pour qualifier des variables capables de donner Amérique du Nord. l’image d’une autre variable dont la mesure directe est Observer la distillation isotopique SE - NW depuis le impossible. Par exemple, on utilise le rapport 18 O/ 16 O ( δ18 O) golfe du Mexique, précipitations qui couvrent l’essentiel de la glace, parce qu’il est largement dépendant de la du territoire contrairement aux pluies du Pacifique température qui règne au moment de la formation de la glace. Le fonctionnement de ce proxi est le suivant (Fig. 10a). Nous avons vu (Chp. 2.C.2) que le rapport 18 O/ 16 O est fractionné significativement lors de l'évaporation et de la précipitation; l’isotope léger étant favorisé dans l’état gazeux. L'eau du réservoir atmosphérique se trouve ainsi déprimée en isotopes lourds 18 O et D ( δ18 O et δD <0, Fig. 10a) par rapport à l'eau du réservoir océanique, et l'eau de pluie (ou la neige) est enrichie en isotopes lourds par rapport à l'eau atmosphérique. Avec le transport de l'air à in Géologie isotopique 2005 travers les cellules convectives (Hadley, Ferrel, et cellule polaire, cf. § 5.D) et les précipitations successives qu'il Fig. 9 : température de l’océan et concentration en CO 2 dans peut subir pendant son transport, l’air évaporé sous les l’atmosphère depuis 65 Ma, in IPCC AR4 Chp 6. basses latitudes voit ainsi son rapport 18 O/ 16 O décroître en remontant vers le nord (Fig. 10b). Vient s’ajouter l’effet de la température de l’atmosphère, qui exerce un contrôle très fort sur la composition isotopique de l’eau de pluie. Avec l’augmentation de la température, les précipitations s’enrichissent linéairement (0.5‰ par C° pour d 18 O) en isotopes lourds 18 O et 2H (D) par rapport aux léger 16 O et 1H (Fig. 10c page suivante). Lorsqu’il atteint une latitude suffisamment haute, cet air précipite finalement en neige et constitue un réservoir solide (apparenté à la géosphère) aux propriétés isotopiques très différentes de celles de l'océan au-dessus duquel il s’était évaporé. Durant les périodes glaciaires, le stockage d'un énorme volume de glace provoque en corollaire un enrichissement de l'eau océanique en 18 O par rapport à 16 O. Inversement pendant les périodes chaudes, un déstockage de 16 O a lieu. Dans le cas de mesures faites à partir de sédiments, le proxi δ18 O utilisé est celui de la mesure sur des coquilles fossilisées. Les organismes tirant leur coquille du réservoir océanique, on considère qu’il s’agit d’un processus de fractionnement d’équilibre chimique (cf. Chp. 2.C.2.a). La valeur recherchée étant celle de la température de surface de la mer à l’époque de la construction de ces coquilles, on utilise surtout les espèces planctoniques pélagiques (vivant à la surface loin des côtes) et on élimine les espèces benthiques (vivant sur le fond) qui donneraient la température du fond de l’océan au moment considéré. Y a-t-il un hiatus entre i) les modèles

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Fig. 10c : enrichissement linéaire en isotopes lourds avec la atmosphère ; si les conditions de distance au Soleil et température. de luminance de celui-ci sont les facteurs clef qui ont (Clark and Fritz 1997, p. 37, as compiled in Rozanski et al. permis l’apparition de la vie sur Terre on peut 1993). supposer que des fluctuations, mêmes mineures, de ces paramètres peuvent influer sur le climat. 1) GES majeur : le Dioxyde de Carbone

Considérons tout d’abord le GES principal, le CO 2. Le cycle du carbone (Fig. 11) est le reflet de l’équilibre dynamique qui s’opère entre les différents réservoirs, y compris les transferts résultant de l’action de l’homme. L’équilibre décrit dans cette figure est celui des années 90. Les masses de CO 2 contenues par chaque réservoir ou sous-réservoirs (e.g. océans de surface, moyen et profond) sont aussi figurées ainsi que leurs échanges. Dans la

Variation du δ18 O d’une pluie subissant une distillation de figure, les flux dépendant de l’activité humaine (ou plus Rayleigh. Conditions initiales : eau vapeur est exactement ayant fortement grossi depuis la révolution industrielle) sont figurés en rouge, les autres, considérés δ18Ovapor = -11‰, T° = 25°C. Température finale -30°C. comme naturels sont figurés en noir. Les flèches à 0°C, le fractionnement neige- eau vapeur remplace le montantes représentent les transferts vers l’atmosphère et fractionnement liquide-vapeur. les flèches descendantes figurent les puits qui extraient du Les lignes pointillées relient δ18 O de précipitation et CO2 atmosphérique vers les autres réservoirs. température de condensation. La première remarque est que la masse de CO 2 contenue dans l’atmosphère (597 + 165 = 762 Giga- tonnes), comparée à celles de la géosphère (combustibles fossiles restant = 3700-244) et surtout de l’océan (plus de 40 000 Gt), mais aussi et cela est moins intuitif, à celle de la seule masse de carbone de la biosphère végétale (environ 2 300 Gt), est de presque 10 fois à 100 fois plus petite que les autres. La seconde remarque est qu’au regard des estimations de flux présentées dans la figure 11, l’incidence de notre activité sur le contenu de l’atmosphère varie considérablement selon le réservoir considéré. Elle est faible dans les flux net globaux entre http://www.sahra.arizona.edu/programs/isotopes/oxygen.html atmosphère et végétation — de l’ordre du % : (+1.6 / + 119.6) et (-2.6/ -120.2) — mais elle est forte dans les flux climatiques actuels qui nous promettent une augmentation de net globaux entre atmosphère et océan — de l’ordre de 30 6°C pour seulement un doublement de la teneur actuelle en % : (+20 / + 70.6) et (-22.2/ -70) — et vis-à-vis des CO 2 et ii) la paléoclimatologie qui nous informe de combustibles fossiles, elle n’agit qu’à sens unique — +6.4 variations bien moindres ? Un hiatus entre i) le discours qui Gt/an, estimé à un total de +165 Gt pour l’ère industrielle — ce affirme que les températures actuelles sont responsables de la que traduisent clairement les courbes de teneur disparition irréversible d’une banquise garante de la atmosphérique en CO 2 (Fig. 12 a, b) et les 2 ruptures de circulation océanique et ii) la paléogéographie qui nous pente de 1850 et 1960, Fig. 12d et 17 p.122). Si l’impact renseigne sur le rôle à long terme de la distribution des humain est considérable en terme de flux pour les masses continentales ? Un hiatus entre i) l’affirmation que échanges océan-atmosphère, il l’est beaucoup moins en les teneurs actuelles en CO 2 de notre atmosphère sont sans terme de bilan, car le CO 2 est un gaz très soluble dans précédent, qu’elles nous entraînent vers des augmentations de température irréversibles préjudiciables à la vie et ii) Fig. 11 : le cycle du carbone. l’histoire de la vie sur la Terre? Hiatus ? Peu importe, le fait est réel, le climat terrestre change, il a toujours changé. Il convient d’essayer d’évaluer la part humaine dans ce « dérèglement ». Nous comparerons donc les courbes de l’évolution récente de la température de notre atmosphère avec celle de trois groupes de paramètres essentiels :

1 - la concentration de l’atmosphère en GES : CO 2, CH 4, SO 2 et N 2O ; 2 - l’émission du CO 2 liée la consommation des énergies fossiles, ou bien (très similaire) la production des combustibles fossiles, depuis le début du XVIII°. 3 - l’activité de notre étoile, dont nous savons qu’elle procure l’essentiel de l’énergie disponible dans notre quatrième rappor t du GIEC (2007), - 115 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 12a : CO de l’air, données NOAA, depuis 1995. 2 R2 = 0.9993) le trend du CO atmosphérique pour toute la Données du Mona Loa (4170m), Hawaï, les valeurs 2 période 1959 à nos jours. En retour sur la figure 12a, utilisées sont les moyennes annuelles. notez qu’une régression du 2° degré sur ce petit segment de données apporte un léger bénéfice par rapport à la régression linéaire, R 2 = 0.9991, confirmant que l’accélération constante du taux de CO 2 dans l’atmosphère reste de règle, malgré les différents accords pris à grand renfort de médiatisation. Ces 2 régressions au 2° degré, sur 20 et 55 ans, passent quasiment par les même minima, 1919-292ppmv et 1922-299 ppmv. A ce stade de l’analyse, il n’est peut-être pas inutile de rappeler l’ensemble des efforts consentis depuis plus de l’eau et dont les concentrations dans l’océan sont largement 30 ans. Les informations qui suivent sont tirées de la gouvernées par un cation abondant le calcium, qui peut librairie du citoyen, documentation française, précipiter sous forme de carbonate solide, la calcite. C’est ce http://www.ladocumentationfrancaise.fr : mécanisme qui, ajouté à l’extraction de la calcite par les • 1979, Genève, 1° conférence mondiale sur le organismes vivant (coquilles, récifs), permet la soustraction changement climatique . Lancement d’un de 0.2 Gt/an de l’océan vers les sédiments. On notera que Programme de recherche climatologique mondial. l’équilibre décrit dans la figure 11 conduit à un bilan global • 1987, Montréal, décision d’interdire la production — naturel + humain = +70.6 +20 –70 –22.2 = -1.6 Gt/an — de et l’utilisation des CFC ; l’ordre de 1% seulement des échanges océan-atmosphère, • 1988, création du GIEC = IPCC (en anglais), témoignant ainsi de leur plasticité. chargé du suivi scientifique des processus de Comparons ce bilan de 1.6 Gt/an à la masse de réchauffement climatique ; carbone de l’océan, 40000 fois plus grande. Comparons la • 1990, La Haye, les états européens s’engagent à teneur en CO 2 de l’atmosphère actuelle (et son stabiliser leurs émissions de CO 2 au niveau de enrichissement net de 6.4 Gt/an) à celle de l’ère primaire, 5 à 1990 d’ici à 2000 ; 10 fois plus forte à l’Ordovicien (Fig.8a). A cette époque, il 1° rapport du GIEC : bilan des y a 450 Ma environ, les espèces de vertébrés explosent dans connaissances scientifiques. • l’océan « malgré » le taux élevé de CO 2. Malgré cette forte 1992, Rio, 1° sommet de la terre, 131 chefs d’Etat teneur, il va se produire à cette époque une glaciation adoptent l’Agenda 21 44 , l’objectif de la convention majeure ! Et « malgré » encore ce CO 2, le monde végétal va Climat, ratifiée par 50 Etats, est de stabiliser les coloniser les continents, jusqu’à offrir à la Terre vers 350 Ma concentrations atmosphériques des GES à un l’une des périodes les plus favorables au stockage du niveau « qui empêche toute perturbation humaine carbone, le Carbonifère. Ne peut-on raisonnablement dangereuse du système climatique ». s’attendre à ce que d’aussi faibles variations actuelles de • 1995, Berlin : 1ère Conférence des Parties à la notre atmosphère n’induisent autre chose qu’un ajustement Convention Climat (COP 1) ; adoption du des équilibres impliqués dans le cycle du carbone ? principe des quotas d'émissions de GES . 2° rapport du GIEC : confirmation du rôle Il n’en reste pas moins que la combustion des des activités humaines sur les changements ressources fossiles a élevé le taux de CO dans l’atmosphère 2 climatiques. Prévisions d’ici à 2100 : de 21% en 150 ans. Nous étions en mai 2013 sur le point de réchauffement moyen de 1 à 3, 5°C; montée du dépasser la barre symbolique des 400 ppmv. La niveau de la mer de 15 à 95 cm . concentration atteignait 392.41 ppmv en Août 2012 dans • l’atmosphère du Mona Loa 1996, Genève, 2° conférence mondiale sur le changement climatique, COP2 . (http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends ), soit 1.34 ppm de plus • qu’en Août 2011… On ne voit aucune inflexion dans 1997, New-York, dit Rio+5, 2ème sommet de la terre , désaccord entre l’Union européenne et les l’augmentation du CO 2 atmosphérique depuis 1995 (Fig. 12a, régression linéaire R 2 = 0.9983). Cette apparente linéarité, Etats-Unis sur la réduction des GES. souvent mise en avant, n’est en fait due qu’au laps de temps Kyoto, 3° conférence mondiale sur le changement des observations choisi. Si l’on prend l’ensemble des climatique, COP3 . Adoption du dit « protocole de mesures acquise par la NOAA sur le Mona Loa, qui débutent Kyoto » qui engage les 38 pays industrialisés en 1959 (Fig. 12b), on observe qu’une augmentation quasi (Etats-Unis, Canada, Japon, pays de l'UE, ancien constante « fit » remarquablement (régression du 2° degré, bloc communiste) à réduire les émissions de GES de 5.2% en moyenne d’ici 2012, par rapport au Fig. 12b : CO 2 de l’air, données NOAA, depuis 1959. niveau de 1990. Données du Mona Loa (4170m), Hawaï, les valeurs • 1998, Buenos Aires, 4° conférence mondiale sur le utilisées sont les moyennes annuelles. changement climatique, COP4 . les pays industrialisés, seuls concernés dans un premier temps par le Protocole de Kyoto, adoptent un plan d’action destiné à relancer les mesures décidées à Kyoto. Les Etats-Unis signent le Protocole de Kyoto.

44 2500 recommandations d’action pour le XXI° siècle. - 116 -

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• 1999, Bonn, 5° conférence mondiale sur le Fonds d'aide aux pays pauvres menacés par les changement climatique, CPO5 . conséquences du réchauffement, 80 millions de • 2000, La Haye, 6° conférence mondiale sur le dollars. changement climatique, COP6 . Echec à trouver un Bruxelles, l’UE adopte un « paquet énergie accord sur la mise en œuvre des mesures adoptées à climat », plan de lutte pour la période 2013-2020, Kyoto. objectifs : diminution de 20% des émissions de • 2001, 3° rapport du GIEC. G.W. Bush s’oppose au GES, augmentation à 20% de la part des énergies Protocole de Kyoto et refuse la réglementation des renouvelables et amélioration de 20% de émissions de GES.Marrakech, 7° Conférence des l’efficacité énergétique de l’Union européenne. Nations unies sur les changements climatiques, • 2009, Bonn, 2° réunion, 183 pays participent à la COP7. Des moyens techniques et financiers sont feuille de route pour le traité de Copenhague. Le débloqués en faveur des pays en développement. Brésil, la Chine, l’Inde et l’Afrique du Sud ne • 2002, New Delhi, 8° Conférence des Nations unies souscriront pas au futur traité et refuseront des sur les changements climatiques, COP8. L'Union objectifs domestiques de baisses de leurs propres européenne, puis le Japon ratifient le protocole de émissions, tant que les pays industrialisés n’auront Kyoto. pas adopté les réductions préconisées par le GIEC, • 2003, Milan, 9° Conférence des Nations unies sur les soit moins 40% en 2020 par rapport à 1990. changements climatiques, COP 9. Copenhague, 15° Conférence des Nations unies sur • 2004, Buenos Aires, 10° Conférence des Nations les changements climatiques, COP 15. 193 pays unies sur les changements climatiques, COP 10. La réunis adoptent un texte juridiquement non Russie ratifie le protocole de Kyoto. contraignant, mis au point par les Etats-Unis et 4 • 2005, Montréal, 11° Conférence des Nations unies sur pays émergents, la Chine, le Brésil, l'Inde et les changements climatiques, COP 11. Entrée en l'Afrique du Sud. Ce texte affirme la nécessité de vigueur du protocole de Kyoto signé en 1997. Il a limiter le réchauffement planétaire à 2°C par donc été ratifié par 141 pays dont 36 pays rapport à l’ère préindustrielle mais ne comporte industrialisés, à l'exception des Etats-Unis et de aucun engagement chiffré de réduction des l'Australie (soit 1/3 des émissions de GES). Ils sont émissions de gaz à effet de serre. • néanmoins tenus de réduire de 5.2% leurs émissions 2010. Cancun , 16° Conférence des Nations unies sur les changements climatiques, COP 16. 192 de CO 2 et de cinq autres GES. • 2006, Sydney, 1° réunion du Partenariat Asie- pays mettent en place à la quasi-unanimité (sauf la Pacifique sur le développement propre et le climat : Bolivie), une série de mécanismes financiers pour Ce Partenariat, formé en juillet 2005, regroupe les lutter contre le réchauffement climatique et Etats-Unis, l'Australie et quatre pays d'Asie : Chine, promouvoir l'adaptation à ses effets . On voit ici Japon, Inde et Corée du Sud, soit ½ des émissions de apparaître la notion de mitigation. un « Fonds GES dans le monde. Objectif de ce Partenariat « que vert » est créé pour soutenir les projets, la lutte contre le réchauffement climatique ne freine programmes et politiques d'adaptation des pays en pas la croissance économique ». développement. La mise en place du mécanisme Nairobi, 12° Conférence des Nations unies sur les REDD (Ressources pour le développement changements climatiques, COP 12. La révision du durable) qui consiste à rémunérer financièrement protocole de Kyoto (fondée sur le 4° rapport du les populations locales impliquées dans la gestion GIEC, 2007) commencera en 2008, pour définir les des forêts. Rien pour prolonger le protocole de implications du protocole au-delà de 2012. Kyoto au-delà de 2012. • • 2007, 4° rapport du GIEC. Il établit la 2011, Durban, 17° Conférence des Nations unies responsabilité humaine dans le réchauffement sur les changements climatiques COP 17. Elle se climatique. Perspectives pour la fin du XXI° siècle : conclut sur la mise en œuvre d’une nouvelle feuille augmentation moyenne de 1.8°C à 4°C, pouvant de route, en vue d’un accord prévoyant d’établir aller j’à 6.4°C ; hausse du niveau des océans de d’ici à 2015 un pacte global de réduction des près de 60 cm ; généralisation de vagues de chaleur émissions des GES, avec une entrée en vigueur et d'épisodes de fortes précipitations. Il met en prévue à l'horizon 2020. D’ici là, la feuille de route garde contre les conséquences « soudaines », voire prévoit la prolongation du protocole de Kyoto. Le « irréversibles » du réchauffement en cours. texte englobe pour la première fois tous les pays Bali, 13° Conférence des Nations unies sur les dans la lutte contre le réchauffement climatique, y changements climatiques, COP 13. Elle met en place compris les plus gros pollueurs, la Chine, l'Inde et une « feuille de route » devant aboutir en 2009, à les Etats-Unis... Ni contrainte juridique, ni hausse Copenhague, à un nouveau traité, qui prendra la suite du niveau des mesures pour réduire les émissions du Protocole de Kyoto, qui vient à échéance en 2012. de GES ne sont prévues… gaz à effet de serre, afin Les parties reconnaissent que « des réductions de limiter le réchauffement sous le seuil de 2°C. le sévères des émissions mondiales devront être « Fonds Vert » est officiellement créé. • conduites ». 2012, Doha, 18° Conférence des Nations unies sur • 2008, Bangkok, 161 pays ouvrent un nouveau cycle les changements climatiques, COP18, dit aussi de négociations pour répondre aux objectifs fixés par Sommet de la terre « Rio + 20 ». Le rapport « Geo- la feuille de route du traité de Copenhague. 5 » montre que, sur 90 objectifs prioritaires définis Poznam, 14° Conférence des Nations unies sur les en 1992, seulement 4 ont connu des progrès changements climatiques, COP 14. Création d'un significatifs, dont celui relatif à la couche d’ozone. Geo-5 confirme que l'objectif de réduction des - 117 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

émissions de GES n'a pas connu de progrès et que humaine, elle est sans doute liée à l’accroissement régulier ceux-ci devraient doubler d’ici 2050. de la biomasse cultivée et utilisée comme combustible. • 2013, Varsovie, la 19° Conférence est un éclatant La première rupture de pente se situe vers 1850. De succès affirmé dans le communiqué de presse final: 1850 à 1950 environ, (Fig. 12d et Fig. 17, données GIEC) «Warsaw has set a pathway for governments to work l’augmentation du CO 2 est encore presque linéaire mais on a draft text of a new universal climate agreement elle est un peu plus forte que précédemment. Cela suggère so it a ppears on the table at the next UN Climate que la teneur en CO 2 dans l’atmosphère augmente peu change conference in Peru. This is an essential step to après le décollage de la consommation de charbon. reach a final agreement in Paris, in 2015 ».( http://unfccc.int/files/press/news_room/press_ La 2° rupture de pente se situe vers 1950-1960 releases_and_advisories/application/pdf/131123_pr_cl dans les figures 12d et 17, elle paraît assez brutale ; il est à osing_cop19.pdf ) noter que le minimum calculé de la courbe de régression • 2014, Lima, la 20° Conférence est dans l’ombre de la du 2° degré de la figure 12b sur les valeurs du Mona Loa prochaine, à Paris en 2015 « "Lima is a crucial se situe sur la courbe à 306.4 ppmv, à la date 1922. Figuré moment to reach a climate agreement in 2015. », en vert sur la figure 12d, il est, aux erreurs près, qu’en dire de plus ? parfaitement « raccord » avec les valeurs de la fin de la • 2015, Paris, , la 21° Conférence a abouti à un accord période précédente, confirmant que la 2° rupture de pente qualifié d’historique, qualitativement meilleur que doit se situer à peu près à cette période. Cela semble bien l’accord de Kyoto, mais non contraignant… à suivre. devoir être mis en relation avec l’explosion de la consommation de pétrole et de gaz (voir Fig. 17, World En résumé, concernant le CO 2 — cible principale du Energy consumption). L’accroissement de la GIEC et des Etats participants à la lutte contre l’augmentation des consommation de charbon reste quant-à elle à peu près GES, responsables du changement climatique — la totalité des linéaire depuis le creux de production de la fin de la 2° résultats obtenus par l’ensemble des conférences, guerre. La corrélation positive entre la concentration en conventions ou accords conduits depuis plus de 30 ans est CO 2 atmosphérique et dilapidation des ressources fossiles résumée par la figure 12b, aucune inflexion dans la courbe ! apparaît donc clairement établie et non équivoque : Que de dépenses et d’énergie dissipées pour un résultat actuellement, au moins 25% du CO 2 atmosphérique — parfaitement nul... (390–306)/390 ppmv — aurait une origine anthropique. En Nous avons vu que les mesures de concentration en outre, le décalage dans le temps du point de rupture dans CO 2 dans l’air du Mona Loa permettent, pour les 60 et les 2 courbes implique que la dispersion dans quelques dernières années, d’accéder à une valeur moyenne l’atmosphère terrestre du CO 2 est très rapide et n’excède annuelle de l’atmosphère. Pour les années qui précèdent, on pas 5 à 10 ans. En corollaire, l’influence des phénomènes recourt le plus souvent aux mesures de concentration des gaz volcaniques sur la concentration du CO 2 atmosphérique des bulles de la glace. Pourtant, des mesures de teneur de est non observable sur ces courbes. Elle est probablement CO 2 dans l’air étaient effectuées dans les laboratoires de masquée par notre activité. chimie des pays développés. Ces mesures opérées au XIX° Quant-à la distribution spatiale du CO 2 dans par des chimistes n’ont pas été utilisées dans les études sur le l’atmosphère terrestre, la représentation largement changement climatique. Les méthodes employées à l’époque diffusée de l’évolution dans le temps de la moyenne sont encore considérées comme précises (± 6 ppmv en 1857) annuelle des concentrations sur le Mona-Loa pourrait et elles nous offrent une image avec un pas de temps laisser croire à une homogénéité spatiale et temporelle qui (Fig. 12c, courbe bleue) que les glaces ou les sédiments ne n’a rien d’exact. La variation saisonnière (été CO 2 pauvre peuvent atteindre (petites + dans la figure). Mais elles ne / hiver CO 2 riche) est la plus connue ; elle est souvent couvrent que les régions économiquement développées à présentée (sinusoïde, e.g. Fig. 12d) pour les mesures sur l’époque. D’une part elles ne peuvent être considérées le Mona Loa. La variation spatiale, quoique largement comme des moyennes planétaires et d’autre part les régions documentée, est plus rarement présentée. Dans sa couvertes étaient potentiellement polluées. représentation matricielle (Fig. 12 e page suivante), on Détaillons la courbe de concentration en CO 2 observe très nettement la dissymétrie nord-sud qui reflète atmosphérique, depuis les premières valeurs reconnues la distribution des masses continentales et l’opposition des comme acceptables (1812) à nos jours. L’utilisation des saisons été-hiver. Confirmant ce fait, l’amplitude de la données des glaces de l’Antarctique permettent une sinusoïde de période annuelle, très faible aux latitudes reconstruction malgré tout assez fine de l’évolution de la concentration. Fig. 12d : évolution de la concentration en CO 2 de l’atmosphère depuis l’ère industrielle. Avant 1850, la courbe du CO 2 montre une croissance Sources Moa Loa et bulles d’air dans la glace de l’Antarctique très lente (Fig. 12c et Fig. 17, p. 122). Si son origine est

Fig. 12c : CO 2 de l’air d’après E.G. Beck (2007).

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Fig. 12e : distribution spatiale et temporelle du CO 2 atmosphérique mondiale de CH est passée d’environ 715 dans l’atmosphère, pour les années 1999 à 2006,.NOAA. 4 ppb à l’époque préindustrielle à 1 732 ppb au début des années 1990, pour atteindre 1 774 ppb en 2005. notez l’unité, 1 ppb = 1.10 -3 ppm. La figure 13a (empruntée au Trinitry College) reprend les données des auteurs de « A Compendium of Data on Global Change 45 . Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, U.S. Department of Energy, Oak Ridge, TN, USA. ». Ces mesures effectuées dans les carottes de glace montrent une teneur constante entre 1000 et 1700, puis un accroissement très fort à partir de l’ère industrielle. L’apparente constance préindustrielle est toutefois un leurre, dissipé par la figure 13b qui montre que si le CH 4 est un GES puissant (dont la teneur actuelle équivaut à 35-

Noter la faible amplitude des variations saisonnières en 40 ppm de CO 2, cf. tableau 2), il est aussi naturellement hémisphère Sud et l’inversion nord-sud ; noter le gain très dépendant du climat. pluriannuel de la concentration ; En effet, la première source de méthane réside dans http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/about/global_means.h tml la biochimie des zones humides naturelles (actuellement sud, s’inverse en traversant l’équateur et croît très vite pour >30% des émissions), à l’origine des variations devenir maximum au niveau tropical. Elle reste ensuite très observables dans la figure 13b (oscillation entre 350 et marquée jusqu’à une latitude élevée. Une telle représentation 700 ppb). Les autres sources sont principalement ne tient pas compte d’éventuelles variations longitudinales. agricoles, et l’on retrouve dans l’atmosphère récente Cette hétérogénéité nord-sud et cette oscillation annuelle l’augmentation de la consommation de biomasse résultent bien sûr principalement du cycle naturel du carbone ; dégagement de CO 2 par la respiration de la Fig. 13a : courbe d’évolution des teneurs en CH 4 dans biosphère (massivement continentale) et inversement de la l’atmosphère ; notez l’unité, 1 ppb = 1.10 -3 ppm photosynthèse végétale qui opère un pompage du CO 2 atmosphérique, essentiellement continental et dont l’activité saisonnière s’inverse entre les 2 hémisphères. La figure 12e montre que l’amplitude de la variation annuelle est, au maximum d’environ 15 ppmv, et que cette variation ne masque pas la tendance à l’augmentation moyenne décrite plus avant. La figure nous informe aussi sur l’homogénéisation de notre atmosphère : i) le contraste entre les 2 hémisphères montre la relative étanchéité des deux réservoirs, qui ne sont pas homogénéisés à l’échelle http://www.csiro.au/greenhouse-gases/ annuelle ; ii) le contraste saisonnier, en particulier dans l’hémisphère nord, montre que le CO 2 dégagé par la Fig. 13b : synchronisme des variations de teneur en CO2 et en respiration est largement et rapidement soustrait de CH4 avec le climat l’atmosphère, dont le niveau bas en concentration se situe au niveau de celui de l’hémisphère sud.

Y-a-t-il un impact du CO 2 atmosphérique sur le recul de la banquise ? Si corrélation n’est pas raison, force est de constater dans la figure 12f que, sur 35 ans de mesure, la courbe de la surface de la banquise à son minimum annuel (août-septembre) — décroissante d’année en année, en noire — est semblable à la courbe du CO 2 — croissante d’année en année, l’axe du temps est présenté en sens inverse, orange — même si la courbe de tendance du CO 2 est plutôt du second degré quand on admet pour l’aire de la banquise Arctique que la régression est linéaire. Nous reviendront sur ces aspect plus loin (voir § Chp.5.B.1.c.4).

2) Le Méthane 45 Data Source: D.M. Etheridge, L.P. Steele, R.J. Les rapports du GIEC indiquent que la concentration Francey , and R.L. Langenfelds . 2002. Historical CH 4 Records Since About 1000 A.D. From Ice Core Data . In Fig. 12f : CO (courbe orange) & surface de la banquise 2 Trends: A Compendium of Data on Global Change. Arctique (courbe noire) 1978-2014 Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, U.S. Department of Energy, Oak Ridge, Tenn., USA. and Steele, L. P., P. B. Krummel and R. L. Langenfelds . 2002. Atmospheric CH 4 concentrations from sites in the CSIRO Atmospheric Research GASLAB air sampling network (October 2002 version). - 119 -

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Fig. 13c : évolution de la concentration en CH4 de 1850 à 2010. Fig. 13d : distribution spatiale et temporelle du CH 4 dans l’atmosphère, pour les années 1984 à 2010,NOAA.

Comparer la morphologie des courbes d’évolution des teneurs en GES : celle du CO 2 pour la période 1850-1990 (tireté gris) et celle de N2O pour la période 1850-2000 (tireté vert) sont ajustées, sans échelle, à celle du CH 4 pour la même période. Noter 1) la faible différence d’amplitude des variations méthanogène, le riz en particulier (qui dégage autant de saisonnières entre hémisphère Sud et Nord (voir CO2) ; méthane que la moitié de l’ensemble des zones humides 2) l’inversion nord-sud ; naturelles, soit environ 15%) et celle de l’élevage bovin 3) la stabilisation de l’accroissement pluriannuel de la souvent mis en cause (actuellement environ 15%). Vient concentration entre 2000 et 2006 et son redémarrage en 2007 http://w ww.noaanews.noaa.gov/stories2006/s2709.htm enfin la contribution industrielle via les combustibles fossiles, contribution désormais majeure (environ 20%). légèrement décalée par rapport à la sinusoïde du CO2 ; pour l’hémisphère nord toujours, le maximum se situe Comme pour le CO 2, qui, lui aussi, présente depuis vers mars et le minimum vers août. Le CH 4 est presque 1850 une causalité humaine, on observe une covariation principalement produit en hémisphère nord, puis transféré étroite de la concentration en CH 4 (et du CO 2) avec pour partie vers le sud. Le puits majeur d’absorption du 1 l’évolution de la population mondiale (Fig. 13c). Dans le cas CH 4 est la réaction avec l’oxygène excité O ( D) + CH4 du CH 4, celle-ci s’interrompt vers 1990. Le taux ⇒ OH + CH 3 ; nous verrons au paragraphe stratosphère d’accroissement de la teneur en CH 4 chute alors et devient que cette réaction joue un rôle important dans le cycle de même quasi nul entre 2000 et 2007. Puis, le méthane est l’ozone (O 3). Le second puits de méthane est le radical reparti brutalement à la hausse. Pour les auteurs, la première - hydroxyle OH ; dans la stratosphère, très sèche, CH 4 + raison de l’arrêt de la croissance de la teneur en CH 4 réside - OH ⇒ CH 3 + H 2O. Cette réaction d’oxydation du dans l’amélioration des pratiques agricoles. Quant à son méthane conduit donc à la production d’eau, qui est aussi redémarrage en 2007, les variations imputables à notre un GES, moins puissant et aux effets limités. La durée de espèce ne pouvant excéder quelques % par an, un tel vie du CH 4 dans l’atmosphère est d’une dizaine d’années. comportement doit avoir des causes naturelles ? Le permafrost (partie toujours gelée du sol dans les 3) Le Protoxyde d’Azote et le Dioxyde régions polaires) est suspecté contenir jusqu’à 30% du de Soufre carbone piégé dans géosphère. On s’attend donc à ce qu’un La concentration atmosphérique globale de N2O est réchauffement significatif induise un relargage important de passée de 270 ppb à l’époque préindustrielle à 319 ppb en CH 4 s’il vient à fondre. Il fut donc le 1° suspecté, et sa 2005 (GIEC 2007, Fig. 14-a), équivalent à 100ppm de dénonciation offrait par là même la preuve d’un feedback CO 2 (pouvoir réchauffant = 310 fois celui du CO 2, tableau très attendu. En 2008, Mat Rigby et al. ont montré que 2). Le protoxyde d’azote gazeux naturel provient des l’augmentation du CH 4 était générale sur la planète, alors que océans ; d’origine biologique il est produit par le permafrost susceptible de dégeler est essentiellement situé dénitrification dans les milieux anaérobies et par en zone Arctique. Depuis lors, Dlugokencky et al. 2009, puis Bousquet et al. 2010 , ont montré que la reprise de Fig. 14a-b : évolution de la concentration en N2O a) et en l’augmentation de la teneur en CH 4 est due très probablement d’abord, en 2007, à une suractivité des zones SO 4 b) depuis le début de l’ère industrielle. humides nordiques, puis, en 2008, à une suractivité des zones humides tropicales nord et sud. Ainsi nous pouvons conclure avec Dlugokencky et al. que « nous n’avons sans- doute pas encore activé le fort effet de feedback climatique » attendu avec la fonte du permafrost. Cela est d’autant plus vraisemblable que l’anomalie de température stabilisée depuis 1998 n’offre pas de différence entre avant et après 2007. Enfin, cette ré-augmentation des émissions pourrait aussi provenir de l’accroissement de la consommation de combustibles fossiles depuis 2006 dans le Nord de l'Asie. La question est encore largement ouverte…

Le CH 4 présente plus encore que le CO 2, un fort contraste entre les hémisphères nord et sud (Fig. 13d). La variation saisonnière est à peu près de même amplitude dans les 2 hémisphères. Elle est moins importante que celle du Noter que les ruptures de pente dans l’évolution de ces 2 CO 2 (en hémisphère nord) mais reste significative et GES ne sont pas simultanées

- 120 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 nitrification dans les milieux aérobies. 1/3 seulement des partir de mesures satellitaires de la radiance du sol émissions totales de N 2O sont anthropogéniques. Le « fit » dans différentes longueurs d’onde ; de la courbe du N 2O avec celle de la croissance v) le set de données RSS de Remote Sensing System démographique est donc logiquement moins bon que celui du provient des sondes MSU Microwave Sounding Unit méthane et le « décollage de la courbe ne se produit que vers embarquées sur les satellites en orbite polaire de la 1900. Le tiers d’origine humaine provient d’une part des sols NOAA ; il s’agit là encore de mesures indirectes de agricoles et l’alimentation du bétail et d’autre part de la température de surface. l'industrie chimique. L’avantage des mesures satellitaires est l’excellente Les contributions anthropiques aux aérosols couverture (homogénéité des mesures) qu’elles offrent par (essentiellement des sulfates, du carbone organique, du rapport aux réseaux de stations essentiellement carbone noir, des nitrates et des poussières) produisent continentales (e.g. Fig.15). En outre, elles permettent de globalement un effet de refroidissement sur le climat. La déceler plus facilement les points chauds que produisent courbe de la concentration en SO 4 dans les glaces (Fig. 14-b) souvent les activités humaines et donc de s’en affranchir, est le reflet direct de sa concentration dans l’atmosphère. Sa reproche souvent adressé par les scientifiques critiques à forme est si particulière qu’elle ne peut être corrélée à la la communauté du GIEC. Hélas leur entrée en action est production d’aucun des combustibles fossiles. On admet récente (courbes bleue et violette) et ne permet pas de généralement une origine industrielle au soufre couvrir l’ensemble des variations observées. atmosphérique, même s’il existe des incertitudes Dans la figure 17, le set des températures RSS a été pris considérables sur les quantités totales de SO émises (et de et 2 en référence et les autres courbes sont décalées pour offrir NO d’ailleurs). On suppose que les émissions naturelles x le meilleur « fit », respectivement de 0.12, -0.24 et - représentent 25 à 50% des émissions totales de SO . 2 0.15°C pour UAH, GISTemp et HadCRUT. En effet, Néanmoins, la brutale inflexion observable vers 1950 est en chaque set ne prenant pas la même valeur en référence accord avec la 2° rupture de pente du CO 2 (Fig. 17 p 122) et pour le calcul de l’anomalie, il est nécessaire de décaler surtout avec l’explosion de la production des combustibles les différentes courbes (offset). fossiles. La diminution du taux de soufre dans l’atmosphère depuis les années 90 est le fruit des efforts des pays dits La courbe de température concernant la période développés pour réduire leurs émissions, en Europe en anté industrielle n’est pas reportée sur la figure 17. Il est particulier. en effet difficile de trouver pour les XVIII° et XIX° siècles des illustrations cohérentes et d’égal niveau de 4) Impact des GES sur la T° globale détail avec cette période récente dans la littérature. Les Comment se traduisent ces évolutions des GES sur la courbes de températures sont le plus souvent des température? Avant de discuter le détail de la courbe reconstructions basées sur différents proxies, pro parte d’évolution des anomalies de température (écart à la des données sur les glaces et pro parte des sets de données moyenne des températures de la période 1951-1980, définie sur les cernes de croissances des arbres. On se reportera comme la normalité), précisons l’origine des données donc pour cette époque à la figure 18b (p. 123) tirée du 1° utilisées dans les figures 16 (page suivante) et 17, qui sont rapport du GIEC 2001 en raison de sa cohérence avec les semblables à celles des différents rapports du écrits historiques plutôt qu’à la courbe en crosse de GIEC pour le XX° siècle : Fig. 15 : réseau des stations de mesures de la température de surface, set de i) pour l’ère industrielle les courbes ont été données HadCRUT. construites avec l’outil interactif du site web http://www.woodfortrees.org . ; ii) le set de données HadCRUT, qui couvrent la période la plus longue (en rouge), est issu de 4349 stations de mesures de la température de surface (un peu plus depuis 2006), fut publié pour la 1° fois en 1994 par P .D. Jones ; les actuelles versions HadCRUT3-CRUTEM3 font place en 2012 à une version CRUTEM 4 (voir site du Met Office Hadley Centre observations datasets www.cru.uea.ac.uk ) ; iii) la 2° longue série de données de températures de surface moyenne de la planète, GISTemp (en vert), provient de la NASA (Goddard Institute for Space Study, http://data.giss.nasa.gov/gistemp ); iv) le set de données « UAH satellite temperature » provient de l’Université d’Alabama, site interactif (http://discover.itsc.uah.edu ) permettant la Etat en 2005. P. Brohan et al. Uncertainty estimates in regional and global reconstruction des variations annuelles de observed temperature changes: a new dataset from 1850. Les points verts la température ; les valeurs ne sont plus représentent les stations abandonnées en 2005 ; bleus, les stations des mesures de la température mais le nouvelles ; rouges les stations faisant l’objet de modifications mineures ; résultat de calculs de la température à noirs, le reste des stations.

- 121 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 hockey du rapport de 2007 (fig. 18a p. 123) objet de Fig. 16a : augmentation quasi linéaire de la température de controverses, et à la figure 19 tirée de Moberg et al. 2005. l’hémisphère Sud depuis 1930. Il est intéressant de noter que l’augmentation de température de l’hémisphère sud (Fig. 16a) durant le XX° siècle a été beaucoup plus linéaire que celle de l’hémisphère nord (Fig. 16b). C’est cette dernière qui marque de son empreinte la courbe d’évolution globale (Fig.17). Le rôle, naturel ( ?), anthropique ( ?), et à quel degré (direct? Indirect ?) des masses continentales dans les changements climatiques pourrait donc être essentiel. Dans la figure 17, on peut placer sur la courbe des températures globales au moins 3 points d’inflexions (voire 4, flèches rouges) et décomposer ainsi la courbe des Hémisphère Sud températures en 4 périodes, voire 5 (?) : Fig. 16b : contraste avec le tracé en dents de scie de la i) l’avant « changement », courbe de l’hémisphère Nord. ii) le démarrage du changement climatique, iii) la rémission temporaire, iv) la reprise du réchauffement, et peut-être v) la 2° rémission …? temporaire …? 1 - Episode-1 : l’avant 1910-20. La température du XIX° siècle, moins froide que celle du XVIII° (Fig. 18a), apparaît stable. Cette stabilité se poursuit jusqu’au début du XX°, au Nord comme au Sud ; la température n’augmente absolument pas avant 1910 (point 1 de la courbe Fig. 17, 1930 en hémisphère sud), c’est à dire au moins 60 ans après la première rupture de pente dans la courbe de concentration en CO 2 atmosphérique.

Pourtant, la consommation de charbon a régulièrement Hémisphère Nord. augmenté pendant ce temps! Le ½ siècle est une durée http://data.giss.nasa.gov/gistemp/graphs_v3 bien trop grande pour admettre que ce retard est simplement lié au temps de transfert et la saturation du puits de CO 2 ait été atteinte (fin de la 1° période) — est valide, on peut s’attendre à ce que d’homogénéisation du CO 2 de l’atmosphère, qui est de l’ordre de 10 ans. Cette valeur de 10 ans est toute nouvelle augmentation de GES se traduise précisément le retard observable au décollage de la ensuite (épisode 2) par une montée de la température, ce qui est la cas. Si l’hypothèse d’un courbe du CO 2 de l’hémisphère sud par rapport à celui de l’hémisphère Nord producteur du CO 2 anthropique. masquage du forçage anthropique durant l’épisode 1 Faut-il supposer que les conditions naturelles durant par des conditions naturelles de refroidissement cette période sont celles d’un refroidissement global global est valide, sachant que le forçage anthropique qui masque le forçage anthropique (l’effet de serre dû à a dû augmenter lentement durant les 2 épisodes, l'homme) débutant durant cette période ? Il faut aussi l’augmentation de température en 2° période suppose prendre en compte de temps de saturation des puits de que les conditions naturelles se sont modifiées — diminution ou arrêt du refroidissement naturel global, CO 2, assurant la soustraction du CO 2 produit — passage du réservoir atmosphère vers la géosphère (via l’océan ou voire réchauffement — de telle sorte qu’elles cessent de pas) — pour lequel nous avons noté le rôle clef de la masquer le forçage anthropique, et donc la photosynthèse. Auront-ils mis 50 à 60 ans pour se température augmente. 3 - Episode-3 : 1945-1975. Entre les points 2 et 3 de la saturer, rendant alors seulement la hausse du CO 2 observable, au nord d’abord, puis 10 ans plus tard au courbe de température de la figure 17, la sud ? température marque un palier, voire un léger 2 - Episode-2 : 1910-1945. Le changement climatique abaissement. L’évolution durant cet épisode est démarre en 1910-1920 par une augmentation régulière donc similaire de celle de l’époque relativement de la température jusqu’en 1945 (points 1 et 2 de la froide ante-1910. Pourtant, le point d’inflexion courbe Fig. 17, flèches rouges et pointillés rouges). Ce commun aux courbes de teneur en CO 2 et de démarrage en 1910 ne correspond à aucune des 2 consommation des ressources fossiles est franchi vers 1955-1960, avec une rupture de pente très ruptures de pente dans l’évolution des GES (CO 2 en particulier, flèches violettes Fig. 17), ni à marquée pour le CO 2, GES majoritaire (hors l’eau). l’augmentation brutale de la consommation des En outre, durant cette période, l’injection de ressources fossiles, dont l’inflexion se situera plus tard méthane dans l’atmosphère continue à s’accroître massivement, jusqu’en 1985. Il devient difficile de (vers 1960, avec la 2° inflexion du CO 2, Fig. 17). Il faut donc admettre que le forçage anthropique a dû rejeter l’hypothèse de variations significatives des augmenter lentement de manière continue durant conditions naturelles, à nouveau orientées vers le l’ensemble des périodes 1 et 2. Si l’hypothèse proposée refroidissement — voire encore plus froides que durant pour l’épisode 1 —masquage du forçage anthropique la période historique ante-industrielle indemne de forçage pendant que les GES émis croissent lentement jusqu’à ce que anthropique — et masquant complètement le forçage anthropique qui pourtant se renforce régulièrement. - 122 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 17: courbes d’évolution des GES, de la production de combustibles fossile, des caractéristiques solaires, de la température et du niveau de la mer.

actualisé sur http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/iadv/ ,

- 123 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 18a1-2: courbes de température des rapports Parmi les gaz suivi dans la IPCC de 1990 et 2001 pour le dernier millénaire. un modèle d’accélération figure 17, seul le soufre constante — est aussi pourrait avoir un effet de beaucoup plus forte durant refroidissement (Noter que les ce second épisode de aérosols dispersés par nos réchauffement que durant industries contribuent aussi à le premier. Devons-nous refroidir l’atmosphère). Mais, alors supposer que le outre le fait que la courbe du forçage anthropique est SO 4 est mal expliquée, la devenu tel qu’il dépasse le contribution du soufre masquage envisagé atmosphérique reste marginale. précédemment ? Le masquage naturel s’est-il 4 - Episode-4 : 1975-1998 ou 2000 ? effondré parce que les Après 1975, la courbe des 1) Courbe en crosse de hockey, modèle 2001, conditions climatiques températures est repartie à la naturelles sont redevenues hausse régulière, au moins moins froides ? Durant les jusqu’en 1998 (la dernière 2 épisodes de décennie paraît à nouveau réchauffement observés, échapper à la hausse, voir plus les conditions climatiques loin). La pente moyenne de ce naturelles ont-elles 3° épisode est un peu plus forte seulement cessé de que celle de la période 1910- 2) Courbe du premier rapport du GIEC masquer le forçage 1945 ; l’interprétation de ces 2 anthropique ou ont-elles contribué au segments de la courbe donne 0.015°C.a-1 et 0.022°C.a-1 réchauffement ? Le forçage anthropique n'est-il respectivement 46 . Regardons l’enveloppe de la qu'une fraction, significative et dans quelle mesure, consommation des ressources naturelles de la figure 17 des changements observés? durant les épisodes 3 et 4. On observe que 5 - Un Episode 5 de moins en moins hypothétique ? En l’augmentation brutale de la consommation en 1960 est 1998 pourrait avoir commencé un second palier synchrone de celle de la concentration du CO 2 dans le réchauffement. La durée d’observation, à atmosphérique. Par contre, si la pente de la courbe de peine supérieure à 15 ans est petite et il convient de consommation tend à s’amortir vers 1985, celle du CO 2 rester prudent. La figure 18b présente les sets de continue sons ascension régulière. Néanmoins, la pente données retenus dans la figure 17 durant cette de la consommation reste considérablement plus forte période inachevée. Rappelons que l’anomalie ici que durant la première période de réchauffement. représente l’écart entre une valeur donnée et la L’augmentation de CO —rappelons qu’elle correspond à 2 moyenne interannuelle et prise en référence. Depuis 2014, la courbe de température semple repartir à la Fig. 18b : courbes des anomalies de température globale en °C. hausse, en particulier dans les enregistrements de Définies par rapport à la tempéraure moyenne d’une année prise Gistemp. Cela veut-il dire que le réchauffement en référence. Les différentes courbes, GISTemp, HadCRUt, UAH et RSS sont présentées ici avec un offset permettant le meilleur fit avec la moyenne WTI climatique ré-accélère ? (WoodForTrees Index non figuré) :GISTEMP -0.34, HADCRUT4GL -0.26, RSS - De toutes façons, si l’augmentation de l’anomalie 0.10, UAH 0 noter en 2015la forte anomalie enregistrées par GISTEMP. a effectivement cessée pendant cette dernière décennie, ces années sont restées les plus chaudes que l’on ait connues et la teneur en CO 2 a continué à croître… Il apparaît donc intéressant de comparer l’accumulation du CO 2 dans l’atmosphère, non pas à la courbe de température dans le temps — donnée in figure 17 ou ci- après (figure 19a page suivante), anomalie annuelle tirée de la table de la NOAA annexe) en moyenne glissante sur 5ans — mais à l’accumulation de l’anomalie résiduelle de température (voir ci-après) dans le temps, calculée à partir des valeurs de la NOAA, comme suit : V Dans cette table, l’anomalie moyenne mensuelle présentée est la différence entre la température moyenne mensuelle et la moyenne globale pour la Réactualisez la figure avec le calculateur du Woodfortree.org période 1900-2001.

V Afin de comparer entre elles les évolutions de ces 46 Notez que la courbe utilisée donne une moyenne de anomalies mensuelles (de janvier à décembre), 0.007°C a -1, conforme à la valeur communément admise nous avons d’abord calculé l’anomalie résiduelle (IPCC = Intergovernmental Panel on Climate Change ) de mensuelle — différence entre d’anomalie mensuelle et 0.6° pour le XX°siècle. Remarquez aussi qu’une telle l’anomalie minimum du même mois pour la période moyenne n’a aucun sens au regard des valeurs obtenues pour 1880-2011 — puis nous avons cumulé les résidus les épisodes de réchauffement, au moins deux fois de chaque mois. Il apparaît dans les figures 19b supérieures, épisodes heureusement entrecoupés de périodes que les hivers cumulent une anomalie plus forte « sans réchauffement ». que les étés. Contrairement aux attentes des

- 124 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

modèles qui prévoient « un accroissement sensible de définition de l’ « anomalie » de CO 2. On distingue la fréquence des événements extrêmes » (CNRS Press, 2 domaines : en bleu, les points figurant les 2 décembre 2013), le changement climatique anomalies cumulées jusqu’en 1800 ; en rouge s’accompagnerait d’une réduction du contraste entre depuis 1800, période du démarrage industriel. On été et hiver ? observe bien un changement de régime vers 1800, V L’utilisation conjointe des données de la NOAA et d l’ « anomalie cumulée » de CO 2 augmentant celle de Moberg et al. (2005) permet de représenter ensuite plus fortement que l’anomalie cumulée de l’anomalie résiduelle cumulée versus la teneur du CO 2 température. Approche-t-on de la saturation des atmosphérique depuis l’optimum médiéval jusqu’à raies du CO 2 encore sensibles aux IRs ? nos jours. L’ « anomalie » de température représentée V Les mêmes données autorisent une reconstruction (Fig.19c, 1 point tous les 5 ans), est la différence entre des évolutions de la température et de la teneur en la température moyenne sur 9 ans (de n-4 à n+4) et la CO 2 (Fig. 19d) étendant celle de la figure 17 au valeur la plus basse. Il en est de même pour la dernier millénaire. on observe la baisse régulière de Fig. 19 a : 1882-2009, courbe de l’anomalie de température (par la température depuis la période chaude autour de rapport à la moyenne de 1900-2001). l’an mil, appelée « optimum médiéval », puis un minimum entre 1600 et 1700 connu sous le nom de « Petit âge glaciaire », suivis de la remontée de la température avec une pente relativement constante jusqu’en 1850. La figure confirme ainsi i) que les variations de la température durant cette période sont importantes, ii) que l’on n’y observe pas de corrélation entre teneur en CO 2 et température de l’atmosphère, iii) que les variations

Fig. 19 b : anomalie de température résiduelle cumulée de teneur en CO 2 sont faibles par rapport à (moyennes mensuelles 1880-2012) l’augmentation qui va suivre. On retrouve bien le 1° point de rupture dans la pente de la courbe du CO 2 vers 1845 (Cf. Fig. 17) la température remonte avec une pente un peu plus forte, depuis le creux de 1837 jusqu’en 1975. Pendant cette période, la variation de CO 2 devient homothétique de celle de la température. Noter qu’à cette échelle, le palier de température 1945-1975 disparaît dans les variations à petite échelle, tant pour les données NOAA (en vert) que celle de Moberg et al. (en bleu). 1960 constitue le 2° point d’inflexion pour le CO 2. A cette échelle, l’homothétie avec les températures reste remarquable jusqu’à nos jours, à cela près que les deux courbes, projetées dans un Fig. 19 c : anomalie de température résiduelle cumulée même espace de variation, se rejoignent (abscisse) en fonction de l’anomalie en CO . 2 progressivement suggérant encore une fois que, à évolution entre 1000 et 1800 en bleu, et depuis 1805 en rouge pas de temps égal, l’augmentation de température devient plus faible que l’augmentation de CO 2. La stagnation des températures durant la dernière décennie n’est pas visible à cette échelle. Au regard de ces résultats, on est tenté d’attribuer à l’augmentation de CO 2 atmosphérique la totale explication de notre anomalie de température résiduelle cumulée. C’est précisément ce que font les experts du GIEC à travers l’utilisation de la courbe d’évolution du δ13 C du méthane (anthropique), dont la figure 7d3 p.111 rend compte. Mais c’est peut-être aller trop loin car, comme Fig. 19 d : évolution de la température et du CO 2 durant le nous l’avons déjà signalé, les raies d’absorption des IRs dernier millénaire. par le CO 2 sont peu nombreuses, déjà largement saturées, et l’augmentation de température semble devenir moins rapide que celle de la teneur en CO 2. Au-delà de la concentration saturante d’une molécule donnée, tout ajout supplémentaire de cette molécule dans l’atmosphère est sans effet. Reste aussi à comprendre pourquoi malgré un accroissement continu des GES depuis 10 ans le forçage anthropique le plus puissant à ce jour est-il illisible sur les courbes de température moyenne globale ces 10 dernières années, comme il l’a été pendant 30 ans de 1945 à 1975 ? Quelle est la contribution réelle du forçage anthropique ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/paleo/contributions_by_author/moberg2005/n dans les variations climatiques ? htemp-moberg2005.txt

- 125 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 20 : modèles de réchauffement IPCC.

La question est complexe et les modèles climatiques de l’ICIMOD (International Centre for Integrated Mountain Development Hinu-Kush/Himalaya http://www.icimod.org qui de l’IPCC (GIEC) sont utilisés pour simuler les produisent une littérature dite "en demi-teinte" ; on appelle changements de température dus à la fois à des causes ainsi des rapports qui n’ont pas été évalués par des revues naturelles et à des causes anthropiques. Les simulations sont internationales à comité de lecture — et ii) un contrôle, qui représentées dans la figure 20 par la bande grise, la courbe n’est pas sans faille, des chiffres publiés, parfois faux et rouge est celle des températures observées: alors l'objet de polémiques. 1 - Dans la figure a) les modélisations sont effectuées avec Conscients de ces défauts avérés, l'ONU et le les forçages naturels seulement, c'est-à-dire en ne GIEC ont demandé en 2010 une expertise des méthodes prenant en compte que l’impact des variables naturelles, utilisées au Conseil Inter-Académique 47 (10 institutions dont par exemple la variation du rayonnement solaire et dans le monde). Parmi les principales remarques de l'activité volcanique. formulées par l’IAC, — tirées de la version française du 2 - Dans la figure b) les simulations sont effectuées avec « Report New release » sur le site de l’IAC, en bleu ci-après les forçages anthropiques, tenant compte des GES et — il en est qui permettent sans doute de mieux des aérosols sulfatés (estimation). Si le début du siècle comprendre le débat, trop vif et même parfois insultant, semble assez bien modélisé, il est à remarquer que les souvent mal argumenté, soulignons: valeurs des températures obtenues pour les deux modèles a) naturel pur et b) anthropique seul, se situent 1 - La « réponse lente et inadéquate du GIEC aux en dessous de la courbe des températures observées (en révélations d’erreurs dans la dernière évaluation" , rouge) pour la seconde moitié du 20°siècle. ainsi que "les plaintes sur le fait que ses dirigeants 3 - Dans la figure c) On parvient en combinant les deux ont outrepassé le mandat du GIEC pour être en modèles (en faisant varier les proportions des 2 conformité avec la politique au lieu de prescrire la forçages comme suggéré dans nos 4 périodes) à caler politique dans leurs commentaires publics ». l’ensemble sur la courbe des mesures. La prédiction 2 - L’échéance fixée à la position de directeur du GIEC, serait-elle à notre portée ? dont « la limite actuelle de deux mandats de six ans Nous avons vu que la courbe des températures est trop longue. Le président du GIEC et le directeur moyennes subit une inflexion forte suggérant qu’il y a peut- exécutif, ainsi que les coprésidents des groupes de être eu vers 1998 (point 4 de la Fig. 17 et Fig. 18b) un point travail, ne devraient pouvoir remplir qu’un mandat d’inflexion marquant l’entrée dans une nouvelle période de façon à maintenir une variété de perspectives et d’arrêt de l’augmentation de la température, comparable à la une approche neuve pour chaque évaluation. » période 1945-1975. Certes la courbe de la concentration en L’IAC ajoute qu'il faut « développer une politique méthane dans l’atmosphère s’était amortie progressivement rigoureuse sur les conflits d’intérêt, applicable à depuis 1985, mais celle du CO 2 continue sa croissance toute la haute direction du GIEC et à tous les régulière et aucun modèle ne prévoyait un tel palier… Alors auteurs, aux éditeurs de révisions, et au responsable il n’y a bien sûr pas consensus sur cette inflexion. Et la de direction quant au contenu du rapport ». Il s'agit querelle fait rage, entre « climato-sceptiques » partisans donc bien d’éviter la mainmise de groupes d'intérêt d’une contribution anthropique somme toute modérée — et sur la rédaction des rapports du GIEC. largement modulée par les processus naturels, mal identifiés peut- 3 - L'IAC affirme « qu’une exécution plus poussée des être — et tenants du tout anthropique. procédures de passage en revue pourrait minimiser De fait, l'approche de ces processus très complexes le nombre d’erreurs. À cette fin, le GIEC devrait nous a déjà montré combien l’interaction des nombreux encourager les éditeurs de revue à exercer paramètres rend la prévision délicate, jusque dans le choix des sources de données. Ainsi, comme le soulignent nombre de sceptiques — tel le polémique C. Allègre (2007) mais aussi le 47 très documenté ouvrage de Hacène Arezki (2011) — les Fondé en 2000, l’IAC a été créé pour mobiliser les moyennes à l’échelle de la planète sont difficiles à établir en meilleurs scientifiques et ingénieurs autour du monde, afin raison de l’importance de la variabilité horizontale et de fournir un conseil basé sur des preuves aux institutions verticale de la température dans la troposphère et de internationales telles que les Nations Unies et la Banque l'impact de l'urbanisation sur les continents qui doit Mondiale -- incluant la préparation sur demande d’études nécessairement être pris en compte. A ces difficultés de spécialisées validées par des pairs. Le secrétariat de l’IAC sélection des données, s'ajoute i) le choix peut-être parfois se tient à l’Académie royale des Pays-Bas des Arts et discutable, et discuté, de quelques contributions au travail Sciences, à Amsterdam. http://reviewipcc.interacademycouncil.net/ReportNewsReleaseFrench.ht d'évaluation du GIEC —par exemple des travaux de la WWF ou ml . - 126 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

pleinement leur autorité pour assurer que tous les hivernaux certes exceptionnels mais toutefois commentaires du passage en revue soient pris en marquants, comme une cueillette de fraises à Noël considération de façon adéquate. Ces éditeurs de (1116), la floraison de roses en janvier. Ils revues devraient également assurer que les témoignent aussi de la culture de la vigne dans le controverses authentiques sont bien reflétées dans le nord de l’Angleterre, ou de l’ouverture régulière du rapport , et obtenir satisfaction pour qu’une Saint-Gothard à la circulation. Le recul généralisé considération appropriée soit donnée aux visions des glaciers en Europe depuis le début du millénaire alternatives correctement documentées. Les auteurs de jusque vers 1350, historiquement étayés, est quant-à vérification devraient explicitement documenter que la lui l’indicateur d’une globalité du réchauffement, gamme complète des points de vue et réflexions bien sûr contestée par les tenants de la crosse de scientifiques a été prise en considération. » L’IAC hockey, arguant entre autres de la non souligne aussi « l’utilisation de la littérature dite en contemporanéité précise entre les évènements demi-teinte provenant de sources non publiées ou non d’outre-Atlantique et européens. examinées par des pairs a été controversée, bien que 2 - L’histoire du refroidissement, elle aussi relatée par souvent de telles sources d’informations et de données les chroniqueurs de l’époque, commence au soit valables et appropriées pour être incluses dans le Groënland à la fin du XII° siècle, avec la disparition rapport d’évaluation… …les auteurs ne suivent pas les des colonies Vikings. Elle est aussi documentée par consignes du GIEC pour l’évaluation de telles l’abandon des maisons d’hiver 49 de la Culture de sources ». Il a donc recommandé que ces consignes Thulé, installée précédemment en Arctique, et qui se soient « rendues plus spécifiques » et soient replie plus au sud (Ile de Baffin) à cette période. Elle « strictement appliquées, afin d’assurer que la se poursuit en Europe, avec une dégradation brutale littérature non publiée et non examinée par des pairs du climat en quelques décennies au début du XIV° soit répertoriée de façon appropriée ». On voit donc ici siècle. La disparition de la vigne anglaise n’est pas que le contenu de certains articles utilisés ne tenait pas seulement due au mariage en 1124 du futur roi compte des critiques scientifiques que leur avaient fait d’Angleterre Henry II avec Aliénor d’aquitaine qui les comités de lecture des revues auxquelles ils ont été apporta en dot la région viticole déjà très développée soumis. On comprend aussi que des avis divergents ont des vins de Bordeaux, elle est aussi climatique 50 . Elle été occultés. Quant-à la littérature en demi-teinte elle est en effet aussi liée au Petit âge glaciaire, qui est qualifiée de souvent (donc pas toujours) valable et atteint son apogée trois siècles plus tard. Vers la fin appropriée. Voilà bien ce que, suivant E. Morin on du XVI° et jusqu’au milieu du XVII°, l’avancée des pourrait qualifier d’ « usage dégradé de la raison »… glaciers alpins menaçant alors des villages. Leur 4 - L'IAC appelle enfin à plus de cohérence entre les recul entrecoupé d’avancées a commencé vers 1750. différents groupes de travail dans la caractérisation de Lire MC - Atm - climato - Glacier - Rondeau.htm . l’incertitude. Il dit du rapport du groupe de travail II, Que nous enseignent les archives glaciaires ? pris en exemple qu’il « contient beaucoup de déclarations qui se sont vues attribuer un niveau de Le fort bruitage observé sur les rapports confiance élevé mais pour lesquelles il y avait peu de isotopiques de l’oxygène dans les échantillons de glace de preuves. » subsurface du Groënland (GISP2) ne permet pas d’exploiter le proxi 18 O/ 16 O en dessous de 10K.ans BP. On voit combien il est essentiel de présenter dans un Aussi, T. Kobashi et al . (2009) ont-ils utilisé les rapports poly les différents points de vue. La figure 18a, qui reporte de l’azote (15 N/ 14 N) et de l’argon ( 40 Ar/ 36 Ar). Grâce à les courbes de température des 2 rapports IPCC de 2001 (courbe a) et de 1990 (courbe b) illustre comment Fig. 21a : températures du Groenland reconstruites à l’inquiétude légitime au plan humain d’un changement partir des isotopes de l’azote et de l’Argon période climatique a pu conduire à plus de 10 ans d’errements 1750-1989. scientifiques. La courbe de 2001 (connue sous le nom de courbe en crosse de hockey), due à James Hansen du Goddard Institute, ne montre plus le pic de chaleur des XI° au XIII° siècles bien marqué dans celle de 1990. Cet optimum médiéval n’aurait jamais dû être occulté. Comme le montre la figure 19d (page 122) il est d’amplitude comparable au réchauffement actuel, et surtout il est connu de longue date et largement documenté : in Kobashi et al., “Observed (blue) and reconstructed 1 - On connaît dans les années 90 l’épopée Viking au (red) Greenland temperature records. The observed « Pays Vert 48 », leur implantation Viking en 982. Certes record is a compilation of records from llulissat, Nuuk, l’optimum médiéval n’est pas une période d’une 49 douceur homogène, mais les chroniques médiévales Maisons d’hiver antérieures au petit âge glaciaire, sont connues, qui relatent nombre d’étés chauds en retrouvées sur l’Ile Cornwallis lorsque, dans les années Europe au XII° XIII° siècles et des évènements 50, le Canada y a déplacé un groupe de population Inuite issue de Pond Inlet et Inukjuak pour occuper les terres nouvellement libérées des glaces par le réchauffement climatique au nom du Canada. 48 Il ne faut pas imaginer que la calotte glaciaire avait disparue ! Tout au plus les conditions étaient-elles telles que 50 La vigne fut réimplantée en Angleterre en 1945. Elle plusieurs centaines d’humains pouvaient y vivre de comptait 25 vignobles en 1967 et plus de 300 en 1986 l’agriculture et de la pêche. d’après l’English Wineyard Association. - 127 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 ceux-ci, outre des périodicités pluridécennales dont nous Fig. 21b : températures du Groenland reconstruites à partir des isotopes de l’azote et de l’Argon période 1000-actu. retrouverons des équivalents dans l’étude des interactions océan-atmosphère (Chp 5 §E), les auteurs ont reconstruit l’augmentation de température de la période 1900-1950, jusqu’à -30°C environ au Groenland, puis la décroissance de 1950 à 1975 (fig. 21a page précédente). Les informations des figures 17 à 20 sont donc une nouvelle fois confirmées, par une technique différente. Mais surtout, cette étude, en remontant plus loin dans le temps, confirme la réalité au Groenland du petit âge glaciaire entre 1700 et 1800 et de “Thick blue line is mean of results of Monte Carlo l’optimum médiéval vers 1100 (Fig. 21b), confirmant ainsi simulation, and thin blue linesare error bands (1 σ). Red line que les caractéristiques climatiques tirées de la littérature is a smoothed temperature history (50-year running mean)” historique européenne ont une représentativité plus large, probablement extensibles à l’hémisphère nord au moins. différence saisonnière dans l’augmentation de la température globale de la Terre. La figure 19d montre Nous sommes sortis du dernier épisode climatique que le cumul des anomalies est plus fort pour la période froid (le Dryas, lire MC - Atm - climato - Dryas - Rondeau.htm ) vers hivernale que pour la période estivale ; ce phénomène est 11000 ans BP (Fig. 21c) de manière très brutale. On observe en plein accord avec l’évolution actuelle des paramètres une remontée jusqu’à des températures ½° à 1 °C plus de Milankovitch (cf. §F.4.b, « Les changements cycliques chaudes qu’actuellement — voir à l’extrême gauche de la figure, la remontée et le maximum vers -9000 ans ; il faisait au Groënland du climat »), diminution de l’ellipsité de l’orbite de la -30° à -29.5°C, contre -30.5 actuellement — suivie d’une lente Terre, diminution de l’angle du cône de précession qui descente pendant 5000 ans avec des pointes à presque 2°C tendent à amoindrir le contraste été-hiver. de plus qu’aujourd’hui, mais aussi des périodes très froides à Un autre aspect souvent abordé dans le débat presque 3°C de moins. Ensuite la température remonte climatique est le recul de la banquise et des glaciers jusque vers -3000 ans avant de redescendre lentement, continentaux en de nombreux points du globe (lire MC - jusqu’au petit âge glaciaire. La courbe se termine par la Atm - climato - Glacier - Rondeau.htm ). Ce recul est un indice remonté actuelle (en rouge Fig. 21c). La lente descente vers essentiel de l’augmentation de la température. Faut-il le petit âge glaciaire est entrecoupée de plusieurs épisodes considérer que les 2 sont liés au CO 2 anthropique, plus chauds que la moyenne de l’époque (en vert dans la comme l’illustrerait alors la corrélation entre anomalie figure), mais aussi plus chauds qu’aujourd’hui pour les 2 résiduelle cumulée et concentration de CO 2 (Fig 19b) premiers (optimum minoen et optimum romain) ou aussi depuis les années 60 ? chaud (optimum médiéval). A défaut de données disponibles La figure 22a (page suivante) confirme pour cette période pour le Groënland, les valeurs de la teneur l’accélération du recul qui, lorsqu’elle est observable, se en CO atmosphérique utilisées ici (Fig. 21c en bas) sont 2 produit vers 1930, donc en même temps que la rupture de celles des bulles de glace de l’Antarctique (programme pente sur la courbe d’élévation du niveau marin dans la EPICA, European Project for deep Ice Core drilling in figure 17, soit 10 ans après la 1° rupture de pente de la Antarctica). Noter que durant toute la durée de l’Holocène la courbe des températures. Les ruptures de pente majeures concentration en CO décroît d’abord un peu puis remonte 2 du CO (Fig. 17) et de production d’hydrocarbures (Fig. lentement, sans aucune corrélation avec les variations de 2 17) se produiront 30 ans plus, vers 1960… CO est-il températures, certes de l’hémisphère nord, mais de plusieurs 2 « la » cause du changement climatique ? Plus degrés d’amplitude… globalement, le recul des glaciers continentaux apparaît Ces réchauffements anciens ont eux aussi été mis au même très antérieur à cette accélération. Pour 6 glaciers jour par des archéologues à des latitudes élevées (pour lesquels la figure nous présente des observations (Champagne, région Parisienne, Angleterre). Ils ont observé plus anciennes que 1850) le recul commencerait avec la des alignements de fosses rectangulaires gallo-romaines sortie du petit âge glaciaire, bien avant la période semblables à ce que l'on retrouve sur des sites de vignes gallo-romaines du Sud de la France. Selon S. Chevrier de Fig. 21c : courbe des températures construite à partir des l’Inrap (2009), ces fosses, découvertes récemment en isotopes des gaz des bulles dans les glaces. Champagne, sont bien celles de vignes, « les dimensions Données NOAA, GISP 21° valeur : 95 ans BP, T° -31.59°C réduites des fosses permettent d'exclure l'hypothèse d'un ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/paleo/icecore/greenland/summ verger. Le « fantôme » de petit arbuste observé dans la it/gisp2/isotopes/gisp2_temp_accum_alley2000.txt terre de remplissage a la taille d'un pied de vigne ». Ainsi restitué dans le contexte général des températures de l’hémisphère nord depuis la sortie du glaciaire, le réchauffement du XX° siècle est considéré par nombre de chercheurs, dits « climato-sceptiques », comme le démarrage d’un nouvel évènement chaud, qui doit être a priori considéré comme comparable aux précédents. Les valeurs de température fournies par la NOAA que nous avons tenté d’exploiter dans les figures 18-19 ne contredisent pas une telle hypothèse. On observe en effet que le cumul des anomalies résiduelles de température sur la période 1882-2009 n’est pas réparti de manière homogène sur l’année mais qu’il pourrait exister une

- 128 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 22a : recul des glaciers dans le monde depuis 5 siècles. Fig. 22c-1 : recul de la banquise Arctique (courbe noire) et de l’inlandsis Antarctique (courbe violette).

Tiré de https://nsidc.org/data/seaice_index/

1° rupture de pente du CO 2 et elle est antérieure de 30 ans à l’accélération de l’exploitation massive des combustibles fossiles et au 2° changement de pente de la courbe du CO 2 (2° point de rupture). D’une manière globale, le problème de la fonte des glaces n’est pas encore parfaitement bien compris. Depuis les années 1990, dans l’hémisphère nord, le recul de la banquise et la fonte de l’inlandsis groenlandais sont de plus marqués en été, (Fig. 22c-1, courbe noire, anomalie par rapport à la moyenne 1981- 2010). Le recul par rapport à la moyenne est de l’ordre de 10% en hiver et de 25 à 50% en été. Les courbes annuelles des moyennes décennales (Fig. 22c-2) montrent clairement un approfondissement du minimum estival et, pour l’heure la quasi stabilité de l’extension hivernale. En violet dans la figure 22c-1, la surface de la calotte

Antarctique montre pendant le même laps de temps une industrielle. Le Vatnajökull (Islande) avançait et 2 glaciers légère augmentation qui compte tenu de la différence de alpins, L’Argentière et le Grindelwald, étaient stables. Par surface des deux calottes, représente environ 50% de la contre, les glaciers du Rhône et le Franz-Joseph (Nouvelle perte de surface estivale arctique. Si sa fonte n’est donc Zélande) étaient déjà clairement en recul. Le recul des pas d’actualité, les bilans effectués pour l’antarctique ces glaciers peut donc être considéré comme un phénomène dernières années par les équipes du GIEC ( Davis et al. plus ancien que le début de l’accumulation de CO 2 2005 ; Zwally et al. 2006) a permis de montrer que les industriel, mais accéléré depuis 1930. En outre, vers 1980, bilans locaux peuvent être positifs ou négatifs (Fig. 22d). certains on même recommencé à croître. Fig. 22c-2 : courbes de la surface de glace Arctique. C. Vincent.et al . (2005) ont montré (fig. 22b) qu’en fait, pour les glaciers alpins, il n’y a pas de corrélation entre le recul et la température, la cause du recul résidant dans une modification de la pluviosité et des chutes de neige. Pour ces glaciologues du Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l’Environnement de Grenoble le paradoxe du recul généralisé des glaciers alpins à la fin du Petit Age de Glace il y a 150 ans résulterait donc d’une diminution de plus de 25% de la précipitation neigeuse hivernale, alors que les températures estivales restaient stables. Par contre l’accélération du recul des glaciers durant la seconde partie

du XX° siècle pourrait, elle, peut-être résulter directement de l’augmentation de Fig. 22b : non corrélation entre la température longueur des glaciers alpins et observée ? Mais si température estivale. cette accélération semble bien correspondre au changement de pente de la remontée du niveau marin, elle ne correspond pas à la

- 129 - http://www.natice.noaa.gov/ims/ http://nsidc.org/arcticseaicenews/charctic -interactive -sea -ice -graph/ Fig. 22d: taux de variation de ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 l’altitude de la surface glaciaire Fig. 23a-b : niveau de la mer depuis le dernier maximum glaciaire. antarctique (dS/dt). Mesures radar altimètre effectuées de 19920 2003 over the Antarctic Ice Sheet. Triangle = Zone de front de glace fortement (30 cm/an) aminci (bleu) ou épaissi (rouge).

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Post-Glacial_Sea_Level.png . Les variations sont géographiques, géologiques et botaniques. La courbe, faibles et leur valable pour la mer du Nord, permet de tirer des amplitude est du même conclusions intéressantes : ordre que l’erreur liée à 1 - Des hausses et des baisses de niveau marin très la mesure. Il faut donc rapides ont eu lieu notamment ces derniers 1000 les surveiller de très ans, pouvant atteindre 4, voir 8 millimètres par an à près en fonction de la sortie du petit âge glaciaire ; l’évolution à venir du climat. Elles signifient en effet que, pour l’heure, la 2 - Ces valeurs importantes sont encadrées par une contribution de l’antarctique à l’élévation du niveau marin montée moyenne de 1 mm/an depuis 3000 ans. est négligeable, mais elle pourrait ne pas le rester si la A l’échelle globale, la courbe d’élévation du température terrestre devait augmenter. niveau marin présentée par le GIEC 2007 (Fig. 17) ne La conséquence majeure du recul des glaciers réside débute pas avant 1870. Mais elle montre elle aussi des dans leur contribution à la remontée du niveau marin. La variations de la vitesse de remontée, à savoir : déglaciation, débutée il y a 19 000 ans (sortie du Dryas), 1 - Le montée du niveau marin est positive dès le s'est produite en plusieurs stades entrecoupés de début de la courbe présentée ; une élévation refroidissement relativement brefs, que les chercheurs régulière est mesurable (0.9 mm /an) pour la observent, e.g. sur les coraux des Barbades, e.g. sur les période 1870-1920. Celle-ci est compatible avec coléoptères de Grande-Bretagne, e.g. ou dans l’étude des l’évaluation moyenne de Berhe ; rivages. Au plus froid de la dernière glaciation, le niveau moyen des mers était 120-130 m plus bas qu’aujourd’hui 2 - une accélération brutale apparaît (rupture de la (Fig. 23a, donnée Fleming et al. 1998, Fleming 2000, & pente) vers 1930 ; Milne et al. 2005). Deux accélérations se produisent lors de 3 - postérieurement à 1930, on peut distinguer sur la la remontée, vers 14 000 ans BP ('meltwater pulse') et vers figure 17 quatre segments témoignant d’une 11 500 ans BP. Le premier ne dure pas plus de 1000 ans remontée en quatre épisodes plus ou moins rapide, mais présente une vitesse de remontée de plus de 30 2.4 mm/an puis 2.1 puis 3.5 à 3.7 mm /an et enfin mm/an ! Le second dure 2000 ans et sa vitesse moyenne de 1.9 mm/an. remontée est de l’ordre de 20 mm/an 51 . Le réchauffement très court (à peine 500 ans) autour de 12700 ans a été lui Ces pentes, reportées dans la figure 23c, aussi très brusque : en moins d'un siècle, la température confirment les conclusions tirées de la figure de K. E. estivale est remontée de 15°C, rejoignant pratiquement le Berhe. Il conviendrait de rechercher d’autres études niveau actuel des températures. A l’échelle des observations archéologiques pour confirmer la cohérence des valeurs présentées ici (Fig. 23b), la remontée devient lente vers modernes de remontée avec celles de K. E. Berhe. En 7000 BP (5 à 6 m) puis le niveau de l’océan mondial 2013, N. Scafetta conduit une approche graphique des apparaît stable depuis 2000 ans environ variations de l’accélération de la remontée du niveau de la mer tantôt positive et tantôt négative, confirmant ainsi les Néanmoins, les travaux de détail sur l’évolution du travaux de Becke, et il observe la coïncidence de ces trait de côte et des paysages — e.g. L. Visset & J. Bernard , 2006, paléo-anthropo-palynologie sur le littoral breton ; K.-E. Fig. 23c : élévation du niveau de la mer depuis 1000 ans, Berhe 2003 du Niedersächsisches Institut für historische d’après Behre K.E., 2003. Küstenforschung sur le littoral de Basse Saxe — suggèrent que le niveau moyen des mers n’a jamais cessé de remonter, du moins dans les zones d’études concernées durant cette dernière période. D'après K.-E. Berhe, le facteur essentiel dans la modification du trait de côte de Basse Saxe est bien la fluctuation de la remontée du niveau marin et il présente (Fig. 23c) une reconstruction des variations du niveau maritime basée sur des observations archéologiques,

51 Noter que les coraux ont survécu à la remontée rapide du niveau de l’océan, y compris aux accélérations les plus fortes (3m/siècle !), rendant sans objet les craintes de voir mourir ceux des Maldives et autres récifs coralliens à cause de la remontée actuelle (20 cm à peine en 1 siècle). http://co2thetruth.e-monsite.com/rubrique,montee-des-mers,404968.html

- 130 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 24 : reconstruction des précipitations estivales à partir des cernes des variations avec la période de quasi 60 ans de arbres. l’AMO et de la PDO et de la NAO (voir Chp5.E.4, couplages océan-atmosphère). La courbe du niveau marin depuis 1992 (Fig. 23d) montre que l’élévation continue, autour d’une moyenne régulière sur cette période, mais avec des variations de pente du même ordre de grandeur que celles citées plus avant.

On a admis longtemps que 50% de

Fig. 23d : niveau de la mer depuis 1992. Fig. 25a-b : coupes NS de l’atmosphère après 1 siècle d’effet de Rouge Topex, vert et jaune Jason 1 puis 2, courbe serre (XX°), comparaison entre modèle et réalité : lissée à 60 jours en bleu a) le modèle de températures, GIEC 2007, Chp 9 Fig. 9f, sum of all forcings : (a) solar forcing, (b) volcanoes, (c) wellmixed greenhouse gases, (d) tropospheric and stratospheric ozone changes, (e) direct sulphate aerosol forcing.

http://sealevel.colorado.edu/

l’élévation du niveau des mers au cours du XX° siècle (période de recul maximum des glaciers) étaient dus à la dilatation thermique de l’océan et 50% dus à la fonte des glaciers (voir Eustatisme § E6). Donc, durant les décades plus froides, 1870-1920, 1945-1975, non marquées par une augmentation de la température (Fig. 17), l’essentiel du signal aurait dû correspondre au recul des glaciers. Mais alors, le recul ante-industriel des glaciers ou l’élévation du niveau marin durant ces épisodes froids se trouvait en contradiction avec la courbe des températures moyennes, stables voire b) les valeurs observées actuellement décroissantes pour ces périodes. On admet en 2012 que l’essentiel de la hausse du niveau marin serait causé par la fonte des glaciers (voir § E6). Cette remontée actuelle du niveau marin est bien sûr l’objet d’une forte inquiétude car elle risque d’induire des catastrophes et des déplacements massifs de populations. Il en fut ainsi l’hiver 2013- 2014 ou lors de l’évènement de « vimer » Xynthia qui endeuilla la façade maritime française en février 2010. Un vimer est une submersion marine liée à la conjonction d’évènements cycliques, des marées d’exception — les coefficients >110 sont des évènements pluriannuels classiques des équinoxes — avec des épisodes climatiques accidentels (mais bien sûr saisonniers) tels que des queues de cyclones qui U.S. Climate Change Science Program Synthesis and Assessment Product 1.1, Chp viennent mourir de ce côté de l’Atlantique ou des 5 p 116 tempêtes hivernales balayant l’ouest-européen. De telles dépressions engendrent une onde de tempête dont la le temps d’oublier. On comprend l’inquiétude des hauteur conduit à une surcote de l’onde de marée pouvant dépasser plusieurs mètres. La cote atteinte dans le cas de riverains, habitant parfois à des cotes NGF négatives, qui Xynthia, tempête + marée, a été de 7m à 7.3 m ZH (au- se voient devoir affronter un réchauffement risquant de se traduire par des décimètres, voire des mètres, de dessus du Zéro Hydrographique), soit une altitude de 3.5 à montée du niveau marin. 3.8 m NGF (Nivellement Général de la France). L’histoire locale des côtes basses en Europe rapporte 22 tempêtes Dernières inquiétudes liées à l’augmentation des dépassant force 10 sur l’échelle de Beaufort pour les 5 températures durant le XX° siècle, la fréquence et la derniers siècles, avec une fréquence variable, et donc hélas - 131 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

violence des cyclones — dont nous discuterons plus loin l’évolution Fig. 26a-2 : activité solaire (Total solar irradiance) et T° avec l’étude des océans (§D2), — et la sécheresse. moyenne de la surface de la Terre. On dispose de peu d’informations sur l’évolution historique de la pluviométrie en relation avec le climat. Deux sources indépendantes peuvent être évoquées : i) les modèles des climatologues considèrent maintenant que si les scenarios du GIEC se réalisaient, leur influence sur la pluviométrie serait sans doute plus importante en terme de modalité (périodes courtes de pluies intenses) qu’en terme de quantité ; ii) les travaux sur les cernes de croissance d’arbres en Europe, conduits par l’équipe de Ulf Büntgen et Willy Tegel, publiés en 2011 (Fig. 24) confirment qu’il n’y tirée de la figure 17 a pas eu de variations importantes de la pluviométrie depuis bonne » que le modèle complexe anthropique + naturel de 2500 ans malgré les différents changements de température. l’IPCC, qui rappelons le, prend en compte l’activité L’une des empreintes essentielles des GES sur la solaire (Fig. 20). La même coïncidence est observable température de l’atmosphère, prévue par les modèles et dans la figure 17 avec les courbes d’irradiance (bleu) et de considérée comme caractéristique, donc très recherchée, est durée des cycles solaires (vert). Cette publication ayant la présence d’un point chaud aux basses latitudes, à environ fait l’objet de plusieurs remarques, notamment sur le 10km d’altitude, que l’on nomme « tropospheric hotspot » choix de la courbe des anomalies de température prise en (Fig. 25a-b). Aucun point chaud n’a été observé et depuis référence, nous avons reporté cette courbe de l’activité 2007 la discussion fait rage : Les modèles de circulation solaire sur celle des anomalies de température du GIEC, globale sont-ils pris en défaut ? Les phénomènes extraite de la figure 17. On comparera ainsi les deux d’amplification de l’effet de serre sont-ils contrôlés par courbes (fig. 26a-2) et la position des points d’inflexion 1, d’autres variables que celles prises en compte, telles que la 2 et 3 des anomalies de température avec les inflexions de variation de la teneur en vapeur d’eau avec l’altitude par la courbe de l’activité solaire. La figure Fig. 26a-3 exemple ? Les relevés de température de la troposphère sont- rappelle que la courbe de teneur en CO 2 atmosphérique ne ils déficients ? Est-ce toute notre appréciation du principe se superpose que très imparfaitement à la courbe des même de l’effet de serre qui est à revoir ? anomalies de la température, et surtout ne montre aucune similitude dans ses inflexions. 5) Le rôle des radiations solaires. En l’absence d’une théorie explicative Les radiations solaires, UV, visibles et IR sont en fait convaincante de l’influence solaire, les modèles les plus le premier facteur qui régit le climat. Cette source d’énergie récents continue à minimiser l’influence solaire en face de n’est pas exactement constante, et il a été observé depuis le celle des GES et le rapport du GIEC 2007 considère que début du XX° siècle des covariations étroites entre l’activité « les variations de l’éclairement énergétique solaire ont magnétique du soleil et la fréquence des taches solaires. provoqué, depuis 1750, un léger forçage radiatif de + 0,12 Celles-ci sont d’ailleurs observées depuis plusieurs siècles et [+ 0,06 à + 0,30] W/m2, soit moins de la moitié de la les variations de leur nombre ont été mises en relation avec valeur estimée figurant dans le 3° Rapport du GIEC. un cycle d’activité de 11 ans environ. En fait, cette période Mais plusieurs astrophysiciens considèrent que le n’est pas exactement constante, et plus le soleil est actif (plus problème est mal posé, et que seule la partie haute énergie le nombre des taches augmente) plus la période de ce cycle du spectre UV du Soleil doit être prise en compte ; elle est se raccourcit, jusqu’à moins de 10 ans. Parmi plusieurs responsable de la fabrication de l’ozone et du chauffage tentatives menées depuis les années 90 pour évaluer l’incidence de l’activité solaire sur le climat terrestre, de la haute atmosphère, qui conditionne la structure thermique de l’atmosphère. Les variations de la retenons l’étude récente de W.H.S. Soon 2009 du Harvard- concentration d’ozone avec les cycles solaires pourraient Smithsonian Center for Astrophysics Cambridge, expliquer 20% de la variation de la température. Les Massachusett pour la période 1850-2000 (Fig. 26a-1). La données les plus récentes obtenues sur la tranche des 8 moyenne de l’activité solaire (courbe rouge), définie par premiers Km à partir des satellites et non les valeurs au l’intervalle entre deux maxima de taches solaires, coïncide avec la courbe noire de l’anomalie de la température de la sol, suggèrent qu’un découplage entre valeurs du CO2 région Arctique. Cette coïncidence est « presque aussi Fig. 26a-3 : CO 2 atmosphérique et anomalie de T° de l’atmosphère arctique. Fig. 26a-1 : activité solaire (Total Solar Irradiance) et Anomalie de T° de l’atmosphère arctique.

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Fig. 26b : cycle 24 de l’activité solaire. libérés participent en effet à la création de petits noyaux Le minimum d’activité solaire (fin du cycle 23) ayant tardé de condensation dans la vapeur d'H 2O. S’ils sont assez jusqu’en Mars 2009, le maximum du cycle 24 a été atteint nombreux, ces micronoyaux se regroupent en petits en mai 2013 avec un nombre de taches très inférieur au paquets et condensent la vapeur d'eau présente dans maximum enregistré en 2000 par le cycle 23 l'atmosphère, formant ainsi des gouttelettes d'eau. Les nuages se forment en effet par condensation de la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère. Ordinairement, pour que cette condensation se fasse, un peu comme la buée se forme sur une surface froide, il faut, outre le refroidissement de la parcelle d’air environnante, la présence de petites particules (aérosols). Les rayons cosmiques (galactiques) de haute énergie qui pénètrent dans l'atmosphère terrestre agissent donc comme des catalyseurs de cette réaction, mais ils sont plus ou moins déviés par les orages magnétiques engendrés lors des éruptions solaires. La variation de l’activité solaire, que traduit le http://www.swpc.noaa.gov/SolarCycle/index.html nombre des taches, accroît ou diminue l’intensité de son champ magnétique. Celui-ci constitue donc un bouclier atmosphérique et température est en train de se produire, d’efficacité variable, détournant plus ou moins de la Terre confirmant le rôle de l’activité solaire. D'après R. le rayonnement cosmique, modulant de ce fait l’action du Fairbridge , et selon I. R. G. Wilson, B. D. Carter et I. A. champ galactique sur la nucléation des nuages. Ont-ils Waite 2008 , ce sont les déplacements du Soleil autour du raison ? Cette hypothèse très controversée au départ, fait Barycentre de notre système qui sont à l'origine des l’objet de l’expérience Cloud 52 au CERN, débutée en variations de l'intensité et des durées des cycles éruptifs du 2010. soleil. Bien évidemment la position des deux géantes gazeuses, Jupiter et Saturne jouent un rôle prépondérant dans On retrouve cette anomalie du rapport 14 C/12 C le déplacement du Soleil. L’étude historique des cycles dans les organismes vivant (e.g. cernes d'arbre) chez qui solaires a montré la coïncidence de l’activité solaire elle constitue un proxi des minima solaires. Dans la figure minimale et de la durée maximale du cycle lors de leur 26c-haut, la correspondance entre forte intensité du alignement, correspondant à un déplacement maximum du rayonnement cosmique relevée par le proxi δ14 C et petit Soleil. L’affaiblissement du cycle 23 et le démarrage très nombre de taches solaires est remarquable. La durée de retardé du cycle 24 (Fig. 26b page précédente) sont vie des arbres en fait un indicateur de l'activité solaire conformes au modèle « SIM » (Solar Inertial Motion, globale sur quelques milliers d'années. La conférence mouvement inertiel du soleil) de R. Fairbridge. Celui-ci débat de Jean-Marie Malherbe à l'Académie des Sciences prédit une atténuation nette et progressive des cycles solaires du 19 Juin 2012, rappelle que selon Kasaba et Tokashima de 2010 à 2040. Faut-il en conclure, par opposition au (2005) figure 26c-bas on peut suspecter l'existence de modèle GIEC un refroidissement généralisé de la planète ? plusieurs minima, durant cette période : un vers 1050 (minimum de Oort) ; un second vers 1350 (minimum de Wolf) ; puis un vers 1500 (minimum de Spörer) ; et enfin Pour Enrik Svensmark (2007) et son équipe du vers 1700 et 1830, les minima de Maunder et Dalton. Centre national danois de l’espace (DNSC, Copenhague Inversement les auteurs discernent deux optima, médiéval http://cr0.izmiran.rssi.ru/mosc/main.htm ) la relation entre l’activité (vers 1200) et contemporain. Ce dernier est dénommé solaire et le réchauffement climatique réside dans Grand Maximum ou optimum moderne. l’interaction entre la formation des nuages de basse altitude, qui accroissent l’effet de serre (contrairement aux cirrus dont L'irradiance solaire est considérée comme le les paillettes de glace augmentent l’albédo de la planète) et le paramètre fondamental du climat, car elle conditionne rayonnement cosmique d’origine galactique. Plus celui-ci l'énergie reçue par la Terre. C’est donc « le » paramètre pénètre notre atmosphère et plus l’ionisation qu’il y produit intégré dans les modèles de réchauffement du climat. Au est favorable à la nucléation des gouttes d’eau. Les électrons cours du cycle solaire, sa variation autour de sa moyenne 14 Fig. 26c : activité solaire, rayons cosmiques et C (opposé des fluctuations) 52 La théorie de E. Svensmark reprend en fait le principe de la chambre à brouillard, premier appareil construit par les physiciens pour mettre en évidence les rayons cosmiques. Dans un récipient en verre contenant une atmosphère saturée de vapeur à la pression ambiante, on provoque détente. Celle-ci déplace le point de rosée, et un brouillard se forme. Les particules cosmiques qui traversent ce brouillard provoquent la formation de gouttelettes sur leur trajectoire. Le projet Cloud mettre en œuvre une vaste chambre remplie avec un mélange de gaz identique à celui de l'atmosphère. qui doit être bombardé avec des particules de haute énergie identiques à celles qui nous viennent de l'espace. - 133 - http://solaire.obspm.fr/images/documentation/InversionsBsolaire.pdf ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 26d : irradiance solaire et cycle solaire. Grand Minimum peut-il se traduire par une baisse significative des températures ? On voit combien l’approche du changement climatique est un problème complexe encore mal maîtrisé. Dans l’espace public, la crainte suscitée par la complexité

SBF = Steinhilber et al. (2009); WLS = Wang et al. (2005); MEA = Muscheler et scientifique du problème s’est vue renforcée par le débat al. (2007); VSK = Vieira et al. (2011); LBB = Lean et al. (1995). politique-écologique-médiatique qui a substitué à la https://www.ncdc.noaa.gov/global-warming/last-1000-years notion de changement celle de dérèglement, à l’analyse des risques le principe de précaution, véhiculant ainsi la de 1366 W m -2 est de 1 W m -2 seulement soit moins de peur d’un avenir devenu incertain et appelant à un retour à 1/1000 en valeur relative. Est-ce pour autant négligeable ? la règle. Quelle règle ? Quel état antérieur ? Le climat a La conférence débat de Jean-Marie Malherbe toujours été en cours de changement. Faut-il alors balayer rapporte que dès 1995, J. Lean, J. Beer et R.Bradley ont d’un revers notre capacité à nous nuire à nous-mêmes ? Le établi une corrélation étroite entre le nombre de taches par déstockage des combustibles fossiles est considérable. Il cycle et l'irradiance. Au cours des quatre derniers siècles, rend à l’atmosphère une partie du carbone lentement l’'irradiance solaire (Fig. 26d, courbe bleue et courbe lissée minéralisé durant les temps géologiques. Nous le rouge) suit globalement bien dans ses grandes lignes consommons de façon absurde, comme tout le reste l’alternance de séries de cycles à forte irradiance et de séries d’ailleurs, sans souci de l’épuisement de la ressource, sans de cycles à faible irradiance(courbe noire), vers 1900,-1880, réflexion sur l’impact de notre industrialisation de toute la vers 1820-1800 et surtout lors du grand minimum de planète sur le vivant, océanique en particulier car caché à Maunder 1700-1650, connu par les observations des nos yeux. L’adaptation et la mitigation devront venir astronomes du XVIIème siècle et par le comptage des épauler le développement soutenable. Quant-au aurores boréales. phantasme d’un retour à une atmosphère semblable à celle Dans le numéro spécial de Earth and Planetary d’avant la vie, éradiquant toute vie sur Terre, ne nous Sciences « Global Warming - Impacts and Future trompons pas de cible ; l’essentiel du CO 2 atmosphérique Perspective, » publié en 2012, S. Duhau résume les initial n’est pas stocké en charbon ou en pétrole, mais bien connaissances sur le fonctionnement du Soleil et son impact en calcaire (CaCO3, voir § F3), et il nous faudrait sur le climat dans le chapitre 7 « Solar Dynamo Transitions bétonner, et bétonner encore pour épuiser cette ressource as Drivers of Sudden Climate Changes ». Pour l’auteur, 4 carbonée et retourner à l’atmosphère primitive de la variables dans l’activité solaire sont à prendre en compte et Terre ! pas seulement l’irradiance totale (TSI, c’est la seule qui soit prise en compte par les modèles climatiques actuels) ; 2 - La stratosphère et la protection contre l’auteur fait intervenir aussi les éruptions solaire (SF, Solar les UV solaires Flares), en tant que producteurs de la partie la plus Elle s’étend jusque vers 50 km environ. L’air y est énergétique du spectre, les éjections de masse coronale de plus en plus raréfié. Elle est caractérisée par sa (CME) solaire et les variations du champ magnétique température croissante, qui augmente jusqu'à +20 °C coronal, dont le flux intervient dans la modulation du flux maximum . Les premières estimations de température de cosmique, évoqué plus avant avec les travaux de Svensmark. la stratosphère sont dues à A. Lindeman et G.M.B. Ces variables peuvent être décrites comme une fonction de la Dobson 1931 . Elles sont fondées sur l’observation de la variation des champs toroïdal — dont les taches sont l’expression et le nombre de taches traduit l’intensité au maximum brillance et la longueur des étoiles filantes, c’est à dire sur du cycle — et poloïdal — dont l’intensité du champ est la seule la vaporisation des météorites par frottement et présente au minimum du cycle, lorsque le nombre des taches est l’excitation résultante des molécules stratosphériques. faible ou nul — qui conduisent à 3 situations : un Lindeman et Dobson en déduisirent la densité et la fonctionnement ordinaire avec des cycles solaire dont température de la stratosphère. l’intensité est moyenne, et deux phases opposées, l’une correspondant à un minimum d’activité (type minimum de a - Cycle de Chapman Maunder) et l’autre à une activité maximum des cycles Dès 1930, S. Chapman suppose que solaires. 1924 constitue la date de démarrage du dernier l’augmentation de la température dans la stratosphère est grand maximum, qui a atteint à la fin du XX° siècle sa plus liée à la production de l’ozone par photodissociation de haute activité depuis 400 ans, la sortie du minimum de l’oxygène sous l’effet des UV solaires (Fig. 27a, lire MC - Maunder. L’affaiblissement du cycle 23 par rapport aux Atm - Photolyse - Bantegnie.htm ). La concentration en ozone précédents et le mode de transition du cycle 23 au cycle 24 est maximum entre 12 et 25 Km (Fig.27b, page suivante sont comparables aux débuts des Grands Minimums précédents, augurant d’une période de très faible activité Fig. 27a : cycle de Chapman, production-destruction solaire pour les cycles solaires à venir. Le début du cycle 24 de l’O 3. est conforme à une telle prévision. Dans la mesure où, dans la période préindustrielle, la sortie du minimum de Maunder s’est accompagnée d’une hausse moyenne des températures estimée à 0.5°C et par comparaison à la hausse de 0.8°C durant le Grand Maximum moderne, contemporaine de l’accroissement important de GES dans l’atmosphère, deux questions se posent. Le Grand Maximum solaire explique-t-il plus de 50% du réchauffement observé ? Le retour vers un

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ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 27b : Anomalie de la couche d’ozone courbe bleue ( 3 ) O3 +O ⇒ O2 + O 2 structure verticale de la colonne d’O3 moyenne pour les En second lieu il peut être dissocié par des UV plus mois de septembre- λ octobre pour la longs ( <310nm) que ceux qui provoquent période 1963- la dissociation de l'O 2 : ν ⇒ 1 1979). Elle est O3 + h O2 +O ( D) ( 3 ) quasi nulle dans la L’oxygène monoatomique O( 1D) produit dans cette troposphère. réaction est très excité et joue un rôle ultérieur sur la L’épaisseur de la stabilité de l’ozone, à travers celle des constituants couche d’ozone minoritaires de la stratosphère, H2O, NO2 en particulier. pur que l’on Il est en effet beaucoup plus réactif que l'oxygène normal pourrait former au repos O( 3P). avec ce gaz est de 2.5 mm ! Son rôle En troisième lieu, certains des constituants minoritaires de n’en est pas moins l'atmosphère interviennent naturellement à travers un fondamental dans cycle catalytique de destruction de l’ozone, que l'on la protection de la peut schématiser comme suit: vie non aquatique ⇒ puisque comme X +O 3 XO +O 2 http://www.esrl.noaa.gov/gmd/dv/spo_oz/ ⇒ nous allons le voir, XO +O X +O 2 sa production absorbe une part essentielle des UV à haute énergie du spectre solaire. a) L'hydrogène monoatomique et le radical hydroxyle , H et OH , qui interviennent dans ce cycle comme La production de l’ozone dans l’atmosphère est suit, assurée par la photodissociation du dioxygène O 2 sous H +O 3 ⇒ OH +O 2 l’effet des UV courts . Ce mécanisme est double : ( 4 ) OH +O ⇒ H +O 2 1) faible dissociation dans la mésosphère en dessous de 85 km par absorption d'UV de longueurs d'ondes H et OH ne sont pas produits dans la comprises entre 175 et 200 nm ; stratosphère, par photodissociation de l'eau 2) forte dissociation dans la stratosphère au-dessous de 50 comme dans la mésosphère, mais par des km par absorption d'UV de longueurs d'ondes réactions avec l'oxygène excité O( 1D) : comprises entre 200 et 240 nm. l'hydrogène diatomique, 1 (4a) O( D) + H 2 ⇒ OH + H Après cette réaction de dissociation, l'eau, 1 ( 1 ) O2 + h ν ⇒ O +O (4b) O( D) + H 2O ⇒ OH + OH deux cas sont possibles: le méthane 1 (4c) O( D) + CH 4 ⇒ OH + CH 3 1 - soit une recombinaison en présence d’une tierce Les réactions (4a) et (4b) ne peuvent pas être molécule M (N 2, O 2 ou particule solide), significativement renforcées par l'activité humaine. ( 1' ) O +O (+M) ⇒ O2 +M, {réaction qui a lieu surtout à haute altitude ( ≥70Km) En effet, la teneur en eau de la stratosphère est d'une part extrêmement basse, et d'autre part en équilibre 2 - soit la formation d’ozone avec celle de la troposphère. Or celle-ci ne peut ( 2 ) O +O 2 (+M) ⇒ O3 +M. évoluer de manière importante car l'air terrestre est La molécule M sert à absorber l’énergie de vibration de la quasiment saturé en eau. Seule la destruction du méthane (4c) peut donc évoluer réellement molécule formée, liée à l’association O+O ou O+O 2. Le maximum de photodissociation de l’oxygène à lieu vers 25 négativement dans le futur. km d’altitude, et se traduit par un maximum de concentration en ozone, également dans la stratosphère. On a constaté que b) Le monoxyde d'azote, NO , qui intervient aussi de la la quantité d'ozone stratosphérique se conforme aux même manière dans le cycle suivant variations du rayonnement solaire liées à la latitude ou à la ⇒ saison, mais avec des décalages très importants. Ainsi, sa NO +O 3 NO 2 +O 2 concentration est maximum au printemps et minimum en ( 5 ) NO 2 +O ⇒ NO +O 2 automne, et son abondance est supérieure aux hautes latitudes par rapport à celle des basses latitudes. Ceci trouve son origine encore dans une réaction de démontre que l'ozone est instable, mais que les réactions l'oxygène excité O( 1D) avec de l’hémioxyde chimiques de destruction sont relativement lentes, en tout cas d’azote N 2O; deux réactions sont possibles: par rapport au transport atmosphérique dans la basse réaction productrice de NO stratosphère. 1 (5a) O( D) + N2O ⇒ NO + NO b - Quatre types de réactions rendent réaction non productrice de NO 1 O( D) + N 2O ⇒ N2 + O 2 l'ozone formé instable: Cette dernière réaction n'alimente pas le cycle, et En premier lieu il peut être simplement recombiné à au contraire en diminue l'efficacité. Compte tenu l’oxygène atomique de l'abondance des produits azotés dans

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l'atmosphère, le cycle (5) pourrait s'avérer Bien que l'acide chlorhydrique formé ici soit extrêmement destructeur s'il n'existait des réactions instable et réagisse avec les hydroxyles (1 OH parasites qui attaquent le NO 2 formé dans ce cycle: consommé restituant 1 Cl) dans la réaction

(5b) i) NO 2 + hν(λ<240nm) ⇒ NO + O HCl + OH ⇒ H2O + Cl ⇒ Et O + O2 O3 De la même façon que l'acide nitrique dans le cycle cette photodissociation très rapide du azoté, HCl constitue un puits troposphérique pour les dioxyde mène donc finalement à la régénération produits chlorés de la stratosphère, en se solubilisant de l'ozone. C'est le même phénomène qui dans l'eau après avoir traversé la tropopause. La provoque la production d'ozone troposphérique consommation de CH 4 est doublement intéressante irritant pour nos bronches dans les régions car, outre le fait qu'il s'agit d'un GES redoutable, le polluées, par les gaz d'échappement en particulier. méthane intervient aussi dans la production

(5c) ii) NO 2 + H + (M) → M + HNO 3 d'hydroxyles dans le cycle (4c). L'acide nitrique produit de cette manière est un Les halocarbones sont des composés composé abondant de la stratosphère. Mais il est remarquablement stables dans la basse atmosphère, soluble dans l'eau et gagne la troposphère avec elle ce qui leur a conféré un intérêt industriel tout en franchissant la tropopause. Sa solubilisation particulier. En contrepartie, ils ne sont pas détruits régule ainsi sa concentration (constante) dans la dans la troposphère par des réactions chimiques, et stratosphère. finissent par gagner la stratosphère, où ils sont photodissociés et où ils libèrent les atomes de chlore La production de l'hémioxyde N 2O est donc une clef qui attaquent l’ozone (6). Un seul produit essentielle de la destruction de l'ozone ; N 2O présente halocarboné est naturel, le chlorure de méthyle, une double origine: CH3Cl ; d’origine naturelle marine, il est aussi certainement un constituant de la fumée qui apparaît

i) il peut être produit en altitude par la combustion lors de la combustion des végétaux, qu'il s'agisse du de l'azote diatomique avec l'oxygène, N2+2O2 à brûlage des terres, de l'essartage des forêts ou de la très haute Température, naturellement sous l'effet culture sur brûlis, mais aussi de la combustion de de la foudre, et artificiellement dans les réacteurs produits chlorés (polyvinyles). Tous les autres des avions volant à très haute altitude; composés halogénés présents dans l'atmosphère ii) l’azote de l’air est transformé dans le sol en terrestre sont des produits industriels , citons le nitrates, dont une partie donne lieu (action de tétrachlorure de carbone, CCl4, et parmi les fréons, bactéries dénitrifiantes) à des produits gazeux, N 2 le trichlorofluorométhane CFCl3 (Fréon 11) et le et N 2O, qui s’échappent dans l’atmosphère. dichlorodifluorométhane, CF2Cl2 (Fréon 12), gaz Comme la durée de vie de ce dernier composé est propulseurs et/ou réfrigérants. La production suffisamment longue dans la troposphère, il atteint annuelle de CFCl3 est passée de 1 000 T. en 1947 à la stratosphère où, avant d’être photodissocié en 35 000 T. en 1957, puis 150 000 T en 1967 et 310 N2 et O, il réagit en présence d'oxygène excité 000 en 1989 … imposant, dès lors que des solutions O( 1D) suivant le processus (5a) pour produire du techniques de remplacement étaient trouvées, une monoxyde d’azote. réflexion mondiale sur leur utilisation ; rappelons :

V Vienne 1985 : Engagement des Etats parties à En quatrième lieu, certains composés naturellement rares, les protéger la couche d’ozone et à coopérer composés halogénés 53 ont été introduits massivement scientifiquement afin d’améliorer la dans l'atmosphère par l'homme, sous forme de compréhension des processus atmosphériques. halocarbones, les CFC . Ils interviennent tous de la même V Montréal 1987 : interdiction de la production et manière que le chlore, pris en exemple: l’utilisation des CFC d’ici à l’an 2000. Londres ⇒ Cl +O 3 ClO +O 2 1990 : les Etats s’engage dans un renforcement ( 6 ) ClO +O ⇒ Cl +O 2 progressif de la protection de la couche d'ozone. V Copenhague 1992, Vienne 1995, 1997 et Pékin Mais ClO est instable et réagit avec le monoxyde 1999 :) 4 amendements apportant de nouvelles d'azote, ce qui réduit d'autant les processus de restrictions d’usage sur d’autres substances (e.g. destruction de l'ozone HCFC).

ClO + NO ⇒ Cl + NO 2 Certes, Cl est rendu au cycle catalytique, mais 1 NO c – Impact des SAO est consommé en échange, et NO2 rentre dans les La consommation des SAO dans le monde est en réactions positives (5b) et (5c ). très forte régression (Lire MC - Atm - Ozone - Montreal - Puyau.htm ). Il est difficile d’établir le bilan global sur l’effet Parmi les réactions qui limitent l'efficacité des cycles de destruction de l'ozone par les composés de serre des effets cumulés de la destruction d’O 3 (qui halogénés, on citera l'intervention du méthane sur le compte au nombre des GES) par les halocarbures et autres chlore: substances anti ozone (SAO) et du forçage radiatif induit par ces mêmes substances, dont les raies d’absorption sont Cl + CH 4 ⇒ CH 3 + HCl observables dans les fenêtres 8-9 et 10-14 µm que nous avons définies plus avant (Fig. 5a page 103) et dans la

figure 27c. A la complexité chimique du cycle de l’Ozone 53 à base de fluor (F), chlore (Cl), iode (I) et brome (Br). - 136 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

Fig. 27c : raies d’absorption des SAO et de l’O 3 dans la stabilité d’un vortex au-dessus de l’Arctique. Quant-à stratosphère l’origine de cette anomalie automnale dans la colonne d’ozone, la bonne connaissance du cycle de Chapman fit rapidement suspecter les CFCs, bien que produits et utilisés principalement dans l’hémisphère nord. La grande réactivité de l’industrie des aérosols — rapidement prête à mettre avec avantage sur le marché un gaz propulseur sans Chlore dans nos bombes et des fluides caloriporteurs dans la plupart des installations réfrigérantes ou climatisations — a fait disparaître très vite la pollution par le Fréon ! On observe actuellement (e.g. P. J. Nair et al. 2013 et Fig.27d) que depuis 1997 la couche d’ozone se restaure. Non seulement le processus est lent, mais il est de plus irrégulier, en raison de la variabilité interannuelle des conditions météorologiques sur l'Antarctique. Plus l’hiver précédent aura été rigoureux, plus l’abondance de nuages de glace aura été favorisée, augmentant corrélativement la s’ajoute une complexité de stockage. quantité de composés chlorés ou bromés. On peut alors

L’O 3 est produite essentiellement en haute altitude assister à de fortes rechutes, comme en 2001 (Fig.27b), sous les basses latitudes et elle rejoint ensuite les hautes 2006, ou comme en 2015, où la taille du trou d'ozone a latitudes où elle reste piégée dans le vortex polaire. En effet, atteint 28.2 106 km2, soit le troisième plus grand trou durant l’hiver, l’atmosphère du pôle s’organise en d'ozone enregistré. Cette année, la quantité moyenne tourbillon (vortex) tropo- et stratosphérique. Au pôle Sud, ce d'ozone mesurée par un instrument Dobson au Pôle Sud vortex est situé au-dessus du continent Antarctique englacé dans la seconde moitié d'Octobre était de 114 unités (et donc morphologiquement homogène) et entouré par le Dobson (DU), ou 60% en dessous des conditions pré trous courant marin circulaire d’ouest. Lire MC - Atm - Vortex d’ozone. La moyenne des niveaux d'ozone mesurés entre Antarctique - Ozone - Puyau.htm . Il en résulte que, en Antarctique, 15 et 31 octobre entre ~ 13 et 21 km est un indicateur de le vortex est bien centré au niveau du pôle sud et qu’il y est l’apparition d'un "trou d'ozone" lors du printemps austral généralement très stable. suivant. Le seuil se situe à l'épaisseur minimum de 220 DU (voir fig. 27d). Parallèlement à l’O 3, Les CFCs, anthropiques, très stables, migrent aussi vers la stratosphère. Le vortex polaire Néanmoins la restauration de la colonne d’O3 en Antarctique aide à les piéger au-dessus de l’antarctique, au dessous de 30 km d’altitude s’effectue globalement sur à sein de nuages de glace, sous forme cristaux qui offrent des un rythme plus rapide que celui induit par la seule surfaces de contact aux CFCs. Au printemps, après le lever diminution des SAO, suggérant que d’autres mécanismes du soleil, leur décomposition par les UV solaires libère le interviennent en basse altitude. En particulier, l’abondance chlore, catalyseur de la destruction de l’ozone. Il en résulte des GES dans la stratosphère, qui engendrent un que la concentration en O3 est maximale en fin d’hiver et abaissement de la température à cette altitude et pourraient passe par un minimum en automne, variable d’une année à donc d’une part favoriser le stockage des SAO en hiver, et l’autre. inversement être un facteur de ralentissement des Avec la spectrophotomètrie Dobson née en 1958, Fig. 27d : Anomalie de la couche d’ozone commence en 1963 la mesure de la conne d’ozone en Antarctique. Le « trou d’ozone » y a été découvert par le - en haut, moyenne mondiale, corrigée des variations British Antarctic Survey à partir des données de la station saisonnières, exprimées en % de la moyenne pour la période 1964 – de la Baie de Halley pour la période 1981-1983. Les 1980 : mesures terrestres (ligne noire) et satellite (couleur) ; valeurs automnales de cette période étaient devenues très - en bas, mesures moyennes de l’épaisseur de la couche inférieures aux valeurs automnales de la période antérieure d’ozone en octobre, spectrophotométrie faite en Antarctique. (avant 1980). Ce rapport des valeurs mesurées durant les mois de septembre et octobre à la moyenne des mêmes mois pour les années 1963-1979 définit l’Ozone Depleting Gas Index (ODGI). Dans les années 85-90, les mesures montrèrent que, si le minimum automnal moyen mondial ne dépassait pas quelques % relatif (Fig. 27d en haut), il atteignait 30 à 40% au pôle Sud (Fig. 27d en bas). Dans la figure 27b, la comparaison des profil verticaux bleu (correspondant à la moyenne septembre-octobre des années antérieures à 1980) et (établi pour les mêmes mois de 1986) montre que la dépression en O3 se situe se situe en miroir, à l’altitude du maximum d’ozone en condition automnales antérieure à 1980. C’est donc bien la destruction catalysée de l’ozone qui est en cause. Dobson Unit (DU). la colonne (d'ozone) est présumée pure, à pression normale A l’inverse de la région Antarctique, le pôle Nord (1013.15 hPa) et à 0° C (273.15 K). La densité de la couche est exprimée en était épargné par le phénomène La raison de cette milli-centimètre (10 -5m). différence réside dans l’impermanence et la moindre 300 DU correspondent à une épaisseur de couche de 3 mm, http://www.ipcc.ch/; http://www.cactus2000.de/fr/unit/massozo.shtml; - 137 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 réactions de destruction de l’ozone en Fig. 28a : nuage noctilucte été. Comme le rappelle S. Godin Beekmann (Variability in Antarctic ozone loss in the last decade 2004– 2013) dans Le Monde, l’augmentation de concentration d’ozone dans la haute stratosphère, relevée ces dernières années dans certaines régions, doit être attribuée pour moitié à la réduction des substances chlorées et bromées, et pour moitié à l’accumulation des gaz à effet de serre ». Il convient enfin de souligner que la destruction des SAO dispersés dans l’atmosphère est constitués de débris météoritiques ou de poussières plus lente que prévu. Leur aurait-on imputé une réactivité cométaires, et/ou de poussières volcaniques. En effet, on a excessive, ou bien le poids volumique des CFC les entraîne-il pu observer à maintes reprises lors des éruptions à moins que prévu vers la stratosphère, rendant leur éradication caractère explosif, éruptions pliniennes ou moins performante ? Aurait-on omis quelque molécule dans 54 le panel des SAO ? Il convient, on le voit, de rester prudent à ignimbritiques , que les éléments fins de la colonne de cet égard. La taille du trou autour du pôle dans la couche produits volcaniques peuvent atteindre plusieurs dizaines de Km d’altitude 55 . En incorporant de l’air froid qui se d’ozone reste une préoccupation de santé publique sous les dilate, les mouvements convectifs internes au panache hautes latitudes sud, Chili, Argentine, Nouvelle Zélande en entretiennent l’ascension des matériaux volcaniques. Ils particulier, même si l’on peut espérer un retour à la normale d’ici moins d’un siècle. atteignent ainsi aisément la stratosphère . A partir de là, une petite fraction de poussière pourrait rejoindre la Faudra-t-il (et pourra-t-on ?) appliquer la même mésosphère pour y former les nuages noctiluques. politique contraignante avec les NO dont nous avons 2 Avec la dispersion du nuage dans la stratosphère souligné la nocivité ? les éruptions peuvent provoquer une diminution de l’insolation qui peut être à l’échelle planétaire mais qui 3 - La mésosphère ne dépasse pas quelques mois (Tambora 1815, On lit souvent que cette région de l’atmosphère est Krakatoa 1883, El Chichon 1982, Pinatubo juin 1991 ). assez mal connue. Cela est dû au fait qu’elle se situe entre le La dispersion du nuage volcanique est aussi responsable domaine d’action des avions classiques qui ne peuvent de l’introduction d’aérosols (composés soufrés en l’atteindre, et celui des orbites des satellite artificiel. Seules particulier) dans la stratosphère. Leur rôle climatique est des fusées-sondes peuvent fournir des données sur la encore largement discuté (Fig. 28b, Brian J. et al. Global mésosphère. Sa connaissance de remonte aux années 50. On Cooling After the Eruption of Mount Pinatubo, page y a appliqué une méthode d’étude comparable à celle que suivante). Lindeman et Dobson utilisèrent pour la stratosphère, en Enfin la mésosphère est le siège de phénomènes mettant au point le suivi radar de billes lâchées à haute lumineux dits éphémères, qui durent quelques secondes et altitude par fusées. L’analyse de leur trajectoire permet de seraient provoqués par le bombardement du rayonnement remonter à la densité de l’air et à sa température aux altitudes cosmique. considérées. La température décroît rapidement avec l’altitude. Vers 80 km, elle atteint -140°C (Fig. 2 page 100). C’est la couche la plus froide de notre atmosphère. Relativement dense, c’est dans cette région que brûlent la 54 plupart des météorites, qui deviennent alors nos étoiles La distinction entre les 2 types d’éruptions ne réside pas filantes vues depuis le sol. dans la nature du matériau, essentiellement rhyolitique (composition d’un granite), mais dans le mode de Au-dessous de 85 km, la mésosphère, est encore le dissipation de l’énergie : siège de la photodissociation de O 2, surtout par absorption 1 - dans une éruption plinienne, en colonne, la plus entre 200 et 175 nm. Les oxygènes monoatomiques grande partie de l’énergie est dissipée dans une s'associent alors à de l'O 2 pour former de l'ozone, mais en explosion initiale canalisée par un conduit étroit (Ø < quantité très inférieure à l'ozone stratosphérique. 200m). Les vitesses d’émission peuvent atteindre La mésosphère est aussi le lieu de la photodissociation 300m sec -1 de H 2O et de CH 4, toujours par des UV courts ( λ<200 nm): 2 - dans le cas d’une éruption ignimbritique, la nuée ardente présente à l'émission une densité supérieure à ν H2O + h ⇒ OH +H ou O +H 2; celle de l'air ambiant. Mais elle incorpore en dévalant

CH 4 + h ν ⇒ CH 2 + H 2 les pentes du volcan une quantité importante d’air ambiant (froid) qui se dilate, conduisant le mélange Cette région de l’atmosphère est en outre le siège des vers une densité inférieure à la densité de l’air nuages noctiluques (Fig. 28a). La nature de ces nuages, ambiant. Le panache volcanique peut alors s'élever, observables seulement après le coucher du soleil, n’est pas mais contrairement à celui d'une éruption plinienne, encore bien connue. Il ne s’agit probablement pas de nuages celui d’une ignimbrite prend naissance au front de la de glace, car la quantité de vapeur d’eau disponible à cette coulée et non au droit de la bouche d’émission. altitude est très faible. Ils seraient plus probablement 55 éléments fins = poussières, cendres et ponces, aérosols. - 138 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

Fig 28b : persistance du SO 2 après éruption volcanique. C - Stratification électromagnétique de 6 Eruption du Pinatubo, 1991 : 15 10 T de SO 2 injectées dans la l'atmosphère : stratosphère, transformées en gouttelettes de H 2SO 4 absorbent (en rouge) l’énergie solaire ; durée du phénomène, 2ans. On distingue communément 3 strates : 1 - neutrosphère ; 2 - ionosphère ; 3 - magnétosphère

1 - La neutrosphère et l’ionosphère Lire MC - Atm - Ionosphere - Elkassir.htm . Il aura fallu attendre 1901 et les expériences de transmissions radio à longue distance de G. Marconi pour déceler l’existence de couches conductrices dans l’atmosphère. Comment l’onde radio pouvait-elle suivre la courbure terrestre ? O Hearside émit l’hypothèse que les ondes devaient être guidées entre l’océan d’une part et une couche suffisamment conductrice dans l’atmosphère pour les piéger d’autre part. L’air des 70 premiers Km de l’atmosphère n’est pas conducteur, on appelle cette couche basse la neutrosphère. Au-delà commence l’ionosphère. A cette altitude la quantité d’ions et d’électrons libres arrachés par les UV courts et le rayonnement X solaire est suffisante pour rendre l’atmosphère 4 - La thermosphère conductrice. Dans le champ d’une onde radio, les Au- Au-delà de la mésopause débute la thermosphère électrons oscillent et réémettent cette onde. La densité (Fig. 2). Elle s’étend jusqu’aux confins de l’exosphère, vers croissante d’électrons avec l’altitude a pour effet 500 Km (cf. § composition de l’atmosphère). L’air, quoique d’incurver, et finalement de réfléchir cette onde radio vers raréfié, freine malgré tout les satellites. C’est d’ailleurs la Terre. En fait l’augmentation de la “ concentration ” l’analyse de leurs trajectoires qui a permis, dès le début des électronique n’est pas linéaire. Elle passe par 3 maxima, sixties, de mieux connaître cette région de notre globe. qui constituent 3 réflecteurs radios (Fig. 2) : Au-delà de 100-150 km d'altitude, les rayons X et les 1 - la région D , située vers 80-90 Km d’altitude 2 - la région E , située aux alentours de 100 Km UVs solaire très courts ( λ entre 100 et 150 nm) sont presque 3 - les régions F1 et F2 , situées vers 180 et 350 Km. tous arrêtés, dissociant systématiquement l'oxygène moléculaire (O 2) : Dans l’ionosphère, l’atmosphère n’est que très partiellement ionisée, et les phénomènes qui s’y passent O2 + h ν ⇒ O + O; sont encore largement du domaine de la physico-chimie Plus l’altitude est élevée, moins les molécules lourdes des espèces neutres. sont abondantes. Ainsi, alors que l’azote moléculaire (masse atomique N 2 = 2*14.0067 u), très peu réactif et donc non 2 - La magnétosphère dissocié, reste majoritaire jusqu’à 200 km environ, l’oxygène atomique (masse atomique O = 15,9994 u) devient ensuite le Lire MC - Atm - Magnetosphere - Elkassir.htm . La limite constituant principal de la très haute atmosphère. Celle-ci est entre l’ionosphère et la magnétosphère se situe autour du alors un brouet très clair mélange d’oxydes d’azote , de millier de Km. A cette très haute altitude, l’atmosphère est molécules diatomiques , N 2, O 2, H 2, et d’ atomes , très fortement ionisée et l’on entre dans le domaine du principalement d’oxygène et quelques hydrogènes. Elle est le plasma. Il s’agit d’un plasma à faible densité composé siège des aurores polaires . d’électrons et d’ions, dont l’origine est double : La température des molécules et atomes y croît très 1 - une partie de ce plasma d’origine terrestre, est dite fortement, par absorption des UV très courts. Elle peut ionosphérique ; rappelons que cette altitude atteindre 2000°C au zénith , et chuter de plus de 500° durant nous situe dans l’exosphère, sous l’influence des la nuit ! Toutefois, la densité du gaz y est si faible que la X et UV solaire qui transforment les molécules chaleur transmise aux satellites est négligeable. atmosphériques en ions plus électrons ; 2 - une partie de ce plasma provient de la capture de Au voisinage de l’exosphère, il semblerait exister un particules du vent solaire par le champ début de stratification par densité des gaz atmosphériques qui magnétique terrestre au niveau de la ne sont plus brassés par aucun vent. magnétopause, qui correspond à la région de reconnexion des champs magnétiques solaires et terrestres, (Chp. 3 Fig. 27). Les particules de vent solaire qui se déplacent dans l’ionosphère subissent l’influence du champ magnétique terrestre, qui est nord-sud. Par conséquent, Les électrons - 139 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 29 : courants magnétosphériques. freinés, et l’intensité du courant correspondant est beaucoup moins forte. C’est le même phénomène qui piège des électrons et des protons à très haute énergie, sur deux ceintures situées à une distance de 1 rayon terrestre pour la première, et 3 à 5 rayons terrestres pour la seconde. Alignés sur des lignes du champ magnétique (dipolaire) quasi non déformé par le vent solaire, ces particules rebondissent entre pôle Nord et pôle Sud. Cette zone reconnue en 1958 par le satellite Explorer I porte le nom de son découvreur, J.A. Van Allen . Lire MC - Atm - Van Allen - Elkassir.htm . Le champ magnétique issu de la couronne solaire est constamment variable en intensité et en direction, ce qui rend la reconnexion instable, souvent complexe mais parfois aisée, lorsque les lignes du champ solaire sont orientées nord-sud, comme les lignes du champ terrestre. Les aurores polaires (quasi symétriques, Fig. 30a) apparaissent lors de captures abondantes de particules de vent solaire. Des flots d’électrons pénètrent alors du plasma solaire sont déviés dans vers l’est et l’ionosphère et descendent plus bas dans l’atmosphère inversement, les ions positifs sont déviés vers l’ouest . Ils plus dense de la Terre alors qu’ils ne le devraient pas. Il vont rejoindre le feuillet de plasma de la queue semble que dans ces conditions, un champ électrique magnétosphérique (Chp. 3 fig. 27, fig. 29 ci dessus). particulier se met en place au-dessus de l’ionosphère. Ce Deux types de courants électriques prennent naissance champ temporaire accélère les électrons qui parviennent avec cette capture (fig. 29): ainsi jusqu’à la haute atmosphère, et qui y déclenchent 1 - un courant ouest-est dans le feuillet de plasma du plan une avalanche d’ionisations d’atomes et de dissociations équatorial magnétique ; moléculaires. Les couleurs vert-bleu et rose ou pourpre 2 - un courant aligné sur les lignes du champ sont dues aux désexcitations respectives des oxygènes magnétique terrestre (électrons spiralant autour des atomique et moléculaire (Fig. 30b), et de l’azote lignes de champ), passant par le vortex, qui rejoint ainsi (Fig. 30c). Les draperies prennent naissance dans la l’ionosphère proche de la surface terrestre au niveau de mésosphère, mais peuvent descendre jusqu’au voisinage l’ovale auroral. du sol, (de l’ordre du Km). Fig. 30a : ovales polaires Les électrons spiralant autour des D - Circulation de l'atmosphère lignes de champ décrivent un La circulation atmosphérique (et océanique) mouvement en exprime le transfert convectif de chaleur dans la machine hélice dont le pas Terre, depuis la source chaude équatoriale vers la source diminue avec froide polaire. Le premier à expliquer la constance des l’augmentation de alizés et des vents d'ouest fut G. Hadley , 1735 ; pour lui, l’intensité du champ la région équatoriale étant plus ensoleillée que les pôles, en se rapprochant de les vents réguliers devaient transporter de la chaleur vers la surface de la les pôles, et inversement du froid vers l'équateur. Fig. 30b-c : draperies vertes et pourpres Terre. Le pas de l’hélice finit par Si la Terre n'était pas en rotation, ce transfert serait s’annuler, puis il effectué par une seule cellule de convection. Mais la force s’inverse, de Coriolis défléchit les vents, qui deviennent conduisant géostrophiques vers 30° de latitude (cf. § suivant) et se l’électron à rebondir sont finalement trois cellules qui prennent les calories en en quelque sorte en charge (Fig. 31). suivant la ligne de Fig. 31 : circulation atmosphérique. champ pour rejoindre la magnétopause en direction du pôle magnétique opposé. En temps ordinaire, le pas devient nul au-dessus de l’ionosphère. Les protons, plus massiques, sont beaucoup plus

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1 - Force de Coriolis et formes de la baignoire). Pour l’océan ou l’atmosphère, les courants sont déviés vers la droite (horaires) en Lire MC - Atm_Ocean - Coriolis - Belkatir Grizard Hamelin & hémisphère nord et vers la gauche (antihoraires) en Saifane.htm . A priori nord-sud ou sud-nord, selon hémisphère sud. l’hémisphère) les alizés sont en fait déviés vers l’ouest. En effet, à la surface de la Terre, tout mouvement des Si l'on s'intéresse à la variation de la vitesse longitudinale de la surface de la Terre avec la latitude, de masses fluides est influencé par la rotation de la Terre, ce (1) on tire phénomène est appelé force de Coriolis F. φ ω φ Supposons une masse au repos par rapport à la Terre, dV L/d = -2 R.Sin située en un point « quelconque » de l'hémisphère nord, de La variation de la vitesse longitudinale est donc nulle à latitude φ (Fig. 32). l'équateur, et elle est maximum au pôle. Ce n’est donc La Terre tournant avec une vitesse angulaire qu’à partir des latitudes moyennes que la force de Coriolis ω = 2Π rad / 24h, la masse considérée est en fait animée jouera son rôle le plus important, tant sur les masses d'une vitesse longitudinale vL qui est la vitesse de rotation de océaniques que sur les masses d’air en mouvement. la surface de la Terre (de rayon R), à la latitude φ considérée, on a 2 - Cellule de Hadley, ITCZ et cyclones vL = 2 ωR Cos φ (1) A l'équateur, le fort ensoleillement entraîne une Si, à partir du temps t 0, on déplace cette masse m vers émission importante d'IR terrestres (en milieu continental le nord dans le plan méridien du temps t 0 sans exercer de ou océanique), qui provoque à son tour un abaissement de frottement, à la vitesse v m: la densité de l'air (1.30 Kg /m 3 à 20°c ; 1.22 Kg /m 3 à 1 - elle conserve la vitesse longitudinale v L de son point de 40°c). Les variations de densité observées suffisent à départ; engendrer des vitesses ascensionnelles de l'ordre du m.s -1. 2 - au temps t = t 0 +dt elle a parcouru une distance Continuellement alimentée en air venu du nord et du sud longitudinale cette région est dénommée Zone de Convergence L = VL.dt = 2ωR Cos φ.dt InterTropicale (ITCZ, Fig. 44 §E.3.c, p ; 146 ). Le et une distance en latitude l = v m.dt; refroidissement de l'air au cours de son ascension 3 - à cette nouvelle latitude φ+ dφ, la vitesse longitudinale provoque sa condensation, et explique la forte nébulosité VL' de la surface terrestre, est et pluviosité de cette région aux grains violents mais sans vent régulier, cauchemar des marins anglais vL' = 2 ωR Cos (φ + dφ), (« Doldrums ») et dénommée Pot au noir dans l'Atlantique VL’ est inférieure à V L la vitesse longitudinale initiale; par les marins français. La libération de la chaleur latente et donc la masse m paraît avoir été déviée de sa trajectoire liée à cette condensation augmente le contraste de méridienne, vers l'est dans l'hémisphère nord et vers l'ouest température entre cette colonne montante et son dans l'hémisphère sud (on parle de force cum sole). environnement, ce qui augmente sa vitesse ascensionnelle -1 Pour toute masse m, animée d'un vecteur vitesse non (jusqu'à plusieurs m.s ), et cet air initialement chaud et méridien, la force de Coriolis s'appliquera sur sa composante humide s'élève ainsi rapidement jusqu'au sommet dilaté de méridienne ; elle est généralement exprimée sous la forme la troposphère (17-18 km).L'air, refroidi et asséché, d’un vecteur force normal au déplacement, redescend aux latitudes Nord et Sud-tropicales (20-30°); Cet air descendant et froid constitue une zone de hautes F = mfv m Avec : pressions (ceinture anticyclonique) , région des calmes vm, vitesse du corps en mouvement sur la surface de la tropicaux ou «horse latitudes» détestés eux aussi des Terre en rotation; marins encalminés qui, lorsque l'eau douce venait à f, paramètre de Coriolis = 2ω Sin φ. manquer, en arrivaient à jeter les chevaux à la mer. Très Par les paramètres mis en jeux, on constate que pour sec, cet air descendant est aussi responsable des ceintures que la déviation soit significative, il faut pour une masse désertiques tropicales que l'on rencontre tant au nord qu'au sud. Entre ces deux zones sans vent, les alizés donnée que la vitesse v m soit importante par rapport à V L (cas ferment cette première boucle dénommée cellule de des fusées et satellites), ou bien qu'une vitesse vm petite soit appliquée longtemps (de sorte que ∆φ soit significatif). Il en Hadley. résulte que la rotation directe du tourbillon dans les baignoires de l'hémisphère nord (et inverse dans l'hémisphère Fig. 33a : structure d’un cyclone tropical. sud) est une aimable plaisanterie, les variations de latitude à cette échelle étant négligeables par rapport aux paramètres locaux (vitesse et direction initiales de l'eau, pentes du fond Fig. 32 : force de Coriolis.

- 141 - http://www.risques.gouv.fr/risques/risques -naturels/Cyclone/ ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

Fig. 33b : développement d’un cyclone et s'entretenir tant qu’il Caractéristiques de la zone de convergence (chaude), les disposera d’un stock d’eau chaude à évaporer, raison cyclones (typhons au Japon, (Fig. pour laquelle un cyclone 33a page précédente) sont la s’affaiblit lorsqu’il traverse manifestation immédiate de la force une île, et s’évanouit de Coriolis, qui se manifeste dès lors que l’on dépasse quelques 6 à lorsque sa trajectoire 8° de latitude. La formation d’un l’amène à parcourir une distance suffisante au- cyclone tropical (Fig. 33b) débute dessus d’un continent. lorsque 3 conditions sont réunies : 1 - qu’il existe d’une zone de Avec un tel mode forte évaporation et une http://la.climatologie.free.fr/cyclone/cyclone.htm de fonctionnement et le dépression locale dans la réchauffement climatique couche basse de la troposphère ; celle-ci est qu’a connu le XX° siècle, il convient de s’interroger sur accompagnée de nuages ou d’une ligne de grains une augmentation potentielle de la fréquence et de (bande de nuages orageux) ; initialement cet amas de l’énergie dissipée par les cyclones. nuages circule d’est en ouest avec l’Alizée. Sur les Les medias rapportent souvent une nette images de nos satellites, on peut ainsi déceler certaines augmentation de la fréquence et de l’intensité des formations nuageuses pourvues d'un potentiel de cyclones (invisible sur la courbe gauche 1970 à nos jours convection profonde, voire parfois d'organisation de la NOAA, Fig. 33c-1) et en font une conséquence tourbillonnaire à l'état d'embryon. Certaines évoluent directe du réchauffement. En fait, les données en cyclones, lorsque les 2 autres conditions sont disponibles, qui concernent la période 1950-2015, réunies, d'autres pas et restent des amas nuageux, ondes conduisent la NOAA à définir pour l’atlantique deux tropicales, zones perturbées périodes de haute activité encadrant une période de basse 2 - que la température de l'océan dépasse 26°C, sur au activité (1970-1995, Fig. 33c-2, centre) et non une moins 50 mètres de profondeur, constituant ainsi un augmentation progressive en corrélation avec la réservoir important dont l’évaporation fournira température de l’atmosphère. l'énergie nécessaire pour démarrer et entretenir le cyclone. On observe la même tendance sur les courbes de 3 - que les vents de la zone soient homogènes sur une l’énergie dissipée par les cyclones, courbe globale et par grande hauteur de la troposphère, de la surface de hémisphère (ACE 56 , Fig. 33c-3, à droite), qui laissent l’océan jusque vers 12 à 15 km d'altitude, hauteur de la penser que l’énergie disponible en zone tropicale subit colonne orageuse, de sorte que l’énergie issue de une variation pluri annuelle. l’évaporation soit utilisée pour construire un C’est en effet ce que montre l’étude de S.S. Chand mouvement tourbillonnaire profond. et K. J. Walsh de 2011, pour qui l’ACE est clairement

Fig. 33c1-3 : cyclones et tempêtes tropicales, 1) gauche : nombre par an ; 2) centre : Séries temporelles ; 3) droite :ACE.

-2) Séries temporelles des cyclones de 1950 à 2010, -3) ACE (Accumulated Cyclone Energy) , courbe de 1972 la valeur 100 représente la médiane des énergies accumulées à nos jours de l’énergie des cyclones (moyenne glissante sur annuellement par les cyclones durant la période 1981-2010. 2 ans) des 2 hémisphères : globale (courbe du haut) et de La bande jaune (71-111%) représente l’énergie des cyclones l’hémisphère Nord (courbe du bas) ; la surface entre les 2 d’activité normale, les bleue et rose sont les domaines représente l’énergie des cyclones de l’hémisphère Sud. d’energies respectivement inférieure et supérieure à la normale http://policlimate.com/tropical/ ; http://www.nhc.noaa.gov/sshws.shtml

Dans ces conditions (Fig. 33b), le courant d'air ascendant qui se met en place génère une dépression à la 56 ACE, Accumulated Cyclone Energy , index défini surface de l’eau, qui fait converger l’air de la surface comme la somme des carrés des vitesses du vent d’un océanique. La masse d’air ascendante se trouve alors cyclone, mesurée toutes des 6 heures tant que sa force le comprimée sous le couvercle de la tropopause (limite classe au minimum dans les tempêtes tropicales, ou dans troposphère stratosphère), générant en altitude une zone de les cyclones selon l’échelle de Saffir-Simpson qui compte haute pression. Pour rétablir « l’équilibre », l’air du sommet 5 degrés : 1) 119-153 km/h ; 2) 154-177 km/h ; 3) 178- de la colonne s’échappe latéralement (divergence de haute 208 km/h ; 4) 209-251 km/h ; 5) > 252 km/h ; altitude). Le système ainsi mis en place pourra fonctionner http://www.nhc.noaa.gov/pdf/sshws_table.pdf .

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Fig. 34a : genèse des vents géostrophiques. géostrophiques est directe (ils tournent à droite) autour des hautes pressions, et inverse autour des basses pressions. Les zones de basses pressions sont corrélativement des régions où l'air présente une faible densité et s'élève (Fig. 34c), en tournant autour du centre, définissant une circulation cyclonique convergente. Inversement les zones de hautes pressions sont le centre d'une circulation descendante et divergente dite anticyclonique. Le front polaire, limite entre la cellule de convection polaire et la cellule des moyennes latitudes (cellule de Ferrel) ondule entre les hautes pressions centrées vers le sud et les basses pressions centrées plus au nord. Au pôle, l'air froid et sec très dense constitue la branche descendante de la cellule polaire. Il détermine http://nte-serveur.univ- lyon1.fr/geosciences/geodyn_ext/Cours/CoursTT1Atmosphere.htm ainsi dans notre hémisphère les vents froids de nord-est à est qui descendent vers le front polaire. influencée par l’oscillation ENSO (voir § E3d) à une latitude inférieure à 15°. Au-delà de cette latitude, l’influence des épisodes El niño s’effacerait et c’est au contraire les E - Circulation océanique évènements inverse de type « La Niña » (§ 3Ed) qui influenceraient l’activité cyclonique. On le voit, le couplage Nous n’aborderons pas dans ce poly la circulation océan-atmosphère joue un rôle essentiel et l’ensemble des océanique impliquée par les marées. Il s’agit là néanmoins activités des deux fluides atmosphérique subit des d’un mécanisme moins simple qu’il y paraît, qui a été oscillations, décennales à pluri décennales encore mal abordé en complément au poly dans les pages web élèves : connues, sur lesquelles nous reviendrons souvent ( e.g. §E3 lire et 4c). Q - Planeto - Les marees - Fuhrmann.htm ; MC - Planeto - Rotation de la Terre - Fuhrmann.htm ; MC - Planeto - Forces attraction planetaires - Fuhrmann.htm ; 3 - Cellule de Ferrel, vents géostrophiques et MC - Planeto - Force centrifuge corotation corps planetaires - Fuhrmann.htm ; Cellule polaire MC - Planeto - Marees viscosite des materiaux – Fuhrmann ; Lire MC - Atm - Courant Geostrophique - Hamelin.htm ; MC - MC - Planeto - couple Terre-Lune - Fuhrmann-Gagnot.htm Atm - Anticyclone & depression -Hamelin.htm. Prenons une masse d’air, son mouvement sera initié par un gradient de pression 1 - Coriolis : Transport d’Ekman et courants (F P dans la Fig. 34a) et le mouvement initial du vent sera Géostrophiques perpendiculaire aux isobares. Dès que la masse d'air est en Lire MC - Ocean - Ekman - Belkatir.htm . Comme mouvement, elle subit la force de Coriolis (F ) qui la dévie C l’atmosphère, l’océan est en mouvement (à faible vitesse vers la droite dans notre mais sur une longue durée) et subit donc l’effet de la hémisphère, jusqu'à Fig. 34b : vents. force de Coriolis, rotation directe (dextre) dans paralléliser le vent avec les l’hémisphère nord et senestre au sud. Le vent, en isobares, F et F pouvant P C déplaçant la pellicule marine superficielle, vient jouer un être du même ordre de rôle dans la circulation océanique. grandeur sous nos latitudes. Imaginons que le vent qui a initié un courant On appelle ces vents, océanique cesse brutalement. Le courant continue sur sa vents géostrophiques . Les lancée en faiblissant lentement par frottement, on parle de isobares étant des courbes courant d’inertie. Ce frottement, exercé sur une particule fermées autour des centres de de ce courant animée d’une vitesse v très proche de celle haute et de basse pression de ses voisines, est faible en regard de la force de Coriolis (Fig. 34b), il en résulte dans ω φ notre hémisphère que la F (de paramètre f = 2 Sin ) qui continue à s’appliquer circulation des vents sur ce courant. Dans ces conditions, si l’on considère la seule force de Coriolis (comme horizontale et agissant sur une différence de latitude d φ très petite), la Fig. 34c : circulation : divergente (haute pression ) ; convergente (basse pression) particule de courant considéré, de masse m, décrira à la vitesse constante v, un cercle parfait de rayon r dans le plan horizontal. Dans un courant d’inertie la force de Coriolis agit donc comme une force centripète que l’on peut écrire : 2 fcentripète = mv /r , équivalent à FCoriolis = mfv . On en déduit : mv 2/r = mfv , ou encore f = v/r ; (1) La période T de rotation de cette π particule sera alors T = 2 r/v http://nte -serveur.univ -lyon1.fr/geosciences/geodyn_ext/Cours/CoursTT1Atmosphere.htm - 143 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 35 : courant d’inertie et force de Coriolis. Fig. 36b : spirale d’Ekman. Enregistrement du mouvement d’une particule à la surface Depuis la surface, chaque lamine d’eau entraînée par pendant la disparition d’un courant d’inertie après une période frottement par sa voisine supérieure se trouve déviée plus à de vent en mer Baltique ; traits noirs = position de la particule droite (hémisphère Nord), et ce d’autant moins que sa toutes les 12h ; elle exécute 4 tours ½ pendant les 3 premiers vitesse décroît avec la profondeur. jour, correspondant à une période moyenne de 16h.

symbolisé dans la figure 36a par un empennage de flèche Avec (1) on montre que la période de rotation de couleur verte. dans un courant d’inertie T = 2π /f est fonction de la latitude φ: V. W. Ekman a montré à la fin du XIX° que le courant provoqué par le vent induit sous l’effet de la force de Coriolis un déplacement global moyen (c.à.d. sur A l’équateur , φ= 0° T = 2 π / 2 ω Sin φ T infinie l’ensemble de la tranche d’eau soumise au vent). Le Avec ω, vitesse angulaire de la Terre = 2 π / 24 heures, déplacement moyen est perpendiculaire à la direction du on obtient : vent (fig. 36b). Au pôle , φ= 90° T = 12 / Sin φ T = 12 heures; A nos latitudes φ= 45° T = 12 / Sin φ T # 17 heures . 2 - la circulation thermohaline Le calcul théorique effectué sans prise en compte des frottements donne, pour une latitude de 60°, une période de Lire MC - Ocean - Circulation thermohaline - Belkatir Coutens 14h proche de la période mesurée en Baltique (Fig. 35). & Rondeau.htm . La circulation océanique résulte, de la même manière que la circulation atmosphérique, du Supposons un instant que la surface de l’océan soit transfert de chaleur de l’équateur vers le pôle. La quantité pentée entre 2 points A et B, et qu’il n’y ait aucun d’énergie à transférer dépasse très largement la capacité écoulement entre A et B (Fig. 36a). Cette situation hautement de diffusion de chaleur de l’eau, et donc l’essentiel du théorique nous montre que tout point situé quelque part entre transfert de chaleur est opéré par la convection, reliant A et B sous l’horizontale de A dans ce cas, subit un gradient surface et profondeur. Cette Circulation ThermoHaline de pression égal à : (THC) a été mise en évidence par W. Broecker en 1987. ρg∆z /∆x = ρg Tan θ Il la compare à un tapis roulant tridimensionnel à d’échelle planétaire (cf. § E.3.e).

Les paramètres clefs de ce transfert sont donc ρ En supposant le poids volumique constant le long ceux qui (à une pression donnée, ou à une profondeur de x, la force appliquée par unité de masse de l’océan (= donnée) sont susceptibles de modifier le poids volumique gradient de pression horizontal) est proportionnelle à la de l’eau océanique, ce sont : gravité g et à la pente Tan θ. En conséquence, toute particule 1 - sa température ; de l’océan va se mettre en mouvement, et accélérer 2 - sa salinité. uniformément en se déplaçant de B vers A. On parlera alors de circulation thermohaline. Son Revenons à notre hypothèse et soyons réalistes un rôle dans la mise en place de la circulation profonde est instant ; cette eau en mouvement est soumise à la force de tributaire de la topographie et sera donc évoqué plus loin Coriolis et se comporte comme un vent géostrophique. Il se (§ E.3.f) crée un courant dont le mouvement est dévié vers la droite dans hémisphère nord, et qui comme les vents a - Température et thermocline. géostrophiques, devient parallèle au gradient de pression qui le fait naître. Comme le vent géostrophique il s’enroule sur Lre MC - Ocean - Thermocline - Belkatir & Rondeau.htm . La les isobares, dans l’océan cette fois. Comme pour les vents, pénétration de la lumière dans l’océan n’excède pas les on parle de courant géostrophique. Cet écoulement est 100 premiers mètres de l’océan, et c’est elle qui fournit sa chaleur à l’eau de surface, principalement sous les basses Fig. 36a : gradient de pression horizontal. latitudes. La distribution des eaux chaudes de surface, T°>25 (en rouge dans la Fig. 37 page suivante) est donc largement dépendante de la saison. On constate en revanche que la latitude de l’isotherme 10°C (moyenne mensuelle) est globalement stable au cours des saisons autour des latitudes 40°N et 40°S. La pénétration de la lumière dans l’océan n’excède pas les 100 premiers mètres de l’océan, et c’est elle qui

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Fig. 37 : température versus profondeur et latitude : de la saison (Fig. 37). Vers 500 à 800m, on atteint les eaux profondes ; elles sont homogènes, marquées par une décroissance lente et régulière avec la profondeur, décroissance qui diminue avec la latitude. On appelle thermocline la tranche d’eau qui organise la transition entre les eaux chaudes de surface et les eaux froides des profondeurs. Il est important de noter que dans les régions arctiques, la température passe par un minimum provoqué par la formation de la banquise (qui consomme de la chaleur latente de cristallisation). Ce processus de -1 : Coupe verticale Sud-Nord de l’Atlantique cristallisation augmente donc la densité de l’eau liquide par refroidissement. En outre, il extrait de l’eau douce de l’océan et provoque en corollaire direct une seconde augmentation de densité de l’eau liquide par accroissement de la salinité. Il s’en suit une disparition de la thermocline sous les hautes latitudes qui permet aux eaux très denses de surface de plonger vers les fonds océaniques, alors qu’inversement, sous les latitudes basses et moyennes, la stratification remarquable de l’eau interdit les échanges par convection entre la surface chaude et la profondeur froide. C’est donc seulement au niveau des hautes latitudes, avec des isothermes verticales ou presque et une densité renforcée que l’océan peut être brassé sur toute sa hauteur. On note cependant sur la coupe de l’Atlantique dans la figure 37 une remontée spectaculaire des isothermes sous l’équateur, montrant une remontée d’eau froide. Cet « upwelling » équatorial est observable dans tous les océans ouverts, il est provoqué par un couplage océan-atmosphère sur lequel nous reviendrons au § E-3.

b - Salinité et halocline Lire MC - Ocean - Halocline - Belkatir.htm . Le sel de l’océan provient de l’accumulation des solutés transportés 2 : a) b) c) Coupes verticales d’océans ouverts, à différentes en faible quantité par les eaux douces des rivières, solutés latitudes ; Noter la couche d’eau de surface plus froide que qu’elles ont elles-mêmes empruntés aux roches les eaux profondes dans les hautes latitudes ; continentales par altération chimique. Ces solutés sont d) Coupes verticales au long de l’année en Atlantique-Nord transportés conjointement avec les matériaux solides fournit sa chaleur à l’eau de surface, principalement sous les directement arrachés à la roche (sables, graviers, galets) basses latitudes. La distribution des eaux chaudes de surface, ou hérités de l’altération chimique de cette roche (argiles, T°>25 (en rouge dans la Figure 37) est donc largement oxydes, hydroxydes insolubles essentiellement). L’océan dépendante de la saison. On constate en revanche que la fournit à l’ensemble de ces matériaux, solides et solutés, latitude de l’isotherme 10°C (moyenne mensuelle) est un milieu beaucoup plus confiné qui va déplacer les globalement stable au cours des saisons autour des latitudes équilibres chimiques qui s’étaient établis dans les eaux 40°N et 40°S. continentales. Ce milieu étant aussi beaucoup moins énergétique que le milieu continental, le dépôt des On observe aussi que dans l’Atlantique-Nord cet matériaux solides imbibés de la solution océanique est isotherme 10°C occupe une latitude beaucoup plus haute inéluctable. Les sédiments marins vont ainsi contribuer qu’ailleurs (elle peut y dépasser 60°N), et on remarque enfin avec la vie aquatique à soustraire une fraction des solutés des incursions en région tropicale d’eaux froides venues de hautes latitudes le long des côtes Est des bassins océaniques, Tableau 3 : composition moyenne de l’eau de mer 0 dans les deux hémisphères. Ces anomalies proviennent de Anions /00 poids Total distribution des masses continentales qui, si elles Chlorure Cl - 19.0 2- n’influencent la circulation atmosphérique que par leurs plus Sulfate SO 4 2.65 hautes montagnes, sont bien évidemment des barrières Bicarbonate HCO - 0.15 3 21.9% infranchissables pour les courants océaniques. La Bromure Br - 0.065 morphologie du plancher océanique joue elle aussi un rôle - Borate H 2BO 3 0.025 primordial dans la circulation des eaux. Fluorure F - 0.001 La tranche d’eau de surface est brassée par les Cations phénomènes atmosphériques, sensibles jusqu’à 80-100 m Sodium Na + 10.6 environ. Cette première tranche d’eau est donc de Magnesium Mg 2+ 1.3 température relativement homogène à l’échelle régionale. En Calcium Ca 2+ 0.4 12.6 dessous, la température de l’eau décroît plus ou moins Potassium K + 0.35 rapidement avec la profondeur, en fonction de la latitude et Strontium Sr 2+ 0.01 - 145 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

Fig. 38a : salinité des eaux de surface de l’océan : 33-36.5 g/l. Fig. 38b : coupes verticales Sud-Nord de la salinité des océans.

apportés au système océanique. Un nouvel équilibre est donc rapidement atteint dans le milieu marin, dont la composition moyenne (Tableau 3) semble avoir été globalement stable autour de 34.5 grammes par kg depuis plusieurs Ga. En fonction de leur solubilité, les sels précipitent par évaporation de l’eau de mer, dans l’ordre suivant : 1) le carbonate de calcium (CaCO 3) précipite le premier ; 2) lorsque l’on atteint 19% du volume d’eau initial l’Anhydrite (CaSO 4) ou le Gypse (CaSO 4.2H 2O) commencent à précipiter ; 3) vers 9.5%, c’est le tour du chlorure de Sodium néanmoins être utilisée avec prudence car, comme nous (NaCl) ; 4) les autres sels (chlorures, bromures ou iodures) venons de le voir, les causes de variation de salinité sont commencent à précipiter lorsqu’il reste moins de 4% du multiples, et donc la distribution de la salinité complexe : volume initial. 1 - La salinité des eaux froides et profondes apparaît La carte de la salinité des eaux de surface de l’océan très comparable dans les trois océans dans est relativement différente de la distribution des l’hémisphère sud (Fig. 38b, et Fig. 51 p 157, AABW températures. On observe les concentrations en sel les plus = Antarctic Bottow Water). Cette symétrie radiale au fortes en premier lieu loin des embouchures des grands Sud est provoquée par la position centrée sur le pôle fleuves, dont la distribution n’est pas homogène à la surface du continent Antarctique. des continents, et en second lieu dans les zones où 2 - Partant de l’équateur vers le sud, on observe en l’évaporation maximum agit conjointement avec un régime surface vers 40-45° une chute brutale de la de précipitations minimum (Fig. 38a). concentration en sel. Celle-ci ne remonte qu’à En résumé : proximité immédiate du continent Antarctique. Ces eaux peu salées (en bleu <34.5, mg in Fig. 38b, et 1 - L’océan s’évapore beaucoup sous l’équateur, mais il Fig. 51 ; AAIW = Antarctic Intermediate Water) pleut aussi beaucoup (Pot au noir); en outre des eaux constituent une langue dont la profondeur n’excède profondes moins salées viennent se mêler aux eaux de pas 2000m, mais qui s’étend jusqu’au delà de surface. La salinité n’y est donc pas maximum l’équateur dans l’Atlantique. Les eaux profondes du 2 - Il pleut rarement sous les Horses latitudes et Pacifique et de l’océan Indien apparaissent l’évaporation y est encore très intense. C’est donc vers globalement homogènes. 30° de latitude que les eaux de surface sont les plus 3 - Dans l’hémisphère nord, il existe une langue à faible salées. salinité quasi symétrique nettement dessinée dans le 3 - Il pleut beaucoup au voisinage du Front polaire et cette Pacifique-Nord (Fig. 38b), prenant naissance elle eau douce abaisse la salinité de l’océan . En outre, la aussi vers 40° ; par contre on n’observe pas de température moyenne y est beaucoup plus basse (10° langue symétrique peu salée au nord de l’équateur environ) et limite l’évaporation. Néanmoins, dans dans l’Océan Indien, immédiatement limité au nord l’Atlantique-Nord, les eaux de surface apparaissent par le continent indien. considérablement plus salées que leurs homologues du On voit clairement dans ce dernier point le rôle que Pacifique-Nord ou des latitudes sud. joue la position des masses continentales dans la 4 - Sous les hautes latitudes, les précipitations neigeuses circulation thermohaline , en limitant ici l’océan Indien qui viennent épaissir la banquise n’ont plus aucun effet vers le nord et en interdisant ainsi la formation d’une diluant pendant l’hiver. masse peu salée. C’est aussi la distribution des continents Par similitude avec la thermocline, on appelle autour de l’océan Atlantique-Nord qui interdit la halocline le gradient de concentration important qui sépare formation d’une langue peu salée, océan qui se continue les eaux chaudes de surface rendues plus salées par pourtant jusqu’au pôle par l’océan Arctique. La raison en l’évaporation, des eaux profondes. Cette notion doit est double : - 146 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

1 - les eaux chaudes et salées du Gulf- Fig. 39a : carte des courants et de la surface topographique de l’océan. Stream remontent très au nord ; (dressée les 23-24 septembre 1993). 2 - La Méditerranée déverse dans l’Atlantique une eau sur-salée (en rose in Fig. 38b) qui renforce en profondeur la masse des eaux salées de surface de la région chaude des latitudes 10-30°N. Cette langue gagne l’équateur et constitue une strate plus salée sous la langue sous- salée en provenance des hautes latitudes sud.

3 - Rôle de la topographie et de la latitude. Carte dressée les 3-12 octobre 1992 par Topex Poséidon. Elle révèle Soumises à la force de Coriolis et l’ensemble des systèmes de circulation identifiés par plus de 100 ans limitées dans leur déplacement par les d’observations à bord de navires. continents, les eaux de surface des océans https://sealevel.jpl.nasa.gov subissent la poussée des vents. Le nombre

des paramètres est petit, pourtant leurs effets Fig. 39b : carte de grandes gyres océaniques. sont multiples (fig. 39a) et conduisent à une circulation superficielle constituée de cellules en rotation plusieurs milliers de km de diamètre, dénommées gyres. Elles sont grossièrement symétriques par rapport à l’équateur sous l’action de la force de Coriolis, (Fig. 39b page suivante).

a - Gyres océaniques Lire MC - Ocean - Gyres - Belkatir Coutens & Rondeau.htm . En Atlantique-Nord on observe ainsi une gyre subtropicale, entre 15°N et 45°N environ, encore nommée Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC, ne pas confondre avec AMO, § 5.D.4.e) et une gyre subpolaire plus au nord. Fig. 40a : image de la T° de surface du Gulf-Stream L'échange de masse et de chaleur entre ces deux gyres est au contact des eaux froides en provenance du Labrador. La influencé par la circulation thermohaline reliant surface et ligne noire représente la bordure du plateau continental. profondeur. Dans l’océan Atlantique tropical Nord, sous l’effet de l’Alizé du NE, ces eaux déplacées d’ouest en est et de SE en NO tournent dans le sens horaire sous l’effet de la force de Coriolis. En outre elles viennent buter sur les Antilles et l’isthme Centre américain (Fig.39b), et amorcent ainsi la grande gyre Nord-Atlantique subtropicale du Gulf Stream (Fig. 40a). Ce courant très fort fut reconnu très tôt, en 1513, par Spaniard Ponce de Leon ; ses bateaux en route directe depuis Porto Rico vers ce que l’on nomme aujourd’hui la Floride avaient eu beaucoup de difficulté à le traverser. Il faudra néanmoins attendre B. Franklin (1777) pour disposer d’une première carte portant la trajectoire de ce courant et ce n’est qu’avec l’avènement des modèles simplifiés des océans (seconde moitié du XX°) que l'origine physique du Gulf Stream sera comprise. Dans l’océan Atlantique tropical Sud, l’alizé du SE engendrent de façon symétrique la grande boucle de l’Atlantique central, entre le Brésil et les côtes africaines (Fig.39b). Comme dans une simple rivière, les écoulements satellitaire (anomalies positives de rotation normale, et géostrophiques sont turbulents et incorporent à leur négatives de rotation inverse. Dans la figure 40b page périphérie des eaux contrastées, donnant naissance ainsi à de suivante les taches rouges sont les tourbillons grands tourbillons observables par les mesures de anticycloniques de rotation normale dextre, et les bleues température de surface (Fig. 40a) et par l’altimétrie appelées Cyclones, tournent en sens inverse). On se - 147 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 40b : altimétrie satellitaire de surface du Gulf-Stream Fig. 40c : gyre arctique de Beaufort. au contact des eaux froides en provenance du Labrador .

réfèrera à l’exposé au collège de France de Laure Saint- http://nsidc.org/cryosphere/seaice/processes/circulation.html Raymond et al. (2010) pour la modélisation mathématique des gyres d’étendue 10-100 km, http://www.college-de- surface et de fond entre le bassin Arctique et l’Atlantique- france.fr/media/pierre-louis- Nord. Chaque été, le détroit constitue l’échappatoire pour lions/UPL37046_Laure_Saint_Raymond.pdf . De tels tourbillons la banquise démembrée. ont une persistance de l’ordre de 1 à 10 ans, radicalement différente des gyres à l’échelle de l’océan. b – Westerlies ou Quarantièmes et les L’affaiblissement du Gulf Stream est considéré de nos cinquantièmes jours comme un évènement hautement probable lié au changement climatique, par un enchaînement en cascade de Lire MC - Ocean - Westerlies - Coutens.htm . Les vents de phénomènes : secteur ouest des latitudes plus élevées, comme les Westerlies de l’Atlantique-Nord, poussent l’eau de surface 1 - réchauffement climatique des eaux polaires, devant eux en amorçant un virage vers l’équateur 2 - fonte de la banquise et refroidissement faible de (Coriolis oblige). Ils participent ainsi avec les alizés à la l’océan Arctique en hiver, constitution des grandes gyres océaniques subtropicales, bien identifiables dans l’Atlantique-Nord et -Sud (e.g. 3 - densité faible des eaux de surface de l’océan polaire. carte des courants observés les 23-24 septembre 1993, Le résultat ultime en serait le non plongement de ces Fig. 39a et Fig. 39b). eaux et les conséquences climatiques pour l’Europe de L’océan mondial Sud est largement fermé par l’Ouest en seraient considérables. Située à la même latitude l’étroit goulet (Passage de Drake) entre la Terre de Feu de que le Canada, les côtes européennes sont actuellement l’Amérique et la Péninsule Palmer du continent réchauffées par le Gulf Stream. Nous y reviendrons au paragraphe E.3.f. Fig. 40d : détroit de Fram entre Groënland et Svalbard La surface de l’océan Arctique est soumise aux vents subpolaires engendrés par les hautes pressions polaires qui, Coriolis oblige, entraînent la banquise et la masse d’eau superficielle avec elle dans une gyre géostrophique de sens horaire, la gyre de Beaufort (Fig. 40c). Ce déplacement (rotation) de la banquise est connu des Européens depuis qu’ils se sont lancés à la conquête du pôle. Il est complété par le courant de dérive transpolaire (Transpolar Drift Stream) qui quitte le bassin Arctique via le détroit de Fram (Fig.40d), qui est aussi le seul endroit profond permettant une communication nord-sud de

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Fig. 41 : courants péri-Antarctiques. (côtes Ouest des Amériques et de l’Afrique) et en situation normale d’équilibre de l’atmosphère, les alizés écartent la masse d’eau de la côte laissant émerger un upwelling côtier. Vers des latitudes plus élevées, les eaux froides de ces upwellings côtiers se mêlent aux eaux froides de surface des branches orientales des grandes gyres, N-S ou S-N (selon l’hémisphère). Leur rotation, dextre dans l’hémisphère nord et senestre dans l’hémisphère sud, est bien visible dans la figure 39. Les masses d’eaux de surface ainsi transférées vers l’équateur le long des côtes orientales des océans sont bien entendu déviées par la force de Coriolis. Ceci tend à éloigner l’eau de la côte, située dans l’Est du courant dans les deux cas. Il s’en suit un appel d’eaux profondes, tout le long de la côte du Maroc (ex-Sahara occidental) et de la Mauritanie, ou le long des côtes du Chili, qui viennent renforcer l’upwelling côtier.

Dans l’Atlantique-Nord, en raison de la Antarctique (fig. 41, lire MC - Ocean - Courant Circum Antarctique - topographie SW-NE des côtes américaines qui infléchit Coutens.htm ). La circulation des vents d’ouest du Pacifique- singulièrement le Gulf-Stream à son départ, et de celle des Sud, « Quarantièmes rugissants » et « Cinquantièmes côtes afro-européennes aux latitudes moyennes sur l’autre hurlants » décrits par B. Moitessier dans « la longue route » rive, une part importante du Gulf-Stream est déviée vers (Arthaud 1971), organisent la circulation océanique de les hautes latitudes dans le NE et donne le courant Nord- surface en un courant circum-Antarctique puissant que Atlantique 57 . Il est à l’origine de l’anomalie >0 de durent affronter, bien avant les Moitessier et autres J. température et de salinité (Fig. 37 & 38a-b) observée dans Slocum, les marins en route vers Valparaiso, jusqu’à l’Atlantique-Nord, qui interdit la formation d’une langue l’ouverture du canal de Panama en 1914. Le passage du Horn peu salée et peu profonde comme dans le Pacifique-Nord avec des voiles carrées, par 50° de latitude contre vent et (Fig. 38b en bleu). courant pouvait alors durer deux à trois mois ! Ces eaux de surface qui franchisse le détroit de Drake sont partiellement incorporées à la gyre Atlantique-Sud. Pour C. Wunsch (in D. 4 - Les couplages océan-atmosphère. Swingedouw , 2006), la turbulence liée au forçage éolien au niveau des 40 ièmes rugissants et des 50 ièmes hurlants et la force a- El Niño / Southern Oscillation system de marée (qui déplace des volumes d’eau considérables) ont (ENSO) Couplage Océan-atmosphère, pour conséquence la diffusion des eaux profondes et denses, qui sont ainsi tirées vers la surface. Pour l’auteur, Lire MC - Atm_Ocean - El Nino.htm . Dans le Pacifique, l'appellation circulation thermohaline prête donc à confusion les alizés très réguliers du SE accumulent donc dans la car ce n'est pas le gradient de densité qui nourrit la région indonésienne une grande quantité d’eau chaude en circulation mondiale mais plutôt cette diffusion dans l'océan provenance des côtes de Colombie – Equateur – Pérou - profond. Pour autant, les eux profondes circum-Antarctiques Fig. 43a : situation La Niña sur le Pacifique. restent largement isolées (cf. § E.3.f, Fig. 51, page 157).

c - « Upwellings » Lire MC - Ocean - upwellings downwellings - Belkatir & Coutens.htm . Les vents alizés convergent du NE et du SE vers l’équateur (Fig. 42). En soufflant, ils poussent vers l’ouest une masse d’eaux équatoriales de surface. Dès lors que l’on quitte l’équateur, la force de Coriolis dévie cette masse d’eau de surface de part et d’autre de la ITCZ (courants d’Ekman vers le NO et le SO) et laisse remonter ainsi des eaux plus profondes et froides. On parle de courant de “upwelling” observée par altimétrie satellitaire ; équatorial. Au voisinage des continents sous le vent des alizés,

Fig. 42 : alizés et upwelling équatorial ; pointillé = équateur.

57 Observez à cet égard le contrôle exercé par le talus continental Nord-américain sur le mélange avec les eaux froides sur la figure 25.

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Fig. 43b : situation El Niño sur le Pacifique. convergence Intertropicale (ITCZ 58 , Fig. 44). Les eaux chaudes stockées dans l’Ouest-Pacifique reviennent avec El Niño sur les côtes Sud-Américaines (Fig. 43b, en rouge) avec un courant équatorial très fort. Celui-ci bloque les 2 courants nutritifs : en profondeur le courant d’upwelling 59 ; en surface le courant côtier froid (venant du sud du Chili, cf. § précédent). La pêche côtière devient alors très peu productive, à tel point que lors des épisodes El Niño les plus sévères, la population des oiseaux de mer subit des pertes extrêmement lourdes. Cette onde d’eau chaude diverge ensuite vers le nord et le observée par altimétrie satellitaire ; sud, elle est réfléchie par la Côte Nord-Américaine et repart vers le Japon à travers le Pacifique-Nord. Il s’en suit des pluies orageuses très abondantes sur le Pacifique-Est et sur les côtes de Bolivie - Pérou - Chili. Des régions ordinairement désertiques de ces pays se couvrent momentanément de prairies ; inversement, le Nord de l’Australie, l’Indonésie, les Philippines subissent une intense sécheresse. Ailleurs un temps plus humide que la normale est souvent observé pendant la période Décembre à Février, citons le long des côtes de l’état Chili (Fig. 43a page précédente). La thermocline apparaît d’Equateur, ou bien le Sud-Brésil, l’Argentine, ou enfin ainsi plus profonde dans la région indonésienne (Fig. 43c à l’Afrique équatoriale. Un climat plus chaud que la gauche), et permet à des eaux plus froides et riches en normale est observé sur le Japon, l’Asie du Sud-Est, et sur nutriment (phosphates) de remonter vers la surface (Fig. 43c, le Sud du Canada Central. Cette période pluvieuse s’étend à droite en rouge) donnant la langue bleue de la figure 43a. sur les mois de Juin à Août en se déplaçant sur les chaînes Les eaux chaudes (en rouge) sont massivement stockées à Andines du Chili et Rocheuses des USA. Un temps l’Ouest, entre 180° et 150° de longitude. anormalement sec règne au contraire sur l’Amérique Centrale et le Sud de l’Afrique de décembre à Février, et Poussée à son paroxysme, cette situation est appelée “La Niña” ; elle correspond à la Fig. 43c : coupe W-E de l’océan Pacifique : période faste de bonne pêche en mer et T°, 0-25° Teneur en phosphate 0-3 µM/l de climat très sec sur la bordure C continentale Sud-Américaine. Cette situation stable que connaît l’océan Pacifique durant des mois résulte d’un phénomène de couplage océan- atmosphère centré sur le Pacifique tropical, mais qui intéresse en fait plus de la moitié de la surface terrestre. On appelle ENSO , pour El Niño Southern Oscillations , cet ensemble à grande échelle de fluctuations cohérentes de la

température de l’air et de l’eau, de la pression atmosphérique, de la direction et de l’intensité des plus froid sur le Golfe du Mexique, puis sur l’Est- vents et des courants marins . Ces fluctuations se traduisent Fig. 44 : variations saisonnières de la ITCZ. dans la météo de toute cette région et perturbent fortement le monde vivant. Les épisodes chauds « El Niño » (Fig. 43b), constituent avec les épisodes froids « La Niña » (Fig. 43a) les deux termes extrêmes du cycle ENSO. Observé du point de vue océanique, un épisode El Niño (aux alentours de Noël, d’où son nom de petit Jésus) se traduit dans l’océan tropical Est-Pacifique par une augmentation brutale de 2 à 5°C au-dessus de la température moyenne de l’eau (jusqu’à 28°C, en particulier le long des côtes Sud-Américaines). La température devient alors quasi uniforme sur l’ensemble du Pacifique équatorial. Du point de vue atmosphérique, on observe l’effondrement des vents 58 Responsable du cycle de la mousson dans l’océan alizés, et le déplacement vers le sud de la Zone de Indien, la ITCZ est normalement installée au nord de l’équateur dans l’océan Pacifique Est pendant l’été. 59 la pente de la thermocline de la Figure 27 s’inverse et plonge vers l’Est.

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Australien entre Juin et Août. A l’opposé, durant la Fig.45a : corrélation négative entre variation du SOI et variation de même période de Décembre à Mars, la température température. de l’océan Pacifique-Est tropical peut descendre jusqu’à 4° sous la température moyenne, caractérisant alors un épisode La Niña (l’Infante). On voit donc que le phénomène El Niño, s’il est bien saisonnier, n’est pas annuel ; il apparaît irrégulièrement, entre 3 et 7ans en général. Dans le contexte d’élévation de la température moyenne qui caractérise la fin du XX° siècle et ce début de XXI°, la température accrue de la surface de l’océan conduit à un rapprochement des épisodes ENSO. Dans les conditions ordinaires de fonctionnement, les alizés forts qui caractérisent le Pacifique et refoulent les eaux chaudes superficielles vers l’ouest traduisent un gradient de pression Fig. 45b : pont atmosphérique ENSO. atmosphérique élevé entre la région des Galápagos - Tahiti et celle de l’Australie – Indonésie. On appelle Southern Oscillation Index (SOI ), ce gradient mesuré entre Tahiti et Darwin en Australie. En général, la courbe de variation dans le temps du SOI (Fig. 45a) est étroitement corrélée (négativement) avec celle des températures de l’océan Pacifique équatorial ; les pics prolongés positifs coïncident avec les épisodes La Niña alors que les périodes prolongées de SOI négatif, coïncident avec les évènements El Niño.

ENSO influence la circulation globale de l’atmosphère lors d’un évènement El Niño, via un http://en.wikipedia.org/wiki/File:Atmospheric_bridge.png transfert de chaleur important dans l’atmosphère au- dessus de la zone anormalement chaude et une convection Fig. 46a-1 : cartographie de la SST. profonde de celui-ci, qui va se propager à des milliers de Sea surface temperature ; kilomètres de l’équateur, sous forme d’ondes de chaleurs Phase chaude Phase froide réfléchies par le pôle. On appelle « pont atmosphérique » (Fig. 45b) cette influence ENSO à distance sur la zone Aléoutienne via la troposphère.

b - PDO / Pacific Decadal Oscillation, Couplage Océan-Atmosphère Depuis longtemps, il a été observé sur le Pacifique- Nord sous les latitudes moyennes des anomalies de températures qui sont soumises à des variations à longue http://jisao.washington.edu/pdo/ période (pluridécennales, 50-60 ans). En 1976 et 1977 déjà, Fig. 46a-2 : variation de l’index PDO. C. Frankignoul et K. Hasselmann du Max-Planck-lnstitut (valeurs mensuelles) de 1900 à 2013 fur Meteorologie, expliquaient ces variations par leur concept de « modèles stochastiques aléatoires du climat », pour lesquels ces variations sont une réponse de la tranche océanique de surface à des sollicitations atmosphériques de période courte. C’est dans le cadre d’une étude de la production des saumons de N. Mantua et al. 1997 qu’apparut le nom de Pacific Decadal Oscillation (PDO) , pour décrire le fait que la température de surface de l’océan (SST) augmente à l’est pendant qu’elle diminue à l’ouest (phase dite positive ou chaude, Fig. 46a-1, à gauche) ; puis le phénomène s’inverse (phase dite négative ou froide Fig. 46a-1, à droite) sur les données http://jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest

échelles de temps de 20 à 30 ans (Fig. 46a-2). Cette possible à travers l’étude des anneaux de croissance des oscillation sous les latitudes moyennes est actuellement arbres (Baja California) sur la période 1661 à nos jours. décrite pour les Pacifiques-Nord et -Sud sous le nom Contrairement à ENSO, processus équatorial d’Interdecadal Pacific oscillation (IPO ou ID). La PDO répondant à une seule sollicitation physique, la PDO affecte aussi le continent américain ; F. Biondi et al. 2001 apparaît comme une réponse à une sollicitation physique ont montré qu’une reconstruction de cette oscillation est complexe, basée en premier lieu sur une influence - 151 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

l’atmosphère et pont atmosphérique). La présence d’eaux Fig. 46b 1-2 : index PDO : chaudes en surface d’un hiver à l’autre mais pas durant b-1 : variation de l’index PDO depuis 85 ans l’été entre les 2, est causée par le cycle saisonnier que subit la tranche supérieure de l’océan. On nomme « mixed layer » cette tranche supérieure turbulente, soumise au vent et donc aux courants d’Ekman, dont la température est verticalement homogène, (Fig. 47). La profondeur du mixed layer atteint 100 à 200 m de plus en hiver qu’en été dans cette zone du Pacifique-Nord. Il en résulte une moindre importance de la température (basse en hiver, chaude en été) des eaux de surface. Durant l’été, la majeure partie de cette tranche reste piégée sous les eaux surchauffées de surface, et réapparaît l’hiver au suivant, http://www.nwfsc.noaa.gov/research/divisions/fed/oeip/ca-pdo.cfm d’où le nom de "reemergence mechanism" donné par b-2 : comparaison de l’index avec la hauteur de l’océan M.A. Alexander et C. Deser 1995 . Enfin, le processus inventé par Frankignoul et Hasselmann résiderait naturellement dans le passage de tempêtes qui modifient le niveau d’énergie contenu dans le mixed layer, via les vents et courant d’Ekman induits. L’implication du pompage d’Ekman dans le phénomène apparaît clairement dans la superposition des courbes de l’index PDO et de l’altitude de la surface de l’océan dans cette zone (Fig. 46b-2). On notera la coïncidence des périodes positives chaudes avec les périodes d’élévation de la température durant le XX° siècle (Fig. 46b-1). Cet index, résultat d’une combinaison

http://www.esr.org/pdo_index.html de paramètres dont bien sûr la SST, est considéré par certains auteurs comme discutable dans la mesure où les immédiate (concomitante) des évènements El Niño, et en auteurs introduisent la soustraction d’une quantité liée au second lieu sur une influence différée et extratropicale de réchauffement global afin de s’en affranchir. Reste la ceux-ci. Cette influence extratropicale est la réponse à la courbe de hauteur de l’océan et la variation de la taille des convection profonde que les évènements El Niño engendrent cernes des arbres de Baja California, qui ne peuvent être dans l’atmosphère. Elle se traduit par l’apparition d’une entachées du même défaut, pour attester de la réalité anomalie de température de la surface du Pacifique sous les physique du phénomène PDO. latitudes moyennes, durant l’hiver qui suit les évènements El Niño. c – NAO (North Atlantic Oscillation) ou AO Interviennent en outre sur la PDO des modifications (Arctic Oscillation), un même couplage de la gyre Nord-Pacifique et du cycle saisonnier que Océan-Atmosphère en hiver constituent i) la « réémergence des eaux chaudes » en surface aux latitudes moyennes (voir explication ci-après) et ii) les L'atmosphère de l’Atlantique-Nord est caractérisé transferts de chaleur décrits au § ENSO (de l’océan vers en hiver par l'existence de 2 structures, i) une dépression centrée sur l'Islande, pouvant s’étaler jusqu’à Fig. 47 : « mixed layer » la Norvège et ii) une dorsale anticyclonique centré sur les Açores et pouvant s’étaler de la côte Est américaine à la Péninsule Ibérique (Fig. 48a-1 page suivante). L’installation hivernale de cette structure est liée au froid qui s’intensifie avec la nuit polaire, renforçant alors le vortex polaire Arctique. Ces 2 structures bien définies présentent un mode de variation caractérisé par une forte cohérence spatiale à grande échelle, qui représente une redistribution des masses atmosphériques entre les régions arctiques ou subarctiques et les régions subtropicales de l'Atlantique. Cette variation est appelée Oscillation Nord Atlantique (NAO). On parle de phase positive (NAO+, Fig. 48a2 à gauche) lorsque les deux centres d'action se renforcent et de phase négative (NAO-, à droite) lorsque les deux s'affaiblissent simultanément. Ces fluctuations ont des conséquences directes http://www.locean-ipsl.upmc.fr/~cdblod/mld.html - 152 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

sur le climat hivernal, depuis la côte Est des Etats-Unis Fig. 48a-2 : impacts des deux phases de la NAO. jusqu’à l'Eurasie, et de l'Afrique du Nord et du Moyen-Orient (from Martin Visbeck, Lamont-Doherty Earth Observatory). jusqu’en Arctique, que l'on peut résumer comme suit : 1- Un indice positif, NAO+, correspond à un vortex polaire puissant, une pression plus faible que la moyenne sur l'Islande — avec une dépression (D) plus creuse — et une pression plus élevée que la moyenne en hiver sur les Açores — l'anticyclone (A) y est plus fort que la normale — (Fig. 48a-2 gauche). Le centre des HP est placé sur le Groënland et le centre de dépression est situé au milieu de l’Atlantique. L'impact de cette distribution à fort contraste des pressions est un front Fig. 48a-3 : déplacement du jet stream avec la NAO. polaire non sinueux, donc un courant-jet direct entre Voir http://www.whoi.edu/page.do?article=54686&cid=46643&cl=32713&pid=7545&tid=1061 Amérique et Eurasie (Fig. 48a-3, Lire MC - Atm - Courant Jet -Hamelin.htm ; Q - Atm - Quelle importance des courants Jets dans la circulation atmosphere - Hamelin.htm ) et un renforcement des vents d'ouest à sud-ouest entre les deux dorsales de pression. Cela conduit à plus de douceur, plus de pluie et à des tempêtes plus fréquentes (et plus violentes) sur l'Europe du Nord à partir du nord de la France. La moitié sud de la France connaît alors un climat hivernal méditerranéen, sec et doux. Sur le nord du Canada et le Groenland, l'hiver est alors froid et sec et l'est des États-Unis subit un temps doux et humide. 2- Un indice négatif, NAO- (Fig. 48a-2 droite), correspond à la situation inverse — la dépression d'Islande (D) est faiblement marquée et déplacée vers l’Est de l’Atlantique, l'anticyclone des Açores (A) est plus faible que sa valeur normale d'hiver et il est placé plus au sud du Groënland — caractérisant un vortex polaire affaibli. Il en résulte un http://www.newx-forecasts.com/nao.html front polaire sinueux, marqué par un courant-jet qui contourne le Groënland (Fig. 48a-3). Par conséquent, les vents d'ouest ne sont pas très forts, les tempêtes Fig. 48a-1: Structure spatiale de la NAO d'hiver. sont rares sur l'Europe du nord. En condition extrême L'incrément entre contours est de 0,5 millibar et les points NAO-, le front polaire redescend le long des îles représentent la localisation des stations météorologiques Britanniques et l’Europe du nord passe sous Lisbonne (Anticyclone des Açores) et Stykkisholmur l'influence de l'Anticyclone de Sibérie, générant un (Dépression Islandaise) dont les relevés sont utilisés pour hiver froid et sec. Les trains de perturbations construire l'indice NAO. circulent au niveau de la Méditerranée ; l’hiver est humide aux latitudes sud-européennes et nord- africaines, plutôt doux au Groenland et la côte Est des États-Unis est soumise à des épisodes froids et neigeux. La NAO étant caractérisée classiquement par le champ de pression défini au niveau de la mer — pour lequel on dispose de longues séries chronologiques des moyennes mensuelles — on peut rechercher la signature de la NAO (Fig. 48b) dans l'histoire. Son évolution temporelle présente une forte variabilité sans échelle de temps caractéristique contrairement aux phénomènes ENSO ou PDO. C. Cassou et L. Terray notent que la fin du XX° http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosclim1/biblio/pigb15/06_oscillation.htm siècle est dominée par l'alternance de périodes décennales Les jet streams se situent au sommet de la troposphère, aux qui privilégient les phases négatives dans les années 50 à limites des cellules troposphériques, jet polaire entre cellules 60 et positives depuis. Pour les auteurs, ces 30 dernières Polaire et Ferrel et jet subtropical entre cellules de Ferrel et années se rapprochent du début du siècle, où une certaine de Hadley persistance en phase positive était également décelable, mais contrastent par les fortes valeurs de l'indice (7 parmi les 10 valeurs les plus élevées au cours des 150 dernières années ont été enregistrées depuis 1980). Les modèles de circulation générale atmosphérique (dans lesquels on impose les températures de surface de la mer) dessinent des structures de pression évoluant de façon similaire à la NAO, suggérant que celle-ci est en fait

http://la.climatologie.free.fr/troposphere/jet-stream.htm - 153 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 un mode de variabilité intrinsèque à l'atmosphère. Les Fig. 48b : valeurs annuelles de l'indice NAO depuis 1830. mécanismes en reposeraient seulement sur l'interaction entre (barres rouges NAO+ ou bleues NAO-). La courbe en trait plein l'écoulement ordinaire de l’atmosphère (courant-jet de haute noir correspond à une moyenne glissante filtrant les fluctuations altitude, ondes atmosphériques stationnaires etc.) et des inférieures à 4 ans. On observe clairement des périodes de tourbillons transitoires (ou tempêtes). Ainsi, contrairement à plusieurs années où l'indice moyen est plutôt positif (1980- l'ENSO qui fonctionne grâce à un couplage océan- 1998), et d'autres où il est plutôt négatif (1955-1974). atmosphère, le modèle d'atmosphère explicatif de la NAO n'a pas « besoin » de la variabilité océanique ou des autres sous- systèmes climatiques. Cassou et Terray notent en revanche que les fluctuations temporelles de la NAO simulées ne privilégient aucune période caractéristique, et n’expliquent pas les fluctuations décennales observées. Pour les auteurs, une possibilité est l'influence d'un autre sous-système climatique capable de modifier l'occurrence et/ou la persistance de phases spécifiques de la NAO. http://www.ifremer.fr/lpo/cours/nao/nao3.html L'océan est le principal candidat. On observe en effet différence de pression existe entre les basses pressions des anomalies des températures océaniques de grande échelle polaires et les hautes pressions des latitudes tempérées. sur le bassin Atlantique étroitement liées aux phases de la NAO (Fig. 48a-2). Pour Cassou et Terray, c'est à travers la Elle est en AO- comme pour la NAO- lorsque les modification des échanges air-mer (chaleur latente et différences de pression entre les 2 structures sont faibles. sensible) que l'atmosphère « imprime » ses anomalies à Cette situation à la surface du globe est intimement l'océan de surface, y dessinant une structure à trois branches liée au comportement de la haute troposphère et de la en phase NAO +: stratosphère. En phase AO+, la stratosphère se refroidit. Le contraste nord-sud renforce alors les vents ouest-est 1- Le renforcement des vents d'ouest sur le nord du bassin tournant autour du pôle Nord et creuse profondément un Atlantique, associé à la course plus septentrionale des vortex polaire, responsable d'un pôle Nord stratosphérique tempêtes tend à refroidir davantage l'océan par très froid en phase AO+. Lire MC - Atm - Vortex Antarctique - augmentation de l'évaporation de surface ; les descentes Ozone - Puyau.htm d'air froid et sec d'origine polaire sur le Nord-Ouest du bassin tendent également à refroidir la Mer du Il avait été proposé dès les années 80 que le Labrador ; glissement des centres de pression de la NAO entre les 2 positions pourrait avoir un effet sur le l’ « exportation » 2- Aux moyennes latitudes, règnent alors des conditions des glaces Arctiques vers l’Atlantique via le détroit de plus clémentes qui tendent à réchauffer anormalement Fram (voir la description du phénomène au § d : été, ci- l’eau de surface (diminution de l'évaporation) ; les après). Comme le soulignent G. W. K. Moore, I. A. remontées d'air plus chaud (régime de sud-ouest Renfrew & R. S. Pickart (2013), ce déplacement des dominant) tendent à réchauffer l’océan médian le long centres et l’écoulement massif de la banquise Arctique des côtes américaines et européennes. vers l’Atlantique sont souvent considérés comme résultant 3- Sous les tropiques, l'intensification des alizés due au de l’accroissement du transfert de chaleur de l’atmosphère renforcement de l'Anticyclone des Açores induit un vers la glace et l’eau de l’océan (voir § d : été, ci-après). refroidissement du bassin tropical de l'Atlantique-Nord Pour les auteurs, le mouvement des centres de pression en réponse à une évaporation de surface plus intense. n’est pas seulement causé par le les conditions de NAO. Il résulterait aussi d’interactions avec deux autres modes de En période NAO-, c'est la structure inverse qui se variations intéressant d’une part l’Est-Atlantique et dessine. d’autre part le champ des pressions en Scandinavie. D'après le National Snow and Ice Data Center, la D’après les auteurs, il s’en suivrait des déplacements des NAO et l'AO (Arctic Oscillation, Fig. 48c, page suivante) centres de pression et donc une modification de l’indice sont 2 façons de décrire le même phénomène. L'AO est une NAO à une échelle de temps pluridécennale, dont ils variation d'une année à l'autre de la différence de pression Fig. 48c : l'AO et la NAO, 2 façons de décrire le même phénomène. atmosphérique au niveau de "D'après le National Snow and Ice Data Center, l'océan, entre le pôle et la latitude 20°N. Cette variation se traduit bien sûr dans la position et l'intensité des dépressions arctiques et des anticyclones au Sud. A la différence de la NAO qui n'intéresse que l'Atlantique ou de la PDO qui ne s'applique qu’au Pacifique, l'AO couvre tout l’hémisphère nord. L'AO est en phase AO+, comme en NAO+, lorsqu'une plus grande http://nsidc.org/arcticmet/patterns/arctic_oscillation.html

- 154 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 48d : l’anomalie du dipôle Arctique en été. de la banquise à travers le détroit de Fram est intense, plus la glace de la banquise est fine. Il y a donc bien une fusion particulièrement intense de la banquise dans ces conditions.

L’augmentation du CO 2 et des GES en général joue un rôle considéré comme majeur dans l’amplification de l’effet de serre aux basses altitudes d’année en année, faisant du recul de la banquise le meilleur proxi de l’augmentation du CO 2. Gardons néanmoins en tête le rôle peut-être clef de l’AO…

e - AMO (Atlantic Multidecadal Oscillation) L'AMO (ne pas confondre avec la MOC, § 5.D.3.a) est une oscillation des températures de surface de l'océan qui fut observée pour la première fois en 2000 par R.A.

http://www.ifremer.fr/lpo/cours/nao/nao3.html Kerr. L'index AMO est défini comme l'anomalie de Dorsale HP Beauforf (rouge) Svarlbard et température résiduelle après soustraction (de la valeur BP en mer de Kara (violet) brute annuelle) de la moyenne glissante de la variation (trend) sur 10 ans. Les températures utilisées sont celles observent un déplacement du dipôle vers l’Est-Atlantique de l'Atlantique-Nord, entre les latitudes 0 et 70. En 2001, durant la période 1930-1950 et un schéma semblable dans le D.B. Enfield, A.M. Mestas-Nuñez et P.J. Trimble passé récent. On notera dans la figure 48 a-3 que la situation montrent que la variation de température de l’océan Nord NAO- conduit en effet à des températures de surface de Atlantique est de l’ordre de 0.4°C et que l'AMO est en l’Océan Nord-Atlantique et Arctique relativement chaudes relation avec les pluies et les débits des fleuves US. La par rapport aux conditions NAO+. différence de débit du Mississipi entre phases chaudes et

d – DA (Anomalie du Dipôle Arctique) en été Fig. 49a : évolution temporelle de l'index AMO Atlantic Les records de fonte de la banquise Arctique multidecadal oscillation (AMO) 1856-2013. (2007, 2010, 2012) sont liés semble-t-il à la persistance d’un schéma particulier de champ de pression durant l’été, nommé « Arctic dipole anomaly ». Il se caractérise par des hautes pressions sur la mer de Beaufort, faisant une dorsale jusqu’au Svalbard (rouge orange dans la figure 48d) et des basses pressions sur la mer de Kara, en violet dans la figure. Il en résulte le long de la Sibérie un vent de sud qui repousse la banquise vers le Groënland et qui se charge en humidité, favorisant le rayonnement de downwelling des ondes longues, source d’une fonte très importante da la calotte glaciaire. Il en résulte aussi côté Groënland un fort vent de nord qui entraîne la banquise et la laisse s’écouler vers l’atlantique par le détroit de Fram, conduisant à http://www.wcrp-climate.org/decadal/rsmas_decadal/talks/Day2/Enfield_rsmas.pdf une forte diminution de sa surface au paroxysme du phénomène, en août-septembre. En 2012, M.L. Kapsch et al. ont montré que le Fig. 49b : comparaison de l'AMO avec la pluviométrie de la phénomène est déclenché dès le printemps par une Floride depuis 1900. intensification de la nébulosité et de la teneur en vapeur d’eau, qui jouent un rôle clef dans le renforcement du rayonnement de grande longueur d’onde (IR) dans la basse atmosphère. Pour les auteurs, l’impact des autres GES ne peut que jouer dans le même sens, et la diminution de l’albédo avec la fonte anormale de la glace conduit à un feedback positif responsable de l’exagération de ce phénomène estival. Ne retrouve-t-on pas là des éléments conformes au schéma de G. W. K. Moore, I. A. Renfrew & R. S. Pickart décrit au § précédent, et pour qui le degré d’exportation des glaces en été est dépendant de l’état de la NAO durant l’hiver qui précède ? Enfin, H.R. Langehaug et al . ont observé en 2012 que l’historique à long terme confirme que plus l’exportation

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Fig. 49c : comparaison de l'AMO avec l'énergie dissipée Laboratory, NOAA — ont publié dans Climate Dynamics par les cyclones en Atlantique, depuis 1860 une étude selon laquelle le réchauffement global est une réponse au réchauffement des océans, bien plus qu'une réponse directe à l'accroissement des GES. En résumé, l’AMO est une oscillation naturelle du climat qui dure depuis des siècles et implique des fluctuations dans le fonctionnement de l’Atlantique Nord. Son impact climatique est fort, sans pour autant que l’on puisse établir une relation univoque avec les variations de température du XX° siècle. Par contre, la remarquable corrélation entre AMO et énergie dissipée par les cyclones conduit à regarder avec un œil critique les affirmations froides est de 10% et la variation de débit des rivières reprises en boucle d’un danger croissant dans ce domaine. alimentant le Lac Okeechobee atteint 40%. La corrélation entre pluviosité en Amérique du Nord et AMO est telle que celle-ci peut être utilisé comme proxi des variations de f – AMO-NAO versus volcanisme, vers l’AMO (Fig. 49a et b). une autre controverse ? La courbe de l'AMO oscillant avec la température de Le climat de la région Arctique et du Nord de surface de l’océan, elle est fort logiquement très comparable l’Europe apparaît ainsi à certains largement conditionné à celle de l'Energie dissipée par les Cyclones en Atlantique- par la NAO, qu’ils considèrent comme l’oscillation Nord (ACE Fig. 49c page suivante). En outre, le mécanisme majeure de l’atmosphère de l’Atlantique-Nord sous les de cette oscillation implique très certainement la Circulation latitudes moyennes. L’index NAO y constitue semble-t-il Océanique Méridionale (MOC = gyre atlantique Nord). un bon indicateur du mode de circulation dans l’atmosphère et en corollaire de la météorologie hivernale En 2013, N. Scafetta conduit une approche graphique que l’on peut résumer ainsi : Europe et Est des USA doux des variations de l’accélération de la remontée du niveau de et humide alors que le Canada et le Groënland subissent la mer, tantôt positive et tantôt négative — confirmant ainsi les travaux de Becke qui montraient une montée entrecoupée de un froid sec en NAO+, et l’inverse et NAO-. V. Trouet et courtes périodes de baisse du niveau (voir § Chp5.B.1.c.4) — et il al. (2009) qui avaient tenté de reconstruire la variation de observe une coïncidence de ces variations avec la période de l’index NAO sur le premier millénaire BP, en comparant quasi 60 ans de l’AMO et de la PDO. Pour l’auteur, il s’agit deux proxi du climat, l’un basé sur les anneaux de non d’une coïncidence mais d’une influence des cycles croissance des arbres du Maroc de J. Esper et al. 2007, climatiques déjà observés par ailleurs. l’autre sur l’étude de stalagmites d’Ecosse (spéléothèmes) dont les rapports 18 O/ 16 O fournissent un proxi des Quelles relations entretiennent les variations pluri températures. Pour les auteurs, la variation du NAO index décennales Pacifique et Atlantique ? Sont-elles en apparaît concomitante de l’optimum médiéval. En 2012 interaction, malgré une périodicité en apparence différente encore, J. Olsen, N.J. Anderson et F. Knudsen ont (Fig. 49d), de 30 à 40 ans pour la PDO contre 65 à 80 pour comparé et prolongé ce travail au proxi obtenu par l’étude l’AMO ? Pour Enfield, Mestas-Muñez Trimble, l’AMO est des derniers 5200 ans de sédiments d’un lac du SW du aussi perceptible sur le Nord Pacifique mais à un degré bien Groënland. Pour ces auteurs, la fin de l’épisode chaud de inférieur, mais le article n’évoque pas de correspondance l’Holocène (vers 4500 BP) aussi bien que le début du petit avec la PDO. Compte tenu des relations entre AMO ou PDO âge glaciaire (650 BP), correspond à une période où la et le fonctionnement de l’océan, il est bien sûr tentant de voir NAO bascule d’un état généralement positif durant la dans la combinaison de ces deux cycles un moteur des période chaude à un état variable, voire largement négatif variations de température enregistrées durant le XX° siècle. par intermittence. Ainsi, ils suggèrent que l’état dominant Dès 2008 G.P. Compo et P.D. Sardeshmukh — du Climate de l’index NAO constitue un proxi satisfaisant du climat Diagnostics Centers, University of Colorado, et de la dans l’hémisphère nord. Il convient toutefois de ne pas en Physical Sciences Division, Earth System Research faire une règle, car les auteurs eux-mêmes remarquent que le démarrage de l’épisode chaud de l’optimum Fig. 49d : comparaison de l'AMO avec la PDO depuis 1860 médiéval, qui va précéder le petit âge glaciaire, n’est pas marqué par une bascule nette d’une dominante négative vers une dominante positive. Pour C. F. Schleussner et G. Feulner (2012), le passage de l’optimum médiéval au petit âge glaciaire trouve une autre origine, que les auteurs rapportent à une succession de brefs évènements volcaniques qui auraient pu déclencher une cascade de boucles rétroactives augmentant singulièrement la surface de la banquise Arctique. Les simulations d’une telle augmentation de la surface englacée de l’océan à l’échelle de la décennie ont pour effet de modéliser une rotation plus rapide de la gyre subpolaire (SPG) et au contraire un affaiblissement de l’AMOC (Atlantic Meridional Overturning Circulation, voir § Chp5.D.3.a). Dès lors, un tel affaiblissement pourrait http://la.climatologie.free.fr/amo/amo.htm - 156 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 50a : circulation océanique Nord Atlantique. provoquer éventuellement un refroidissement global de la boucle en plus de la diminution de l’apport chaud du Gulf- Stream dans l’arctique. Pour les auteurs, la dynamique de la gyre subpolaire gouverne le climat Nord-Atlantique. Enfin, encore en 2012, J. Fohlmeister et al. discutent l’impact de la NAO durant les 10800 ans de l’holocène à travers l’étude de 4 spéléothèmes d’un karst en Allemagne, à travers 3 ratios : Ca/Mg, 18 O/ 16 O, 13 C/ 12 C. Pour les auteurs, Les 2 évènements froids majeurs, à 8200 ans et le petit âge glaciaire sont bien enregistrés, et attribués à des causes différentes : le petit âge glaciaire aurait été causé par une phase prononcée de NAO- (négative) alors que l’évènement pourrait trouver son origine dans le ralentissement de la circulation thermohaline.

5 - Le modèle du Tapis Roulant Lire Q - Circulation océanique modèle du tapis roulant - Fig. 50b : circulation océanique Arctique. Coutens.htm . Nous avons remarqué que l’ensemble des trois Fonds <2000 m en gris bleu océans montre une grande similitude dans la distribution des limites schématiques plancher océanique continent masses d’eau sous les hautes latitudes sud, mais que cette ressemblance s’estompe vers le nord, particulièrement pour l’Atlantique, en particulier à cause des eaux provenant de la Méditerranée. Mer quasi fermée aujourd’hui, et qui le fut quelques temps au Messinien (durant 6 Ma environ), la Méditerranée est soumise à une forte évaporation ; son bilan de masse déficitaire est équilibré par des échanges avec l’atlantique, à travers le détroit de Gibraltar, qui est parcouru en surface par un courant rentrant, de salinité plus faible que les eaux méditerranéennes. Cette eau de surface s’alourdit avec l’évaporation, et vient finalement alimenter les eaux profondes du bassin. L’excédent d’eaux profondes, sur-salées et denses, déborde du bassin méditerranéen dans l’atlantique par un courant de fond important, qui marque nettement les eaux de l’Atlantique profond, et les eaux de surface par mélange à un moindre degré (en rose dans la coupe NS de l’Atlantique, Fig. 38b, latitude 30°N profondeur maxi 2500 à 3000m ces eaux arrivent perpendiculairement à la figure). Les volumes d’eau des grands fleuves qui se déversent en Méditerranée sont tellement insuffisants à combler le déficit de masse lié à l’évaporation que, lorsque Gibraltar se ferma au Messinien, le niveau de la mer est descendu de quelques 2000m sous le niveau actuel. En attestent par exemple Fig. 50c : plongement des eaux froide le long de l’Islande. l’incision d’un canyon du Rhône, comblé depuis mais connu par sismique et sondages jusqu’à Valence, ou celui du Nil, connu jusqu’à Assouan. La Méditerranée presque asséchée, sursaturée, s’est transformée en d’énormes dépôts de sel, reconnus eux aussi par sondage et affleurant maintenant au plancher de la méditerranée. Cet épisode n’a semble-t-il duré que quelques dizaines de milliers d’années et nous n’étions pas là quand l’Atlantique se mit à cascader furieusement pour remplir « notre mer ». En Atlantique-Nord, c’est la branche nord du Gulf- Stream (courant Nord-Atlantique in Fig. 50a) qui marque les eaux. Une part essentielle de ce courant, qui s’est déjà partiellement refroidi, vient buter sur les fonds élevés du 60 seuil Islandais (en grisé sur la figure 50b) entre Islande et Iles plateau en question (<2000m ). La partie du Gulf Stream Britanniques. L’Islande est située sur la ride médio- océanique et elle est en même temps un point chaud, ce qui conduit à une production importante de laves créant le seuil 60 ; dans la figure, les fonds océaniques sont pour une large partie les marges continentales d’Eurasie et d’Amérique-Groënland. Dans le seuil Islandais, l’essentiel des hauts-fonds sont d’origine volcanique océanique - 157 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 51 : répartition des masses d’eau dans l’Atlantique, coupe NS. Fig. 52a : ouverture du passage de Drake entre 43 et 10 Ma.

qui ne franchit par le seuil (détroit du Danemark dans la L’océan Antarctique est parcouru indéfiniment par figure 50c) s’écoule au fond de l’Atlantique. Le reste du un courant circum-Antarctique qui isole le continent courant Nord-Atlantique pénètre dans l’Arctique par la Mer polaire et ses eaux périphériques froides du reste de de Norvège, en longeant l’Ecosse et la Norvège (Fig. 50b), l’océan mondial (Fig. 51, AABW). avec une température et une salinité anormalement élevées La topographie du fond des océans fait le reste. pour ces latitudes. Ses eaux se mêlent ensuite à celles de L’étroit passage de Drake impose au courant d’eaux l’Arctique, et elles cèdent leur chaleur à l’atmosphère et à la froides et profondes sortant de l’Atlantique de se diriger banquise en hiver. Toutes les conditions sont alors réunies vers l’océan Indien et le Pacifique. L’ouverture de ce pour que ces eaux plongent dans les bassins profonds de passage est récente. Dans le cadre du programme Relief l’Arctique. (de l'Institut National des Sciences de l'Univers), Y. L’exutoire de ces eaux froides et denses est constitué Lagabrielle et al. 2009 ont montré (Fig. 52a) que par deux courants franchissant le seuil de l’Islande entre l’histoire chaotique de l’ouverture du passage de Drake Islande et Groenland principalement, mais aussi le long de la coïncide remarquablement avec l’histoire climatique du côte Est-Islandaise (Fig. 50b). La figure 50c illustre comment Tertiaire (Fig. 52b page suivante) que nous avons évoqué elles plongent alors vers le fond de l’Atlantique central, avec au début de ce chapitre (§ B.1.c, Fig. 9). Elle se situe entre la partie du courant de surface qui, venant du Sud mais ne 43 Ma. et 10 Ma., date de la fin de la séparation de franchissant pas le seuil de Norvège, se refroidit assez (jaune l’Antarctique et de l’Amérique du Sud. Préalablement, pâle dans la figure 50a) pour plonger au dessus des eaux alors que l’Antarctique dérivait déjà vers le pôle Sud, glaciales profondes venant de l’ Arctique. Ces eaux l’Australie (Tasmanie) et l’Antarctique s’étaient séparés, s’écoulent ensuite au fond de l’Atlantique ( NADW , North commençant à créer les conditions d’une circulation Atlantic Deep Water in Fig. 51 page suivante ) avec celles de la première branche refoulée par le seuil ; elles vont parcourir le fond de l’Atlantique et atteindre ainsi les hautes Bryden, H. Longworth et Stuart A. Cunningham d’abord latitudes sud. L’ensemble de cette boucle plongeante, qui puis Cunningham et al. ensuite, concluaient que la dérive recycle les eaux de surface vers les profondeurs méridionale atlantique ( Meridional Overturning océaniques est unique. Circulation, MOC ) s'est ralentie de 30% entre 1957 et Les études paléoclimatiques ont montré que la latitude 2004. L’accent a été mis en 2007 par les mêmes auteurs de la boucle plongeante Nord-Atlantique a joué un rôle clef sur la grande variabilité annuelle et de cette gyre dans le climat européen (actuellement chaud pour la latitude (variation probablement couplée au cycle pluri décennal

considérée). On sait aujourd’hui qu’elle n’est pas fixe, elle de la NAO) — moyenne annuelle 18.7 ± 5.6 sverdrups (1 6 3 -1 peut descendre jusqu’au 30° parallèle et le climat européen Sv = 10 m s ) avec un débit variant avec les saisons devient alors beaucoup plus froid. La question posée entre 4.0 et 34.9 Sv — estimant que « fondamentalement, actuellement est de savoir si le Gulf Stream et la Meridional il faut encore 10 ans de mesures ininterrompues pour Overturning Circulation (MOC, s’assurer que les variations saisonnières sont bien connues http://www.bodc.ac.uk/about/news_and_events/rapid_watch.html ) et mettre en évidence les variations interannuelles » de autrement appelée Gyre Atlantique Nord, sont en train de cette gyre. On voit donc clairement que toute annonce s’arrêter, elle est encore largement débattue 61 . dans ce domaine est encore largement prématurée. Le terme de Meridional Overturning Circulation, MOC est utilisé soit pour parler de la circulation océanique dans

cette région de l’océan mondial, soit en lieu et place de l’ensemble de la circulation mondiale. Plus souvent on 61 Le schéma est largement médiatisé par notre crainte utilise le terme de « Circulation ThermoHaline » (THC ) évoquée plus avant (§ E.3.a) de voir le Gulf Stream s’arrêter ou encore « tapis roulant » ou « Ocean Conveyor Belt » en raison du réchauffement climatique. Cette question est § E3f largement reprise par la presse car, deux articles de H. - 158 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 circum-Antarctique (Antarctic Circum Current Fig. 52b : ouverture de passage de Drake entre 43 et 10 Ma et ACC Fig. 41). modifications du climat. Noter la coïncidence de l’ouverture à 32 Ma avec les modifications du Il apparaît donc clairement maintenant proxi de température δ18 O comment la Terre est passée d’un régime chaud, pendant lequel les eaux profondes étaient chaudes, (sans doute plus de 10°C, 14-15°C ?) au régime actuel où leur température est de 2°C. Reprenant Y. Lagabrielle, nous pouvons affirmer que « ce courant est donc un acteur majeur du système climatique actuel car il isole thermiquement l'Antarctique et empêche les eaux chaudes de surface en provenance de l'Equateur de venir lécher les côtes de ce continent » Dès lors que cette circulation superficielle d’ouest en est se met en place, elle subit la force de Coriolis (en rotation vers la gauche dans cet hémisphère) et il en résulte un courant d’Ekman important dirigé vers le nord. Ce courant de surface, froid, plonge un peu vers 45° de la latitude sud, sous les eaux de surface atlantiques, constituant la couche appelée intermédiaire Antarctique-Atlantique ( Antarctic-Atlantic Intermediate Water, AAIW ). La figure 53 montre l’impact de ce courant d’Ekman sur les eaux profondes (vue vers l’ouest), et complète la coupe nord-sud de la figure 51. Initié par les 50 iemes rugissants, et chassant l’eau de surface vers le nord, vents et courant ACC (en jaune dans la figure) provoquent un upwelling côtier le long de Sud (Fig. 54, ruban bleu page suivante) ; c’est cette langue l’Antarctique, qui tire ainsi vers la surface une partie des d’eau que l’on appelle North Atlantic Down Water eaux profondes et semi profondes issues de l’Atlantique-Sud (NADW Fig.51). Lorsqu’elle rejoint en Atlantique-Sud les (Upper and Lower Circumpolar Deep Water, UCDW eaux des Upper et Lower Circumpolar Deep Water bleu-vert pâle dans la figure et LCDW , bleu intense dans la (UCDW et LCDW, Fig. 53), elle vire vers l’est puis passe figure ; attention la partie brun-noir dessine de fond de le Cap de Bonne Espérance. Ensuite, l’ensemble se l’océan, moins profond et remontant au Nord dans le disperse dans l’Océan Indien et le Pacifique. passage de Drake ). En remontant à la surface, les eaux les Dans la figure 54, le ruban rouge figure le courant plus sud de l’Upwelling entrent en contact avec la banquise de retour, via la surface, depuis le Pacifique et en Antarctique ou avec l’atmosphère polaire glaciale. Elles s’adjoignant les eaux de surface en provenance de l’océan subissent alors une augmentation de densité et replongent, Indien. En virant le Sud de l’Afrique, le courant de retour créant ainsi en surface la divergence Antarctique (flèche sud est alors quasi-parallèle et de sens contraire au courant des eaux qui vont replonger, opposée à la flèche nord des eaux chassées). Fig. 53 : divergence Antarctique. En replongeant, les eaux sud de la Représentation schématique de la partie Antarctique – Atlantique-Sud de la divergence nourrissent en profondeur circulation généralisée de l’océan les eaux périantarctiques (Antarctic- Atlantic Bottom Water, AABW , bleu très foncé sur la figure). Celles-ci viennent s’étaler en profondeur dans l’Atlantique sous les couches UDCW et LDCW lorsqu’aucun seuil topographique suffisant ne les bloque. En aspirant les eaux profondes provenant de l'Atlantique nord, le courant Circum- Antarctique joue un rôle important d’activateur de la circulation thermohaline. Ainsi, le courant profond et froid qui s’écoule dans la plaine abyssale atlantique ouest depuis http://dimes.ucsd.edu/images/moc_scheme.jpg l’Islande (bassin et plaine de Caera ACC Antarctic Circum Current ; AAIW Antarctic-Atlantic Intermediate Water ; dans la figure 50a et c) longe le talus AABW Antarctic-Atlantic Bottom Water ; LCDW Lower Circumpolar Deep Water continental Nord-américain, puis - UCDW Upper Circumpolar Deep Water ; NADW North Atlantic Deep Water - 159 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

Fig. 54 : le convoyeur à bande. des courants, le climat résultant gère des variations du niveau marin de plus de 100m. 2- A une échelle de temps plus basse, entre 10 et 100 Ma environ, la vitesse d’expansion des rides océaniques intervient à son tour. Le premier à avoir observé le phénomène fut C. Darwin, qui déduisit de la croissance des coraux autour des îles du Pacifique que le bassin central de l'océan devait s’enfoncer lentement, permettant ainsi aux ceintures de corail de grandir sur les anciens volcans submergés qui donnaient les atolls. Ce phénomène d’enfoncement du plancher océanique au droit des points chauds est régional et les variations du niveau marin qui l’accompagnent le sont aussi. Par contre, contrairement aux points chauds, les rides océaniques sont immenses et nous avons vu au http://forces.si.edu/arctic/04_00_16.html Chp.4 qu’elles sont en équilibre hydrostatique sur le manteau terrestre ; nous avons vu aussi qu’elles Circum-Antarctique (AAC). Dans cette région de sont d’autant moins denses (et donc plus larges et l’Atlantique sud, les eaux chaudes de retour de l’Indien vont peu profondes) que la vitesse des plaques est se mêler avec celles de la gyre Sud-Atlantique, aux eaux déjà importante, traduisant une intense production de largement refroidies (Fig.39b). Ce mix d’eaux refroidies de magma et de chaleur. Ainsi le fond des bassins la gyre Atlantique-Sud, d’eaux froides du courant circum- respire au rythme des rides à l’échelle mondiale, Antarctique et d’eaux chaudes venant de l’Indien est donc poussant l’eau sur les plateformes continentales ou renvoyé vers l’équateur par la gyre Sud-Atlantique, qui subit abaissant son niveau de plusieurs dizaines de mètres, une rotation vers la gauche. Donc, leur direction sud-nord variations observables à l’échelle de la planète, suivie le long de l’Afrique devient ouest-est avec les basses qu’utilise la stratigraphie séquentielle. latitudes. Ces eaux transitent alors pour partie, après une traversée océanique est-ouest, vers le nord avec le Gulf- 3- A l’échelle de temps des changements climatiques, Stream et le courant Nord-Atlantique. quelques milliers d’années à quelques dizaines de milliers, le bilan de masse des glaciers continentaux Les eaux de l’océan parcourent ainsi une sorte de gère le niveau marin. Il est le résultat de la tapis roulant (Fig. 54), le Great Ocean Convoyer Belt de compétition entre précipitations neigeuses et fonte ou Wallace Broeker (#1990), largement responsable de la sublimation ; Un bilan global négatif conduit certes à régulation du climat planétaire et de la chimie des eaux un excédent d’eau, mais qui allège la bordure océaniques. continentale soulagée de sa glace, et à l’inverse un bilan positif stocke de l’eau solide (cryosphère) sur 6 – Eustatisme = Variations du niveau marin des continents alourdis, voir -4. La variation brutale Nous avons vu au paragraphe §B1c sur le changement du bilan de masse des glaciers continentaux est à climatique que le trait de la côte est en perpétuel l’origine des variations brutales de forte amplitude déplacement, en raison de changements à courte période (plus de 100m) du niveau marin comme celles que (marées), mais aussi et surtout sous l’effet de variations l’on a enregistré sur les côtes d’Europe ou climatiques. Le terme d'eustatisme fut donné par E. Suess en d’Amérique du Nord lors des dernières glaciations 1890 aux variations générales du niveau moyen des mers de ou déglaciations, et qui transformèrent par exemple même amplitude dans toutes les régions du globe. Nous la Manche en une large vallée couverte par la venons de voir comment la dérive des continents introduit toundra durant les périodes glaciaires du dernier des changements essentiels dans la circulation océanique et million d’années. La dernière déglaciation a démarré donc comment l’activité interne de la planète peut intervenir il y a 19 000 ans, et malgré une courte période froide dans les changements majeurs du climat de la Terre. Les intermédiaire (Dryas) le climat actuel est presque variations du niveau marin, dont nous avons évoqué avec le aussi chaud que durant les maxima interglaciaires. changement climatique les variations infinitésimales à Nous sommes donc en présence de phénomènes l’échelle de temps de la vie humaine ou de nos sociétés, ont rapides et discontinus (cf. § B.1.c). en fait une quintuple origine si l’on change d’échelle : 4- Les mouvements verticaux d’ajustement isostatique 1- A très long terme, la cause première des changements des continents, conséquence du bilan de masse des de niveau marin est la distribution des masses glaciers continentaux, provoquent des rebonds continentales. Dans le cycle des Pangée(s) successives postglaciaires qui se font sentir avec retard sur une et de leur morcellement, qui écartèle « aux quatre échelle de temps de 10 000 à 20 000 ans. Leur coins » du globe les continents avant de les assembler à influence est « locale». nouveau sur un rythme de 400 ? 500 ? millions 5- La variation de température de l’eau de surface (500 d’années, la position relative des continents commande premiers mètres) et donc de son poids volumique l’activité biologique continentale et marine, ainsi que la conduit à un gonflement - dégonflement de l’océan morphologie des bassins ; leur latitude et l’échange de (dilatation thermique des eaux). chaleur entre l’équateur et les pôles imposent le trajet

- 160 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 55a : variation moyenne altimétrique du niveau marin Fig. 55b : variation du niveau marin, attribuée à la seule pour la période 1993-1998. dilation thermique pour 1993-1998.

On observe de nos jour grâce aux mesures satellitaires que la montée globale du niveau marin n’est pas Fig. 55c : idem pour la période 1955-1996. spatialement homogène, comme le soulignent A. Cazenave et C. Cabanes en 2002 ((Fig. 55a, b, c, Extrait de la Lettre n°14 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat PIGB) . En 2001, en s’appuyant sur des modèles climatiques couplant océan et atmosphère, le GIEC estimait que la montée moyenne du niveau marin était de 0,7 mm par an pour le XX e siècle, dont 0.5 mm provoqués par le seul gonflement océanique, les 0.2 mm restant résultant de la fonte des glaciers. Cazenave, Cabanes et Le Prevost ont mis en évidence une élévation du niveau moyen des océans de 2.5± 0.2 mm/an (Fig. 55a). Les auteurs ont estimé ensuite la contribution de l'expansion thermique en comparant les données altimétriques précédentes aux mesures directes de la température (compilées jusqu’en 1998 par la NOAA) des 500 premiers triangles blancs = position des marégraphes mètres d’eau. Pour la période de recouvrement (1993- 1998, Fig. 55b) des deux séries d’observations sont Fig. 56 : variation de la chaleur contenue dans l’océan parfaitement corrélées 1955-2014 Rappelons que seuls les glaciers de montagnes contribuent à ces 0.2 mm ; l’Antarctique (stable ou en expansion, § B1c4) et le Groenland (en régression mais beaucoup plus petit) ne contribuent que de façon négligeable à l’élévation du niveau de la mer à l’heure actuelle. Rappelons aussi que le travail du GIEC reposait principalement sur des données de marégraphes majoritairement installés dans l’hémisphère nord, à proximité des côtes européennes et nord-américaines ; leur répartition n’était donc pas idéale (fig. 55c triangles blancs). www.epa.gov/climatechange/indicators Mais les choses ont changé d’une part avec la mise en orbite des satellites comme Topex-Poséidon dont les Commonwealth Scientific de l'Australie et l'Organisation données ont été acquises en continu entre 1993 et 2001 et de Recherche Industrielle (CSIRO), iii) l'Institut de d’autre part avec la mise en place en 2000 du réseau de recherche météorologique du Japon (IRM / JMA). On sondes dérivantes du réseau ARGO , complémentaire du notera que le palier de l’anomalie de température globale satellite altimétrique Jason. Ces sondes (au nombre de 3255 observé depuis 1998 ne se répercute pas dans la chaleur au 11 avril 2010, http://www.argo.ucsd.edu/index.html ) plongent emmagasinée par l’océan. régulièrement et enregistrent les courbes de température et salinité de la colonne d’eau sur environ 2000 mètres. Les En outre, l’élévation du niveau marin apparaît différentes évaluations de l’anomalie du contenu thermique depuis 2007 comme un phénomène plus complexe qu’une de la tranche supérieure (0-700m, Fig. 56 ; chaleur est simple réponse à l’augmentation de la température. Pour mesurée en joules = S. J. Holgate du Proudman Oceanographic Laboratory à Liverpool, la moyenne d’élévation obtenue pour le XX° siècle à partir mesures des marégraphes considérés , rapportée à la moyenne de 1971 à 2000, comme les plus fiables (anciens, situés loin de zones prise en, référence, unité 1022 J). 3 modes de calcul sont tectoniques mobiles dans des régions non susceptibles de présentés en figure 56 : par i) la NOAA, ii) le

- 161 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 rebond postglaciaire ; Fig. 55c ronds noirs) est de 17.4 mm Fig. 57b : variation du niveau marin autour de la moyenne (donc dans la fourchette haute des autres estimations de la période 1993-2004 Wunch et al (2008) revue en 2013 moyenne) mais le taux de variation n’apparaît pas linéaire.

Fig. 57a : évolution du taux annuel d’élévation du niveau marin depuis 1905. Sur 9 stations fiables et 177 stations depuis 1955 environ

. période (1993- 2012) http://www.cmar.csiro.au/sealevel/sl_hist_last_15.html

transmettent des profils de 900 m de profondeur de la Pour S. J. Holgate, il est cyclique (Fig. 57a, page suivante), température et de la salinité pour l'ensemble de l'océan avec les taux d’élévation maximum en 1939 et en 1980, mondial, ii) par mesures de la différence entre la montée déniant ainsi d’une part l’idée d’un accroissement progressif du niveau des mers observée par les altimètres de du taux d’élévation de l’océan dans la fin du XX° et d’autre Topex/Poséidon et Jason-1 et l'augmentation du stock part celle d’une relation simple entre élévation du niveau d'eau dans les océans vue par GRACE. Les auteurs en marin et teneur atmosphérique en CO 2. concluent donc que l'accroissement de la masse d'eau de l'océan est majoritairement responsable de la hausse du Nous avons vu que l’avènement de l’altimétrie niveau marin depuis 2003. satellitaire haute résolution permet de s’affranchir de la mauvaise distribution des marégraphes. Dès 2008, Wunch et al représentent les variations régionales autour de la F - Histoire de l'atmosphère moyenne mondiale d’élévation du niveau marin (Fig. 57b carte actualisée). En 2008 celle-ci est évaluée à 2.8±0.4 mm Lire Q - Vie - Atm - Histoire Atmosphere et vie - Dufour.htm an -1 à partir des relevés de Topex/Poséidon pour la période 1993-2001 de A. Cazenave et S.R. Nerem , 2004 et pour nombre d’auteurs, une telle valeur signifie clairement que le 1 - L'atmosphère primaire de la Terre : processus d’élévation de température, de dilation thermique héritage des gaz piégés lors de l’accrétion et de fonte généralisée des glaciers et des inlandsis est en Très tôt, au moment même de l’accrétion, la Terre pleine accélération, la catastrophe climatique annoncée est s’est entourée d'une enveloppe gazeuse. Durant cet d’ores et déjà amorcée… Une chose est sûre, l’élévation épisode, une partie de la fraction gazeuse (non condensée) n’est pas homogène et sa distribution reflète en premier lieu de la nébuleuse mère a été capturée comme, et avec, les la variabilité interannuelle du climat, en relation avec les solides. cycles El Niño La Niña, comme le préssentaient déjà Wunch et al (2008) qui considéraient que l’essentiel des variations Compte tenu de son origine, la composition de autour de la moyenne globale dans la figure 57b est lié aux cette atmosphère primaire de notre Terre et des autres variations régionales de masse, de salinité et de température planètes telluriques devait alors être très proche de celle (paramètres liés), et que cela montre qu’un lien étroit existe du soleil (Tableau 4) ; et c'est encore cette composition entre changement du niveau marin et circulation que nous observons de nos jours autour des planètes thermohaline générale... géantes gazeuses externes, mais ce n’est plus celle d’aucune planète rocheuse, situées en deçà du domaine La discussion sur l’accélération de la remontée n’est pas close. A Cazenave et al. ont montré en 2009 que si Tableau 4 : composition du soleil l’affaire paraissait entendue pour l’heure pour la période ante-2003 déjà évoquée plus haut — le niveau moyen mesuré de façon très précise entre 1993 et 2003 par les satellites franco- américains Topex/Poséidon et son successeur Jason-1 était monté à un rythme relativement constant de 3 mm/an dont plus de la moitié était due à la dilatation des eaux océaniques qui se réchauffent (contribution stérique), alors que 1,2 mm/an provenait des pertes de masse des calottes polaires et des glaciers de montagne — on constate toujours depuis 2003 une hausse assez rapide (2,5 mm/an) du niveau marin, mais le réchauffement de l'océan semble faire une pause, sa contribution à la hausse du niveau des mers n'étant que de 0,4 mm/an. Les auteurs s’appuient sur un calcul de la dilatation conduit par 2 méthodes indépendantes, i) à partir du réseau de bouées Argo qui - 162 -

ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

Fig. 58 : abondances relatives des gaz atmosphériques par enveloppe gazeuse. Mercure et Mars n’y sont pas rapport au Soleil. parvenues, en raison de leur faible masse, et, pour Mercure, en raison aussi de la proximité du Soleil. Mars conserve toutefois une atmosphère très ténue (10 -3 atm.), dont la composition est très comparable à celle de Vénus. Cette ressemblance témoigne de la similitude des processus qui ont présidé à la naissance des atmosphères des planètes internes. Parmi les composés volatils qui sont arrivés à la surface figuraient le CO 2 (le premier en masse, 95%), N 2 (2-3%), les oxydes de soufre, H 2S, HCl et les gaz rares, Hélium, Argon, Xénon, Krypton et Néon. Dans une telle atmosphère, la proportion d’oxygène était < 1%. Cette atmosphère secondaire est “ fille des volcans ”. Elle résulte du dégazage de leur manteau, dont la constitution date du fractionnement des corps rocheux en un noyau dense et métallique et un manteau silicaté. L'origine des gaz contenus initialement dans le manteau est encore très controversée. L'hypothèse des glaces dans la séquence de condensation (Chp. 2). Avec première est que ces gaz ont été acquis lors de la phase l’augmentation de pression et de température, les corps d'accrétion à froid. Mais la géochimie et l'observation planétaires deviennent liquides, et une partie des gaz piégés récente de systèmes stellaires à disques de poussières et de avec les solides s’y dissolvent alors que le reste participe à la gaz suggèrent que l'essentiel des éléments volatils des création de l’atmosphère de ces corps. Plus un corps devient planètes pourrait provenir du bombardement cométaire sur massif, plus il devient capable de retenir cette première les planètes jeunes déjà formées. atmosphère. Nous allons voir que l'histoire du dégazage de la La figure 58 montre que les rapports des concentrations des Terre apparaît compatible avec une origine mantellique de gaz atmosphériques terrestres aux concentrations solaires notre atmosphère. Cela suggère que si l'origine de nos sont extrêmement variés, ce qui suggère que si l'atmosphère volatils est cométaire, leur acquisition fut suffisamment terrestre est issue d'une telle atmosphère primaire, des précoce pour qu'il se soit établi un équilibre avec le processus sont intervenus depuis pour en modifier les manteau terrestre. Le dégazage que nous observons de nos rapports: deux types de processus sont envisageables: jours n'en serait alors que la suite normale. 1 - En premier lieu, le piégeage sélectif dans la géosphère Son étude nous est accessible à travers l’étude de la des gaz; un tel phénomène pourrait en effet avoir composition isotopique des gaz rares. Ceux-ci ont un modifié fortement les rapports de ces gaz par rapport à double intérêt. Par nature ils sont peu susceptibles de la nébuleuse solaire. Cependant les gaz neutres (Néon, réagir avec leur environnement, et certains de leurs Argon, Krypton et Xénon), qui sont extrêmement peu isotopes sont produits par la radioactivité naturelle. réactifs, auraient dû être piégés de conserve et donc conserver les rapports initiaux… il n'en est rien Le rapport entre un isotope radiogénique et un des (Fig. 58). isotopes stables du même élément va donc évoluer dans le temps avec la désintégration de son parent, jusqu'à 2 - En second lieu, la perte vers le cosmos d'une part épuisement de ce dernier. En se concentrant tôt ou tard importante des gaz initiaux pourrait aussi produire à dans l'atmosphère, ces isotopes peuvent alors être utilisés une grande diversité des concentrations. Une fois pour en décrypter l’histoire. encore les gaz neutres nous apportent un élément de 62 réponse. Puisque non réactifs, s'ils avaient subi des Nous allons ainsi nous intéresser à 3 réactions : pertes vers le cosmos, celles-ci auraient dû se faire simplement en raison inverse de leurs poids moléculaires. La figure 58 montre encore qu'il n'en est 62 Rappel -1: tous les éléments ou presque possèdent des rien. isotopes. Certains sont stables, d'autres ne le sont pas. Au- On peut donc en conclure que l’atmosphère terrestre delà du bismuth (Z=83), il n’existe aucun noyau ne porte plus la signature de la nébuleuse solaire , parfaitement stable. Les interactions nucléaires de ces confortant l’hypothèse d’un Soleil jeune sans doute passé énormes atomes deviennent trop faibles au regard de leur comme n’importe quelle étoile de la séquence principale par taille ; cela favorise leur dégradation spontanée en espèces la période de forte activité dite T. Tauri, plus lumineux plus légères. qu’aujourd’hui de 10%, et dont le vent solaire plus violent Rappel –2 : la composition isotopique de notre système aura expulsé à cette époque les atmosphères des planètes est une donnée initiale, fixée au moment où notre telluriques vers des régions plus lointaines. nébuleuse gazeuse, considérée comme homogène, va s'effondrer en un soleil et son système planétaire ; les 2 - L'atmosphère secondaire de la Terre : fille rapports des isotopes stables de ce système homogène sont des volcans alors fixés. Par contre, le chronomètre de la décroissance des isotopes radioactifs est démarré à cet instant dans Les planètes internes se sont donc constituées une notre système. Certains, comme 26 Al, ont totalement seconde atmosphère. Vénus et la Terre, suffisamment disparu de nos jours. D'autres, comme 238 U, dont la massives, ont conservé jusqu’à nos jours cette seconde période est de l'ordre de grandeur de l'âge de la Terre ont - 163 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

1- 129 I ⇒ 129 Xe +e -, réaction β- Fig. 59 : évolution des compositions dans le manteau en 129 I, demi-vie λ = 17 Ma. 129 Xe et 130 Xe. 2- 40 K +e - ⇒ 40 Ar + γ, capture électronique demi-vie λ = 1.2 Ga. 3- 3H (Tritium) ⇒ 3He + e -, réaction β- demi-vie λ = 12 ans et 4 mois.

Les rapports 129 Xe/ 130 Xe ou 40 Ar/ 36 Ar, vont évoluer dans le temps avec la désintégration de le 129 I et de 40 K, jusqu'à épuisement du parent.

a - le dégazage du manteau terrestre a-t-

il été précoce ou tardif? Comment a pu se produire le dégazage du manteau terrestre ? A-t-il été précoce ou tardif? Supposons pour simplifier qu’il ait été instantané et unique. Au moment où il se produit, il opère une différenciation entre les éléments : 1- Il regroupe alors tous les volatils, tous disponibles à cet La figure 59 retrace l’évolution des compositions 129 129 130 instant dans le manteau (dont le Xénon ou l'Argon), et en I, Xe et Xe dans le manteau. constitue l’atmosphère; le manteau ne contient plus de 1- Bien évidemment, la teneur en 129 I est décroissante gaz à cet instant; dans le manteau, que celui-ci subisse ou pas de 2- l’Iode (moins volatil), et le potassium, restent dégazage. préférentiellement dans le manteau. 2- Avant et après cet événement, les teneurs en 130 Xe Deux cas peuvent alors se présenter: sont constantes puisque cet isotope est stable; par contre la teneur en cet élément volatil chute dans le 129 40 1- tout I ou tout K sont déjà consommés à cet instant, manteau pendant le dégazage, considéré comme et il ne peut plus y avoir de production ultérieure de quasi-instantané. 129 Xe ou de 40 Ar dans le manteau; Considérons maintenant l’évolution de la teneur en 129 40 2- il reste de l' I ou du K à cet instant, et il y aura à 129 Xe et du rapport 129 Xe/ 130 Xe dans les deux réservoirs, 129 40 nouveau production de Xe ou de Ar dans le manteau et atmosphère. Dans le manteau avant le manteau. dégazage, la concentration en 129 Xe augmente tant qu'il reste de l' 129 I à désintégrer, et le rapport 129 Xe/ 130 Xe aussi. Dans l'atmosphère, qui prend naissance au moment où le

manteau dégaze, la concentration en 129 Xe et la valeur du épuisé seulement la moitié de leur stock initial. Inversement rapport 129 Xe/ 130 Xe sont fixées par les quantités les produits de ces désintégrations voient (ou ont vu) leur disponibles dans le manteau à cet instant. Si le dégazage quantité croître durant la même période de temps. Les est précoce, la quantité d' 129 I désintégré est faible, et celle rapports isotopiques de ces éléments ont donc évolué depuis de 129 Xe disponible dans le manteau l'est aussi. La teneur la création du système solaire. dans l'atmosphère créée à cet instant l'est tout autant. Au Rappel –3 : dans notre système sont apparus des sous- contraire, elle sera maximale si l'on a attendu λ 129 systèmes que l'on peut considérer chacun comme homogène suffisamment (>10 ) pour que presque tout I soit 129 130 en première approximation. Ces sous-systèmes, ou désintégré. La différence entre les rapports Xe/ Xe du réservoirs, sont reliés entre eux par des flux de matières, manteau et de l'atmosphère qui se créée (en équilibre) est 129 130 129 130 gérés par des processus physico-chimiques ou biochimiques; négligeable ( Xe/ Xe mantellique = Xe/ Xe la Terre peut ainsi être considérée globalement comme un atmosphérique) au regard des variations de ce rapport 129 sous-système, avec ses flux d'échanges avec le reste du provoquées par la radioactivité de I du manteau. système solaire; elle est aussi "découpée" en sous-systèmes Revenons au manteau dans la figure 59 et supposons que (Manteau, croûte, hydrosphère, atmosphère), autant de le dégazage ait eu lieu au temps T c, avant épuisement de 129 réservoirs "homogènes" qui échangent des flux de matière. I du manteau. La désintégration ultérieure de cet iode restant va provoquer une nouvelle augmentation Rappel –4 : si les processus physico-chimiques sont progressive de la concentration en 130 Xe et du rapport susceptibles de modifier les rapports de teneurs entre des 129 Xe/ 130 Xe mantellique. C'est précisément ce que les éléments différents, ils agissent de manière plus subtile sur observations faites de nos jours nous enseignent. Les les rapports isotopiques d’un élément donné, puisque les mesures du rapport isotopique 129 Xe/ 130 Xe, effectuées sur isotopes d’un même élément ont un comportement chimique l’atmosphère et sur des basaltes de rides océaniques (donc identique qui dépend du cortège électronique de l’élément, et issus du manteau), sont respectivement de l’ordre de 7.7 ils diffèrent par leur masse. D'une manière très générale la et 6.5. Si les basaltes des fonds océaniques ont constante d’équilibre isotopique K est peu différente de 1, de comparativement plus de 129 Xe que l’atmosphère, c’est sorte que les variations isotopiques détectées dans la nature donc nécessairement que lorsque le dégazage a eu lieu, il -3 dépassent rarement quelques 10 . Cette constante d'équilibre restait une quantité significative de 129 I dans le manteau. K est thermo-dépendante (fonction inverse de T°); elle tend Or sa période de demi-vie λ n'est que de 17 Ma! vers 1 aux températures élevées. - 164 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

Une première réflexion s’impose. Le dégazage était devenue basse, c’est à dire que le manteau était terrestre, qui correspond à la naissance de la seconde dégazé. atmosphère, a eu lieu très tôt, moins de 170 Ma. après la Les mesures du rapport 40 Ar/ 36 Ar, effectuées sur phase d’accrétion différenciation , située à 4.55 Ga. divers basaltes issus du manteau et dans l’atmosphère ont Une seconde réflexion s’impose: on sait que le Soleil, montré des différences significatives : depuis sa naissance jusqu’au stade géante rouge (qu’il 30000 environ pour les basaltes des dorsales océaniques atteindra vers 10 à 12 Ga.), ne sera pas capable de synthétiser 3000 environ pour les basaltes des points chauds autre chose que de l’Hélium. Par conséquent, les éléments de 300 environ pour l’ atmosphère notre système plus lourds que H et He, y compris 129 I, proviennent d’au moins un autre épisode de nucléosynthèse Nous pouvons en tirer une première conclusion (de type nova) antérieur ou au mieux contemporain de essentielle : ces mesures révèlent l'existence de deux l’effondrement gravitaire de la nébuleuse solaire. La réservoirs isotopiquement très différents, et présence d'iode 129 I en quantité notable dans le système confortent l’hypothèse évoquée au chapitre précédent solaire impose donc aussi qu' il s'est déroulé très peu de d’un manteau à deux étages de convections, au moins temps, certainement moins de 200 Ma. entre l’explosion relativement étanches. 129 de la Nova qui fabrique I et non seulement L'étude du processus de fractionnement de la l'effondrement gravitaire de notre nébuleuse, mais aussi croûte continentale à partir du manteau supérieur nous a l'histoire précoce de la Terre jusqu'au dégazage de son enseigné (Chp. 4) que ce lent processus de construction de manteau... Décidément, toute notre histoire s’est jouée la croûte continentale et d'appauvrissement du manteau “ dans un mouchoir de poche! ”. supérieur avait commencé vers 2.7 Ga et se serait Si nous nous plaçons dans l'hypothèse d'une poursuivi depuis 63 . Le dégazage de l'argon du manteau acquisition cométaire de l'atmosphère terrestre et de son terrestre est-il un processus comparable? 129 équilibrage avec le manteau, la présence de I du manteau 87 ⇒ 87 40 ⇒ 40 129 130 Les chronomètres Rb Sr et K Ar qui va modifier le rapport Xe/ Xe du manteau par rapport étant du même ordre de grandeur et commensurables avec à celui de l'atmosphère permet de penser que la capture du l'âge de la Terre, il apparaît intéressant de confronter ces Xe à partir de comètes aurait aussi été terminée avant les deux systèmes. Dans la figure 61, on a porté en abscisse le premiers 170 à 200 Ma. de la vie terrestre. rapport 87 Sr/ 86 Sr comme indicateur du degré de fractionnement du manteau; en ordonnée, le rapport b - Le dégazage du manteau terrestre a- 40 Ar/ 36 Ar constitue l'indicateur du dégazage mantellique. t-il été Instantané ou lent? Unique ou Un point de mesure situé en haut à gauche (y=30000; multiple? Total ou partiel? x=0.7025) représentera une roche issue d'un manteau à la fois très dégazé et ayant très largement contribué à la Nous pouvons utiliser en premier lieu un autre couple formation de la croûte continentale (typiquement le d’isotopes, ceux de l’Argon, pour répondre à cette question. manteau supérieur). A l'opposé un point de mesure situé La réaction nucléaire 40 K ⇒ 40 Ar, modifie lentement dans la en bas à droite (y=3000; x=0.7050) représentera une roche géosphère le rapport de l’isotope radiogénique 40 Ar à issue d'un manteau à la fois très peu dégazé et n'ayant que l’isotope stable non radiogénique de l’argon, 36 Ar. Au très peu contribué à la formation de la croûte continentale, déclenchement du chronomètre, le rapport initial 40 Ar/ 36 Ar comme le manteau inférieur. peut être considéré comme nul (Fig. 60) car 40 Ar est 40 On constate en premier lieu qu'il n'existe pas de exclusivement radiogénique. La période du K étant très roches provenant d'un manteau profond (n'ayant pas longue, comparable à celle de la vie de la Terre, l’évolution contribué à la formation de la croûte; x>0.704) et qui soit du rapport 40 Ar/ 36 Ar est très lente, et contraste fortement avec fortement dégazé (y>10000). L'étanchéité du réservoir l’évolution du rapport 129 Xe/ 130 Xe qui nous a permis de manteau inférieur s'étendrait donc bien à son contenu mettre en évidence que le dégazage du manteau fut très précoce Fig. 61 : diagramme 40 Ar/ 36 Ar versus 87 Sr/ 86 Sr. Lors de cet épisode , le 40 K est resté dans le manteau dégazé, alors que 36 Ar l’a quitté pour rejoindre l’atmosphère comme les autres gaz rares. Plus ce dégazage aura été important et plus la teneur en 36 Ar du manteau aura chuté lors de cet évènement. En corollaire, on peut donc attendre du rapport 40 Ar/ 36 Ar qu’il signe le degré de dégazage atteint par le manteau (Fig. 60), car après cet épisode le rapport 40 Ar/ 36 Ar a augmenté d’autant plus vite que la teneur en 36 Ar Fig. 60 : évolution des compositions en argon du manteau.

63 L'évolution du rapport 87 Sr / 86 Sr de la croûte terrestre augmente inexorablement plus vite que celui de la moyenne terrestre alors que celui du manteau voit sa croissance d'autant plus ralentie.

- 165 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 gazeux. En second lieu, nombre des échantillons représentés initial terrestre est encore contenue dans le manteau et viennent se répartir le long de l'hyperbole de mélange (vert se sépare de ce dernier pour venir rejoindre l'atmosphère. foncé sur la figure: en représentation linéaire, la courbe de L’empreinte du dégazage du manteau terrestre est donc mélange de deux rapports est une hyperbole et non une encore bien visible, et celui-ci apparaît même encore actif. droite) ce qui signifie que nombre de roches volcaniques Toutefois nous avons souligné plus avant (Chp2.A.1.a) doivent représenter soit un mélange de liquides magmatiques que l’eau océanique porte la même signature isotopique issus de deux sources distinctes, soit que les deux sources D/H que les chondrites carbonées hydratées qui ont peuvent être mélangées, la fusion partielle du mélange bombardé la Terre de façon très intensive à l’Hadéen produisant aussi une signature mixte. (4.56 Ga à 3.8 Ga.), et qui continuent encore à le faire. Il convient donc d’admettre que si notre atmosphère actuelle Nous pouvons en tirer une seconde conclusion porte les traces d’une filiation mantellique, elle porte aussi essentielle : Le manteau profond, qui donne naissance au celles d’une origine extraterrestre riche en eau, en carbone volcanisme des points chauds de rapport 40 Ar/ 36 Ar faible, et en azote. et qui n'a que fort peu contribué à la fabrication de la croûte, apparaît donc nettement moins dégazé que le manteau supérieur qui donne naissance au volcanisme 3 - L'atmosphère tertiaire de la Terre : le des dorsales à rapport élevé, et qui a déjà largement sceau de la vie ? contribué à l'édification des continents. Vénus présente encore de nos jours cette Nous pouvons enfin tirer de tout cela une troisième atmosphère très peu évoluée depuis le dégazage de son conclusion essentielle. Grâce au volcanisme qui amène en manteau. Son enveloppe épaisse et dense exerce une surface des laves d'origine mantellique, le dégazage lent du pression de quelques 92 atm. Dominée par le CO 2 (95%) manteau se poursuit sur Terre … qui engendre un effet de serre très important, elle présente une température au sol de 470°C. Tout conduit à penser A cet égard, le comportement de l'isotope 4 de que l’atmosphère terrestre fut comparable, avec une l’hélium, 4He, est particulièrement intéressant. L’origine de pression au sol de l’ordre de 260 atm. Mais l’atmosphère ce gaz est double : de notre hôte allait subir deux événements majeurs durant 1- Il entre continuellement dans l’atmosphère, sous forme son histoire : de particules alpha (4He) du vent solaire, mais en très 1- la précipitation de l’océan, épisode que Mars a dû faible quantité. connaître elle aussi, mais sous quelle forme ? 2- Il est aussi et surtout produit par la désintégration du L’étude des écoulements (Fig. 62), des figures Thorium et de l'Uranium terrestres; l’Hélium ainsi sédimentaires et l’analyse des sédiments formé dans la géosphère chemine jusqu'à l’atmosphère, commencent à peine et ne nous permettent pas à moins qu'il ne reste piégé quelque part dans la encore de préciser la nature et la forme de géosphère, dans les poches de gaz naturels par l’hydrosphère Martienne. exemple. 2- l’apparition de la vie, qui a complètement De masse très faible, l'hélium peut échapper bouleversé la composition de l’atmosphère terrestre. partiellement à l’attraction de la Terre. Il s’est donc établi un équilibre entre pertes et gains d’hélium dans l’atmosphère, a – La précipitation de l’océan sur Terre où sa concentration est constante: 5,2 ppmv. Dans l'atmosphère, son isotope stable 3He présente lui aussi deux Y. Paccalet décrit la naissance de l’océan terrestre origines possibles: comme « sublime ». Après 300 à 400 Ma. d’existence, peut-être même moins, la Terre s’est suffisamment 1- Il provient forcément pour partie du stock initial de la refroidie pour atteindre le point de condensation de l’eau, Terre; Fig. 62 : réseau hydrographique de type désertique sur Mars 2- Il provient aussi de la désintégration de 3H (tritium). Mais le tritium terrestre, lui, n'a qu'une seule origine. Il est formé dans la haute atmosphère, entre 10 et 30 km d’altitude, par la réaction des neutrons cosmiques (n) sur l’azote: 14 N + n ⇒ 3. 4He + 3H, et sa période de demi-vie (12 ans) est courte. Une partie se trouve piégée dans la vapeur d'eau, et le reste, très léger tend à quitter l'atmosphère terrestre rapidement, de même que son élément fils, 3He. On peut donc considérer l'influence de 3He radiogénique comme négligeable dans la basse atmosphère ou l'hydrosphère, et dire que les concentrations en 3He y sont le reflet du stock initial terrestre. Or on constate que le rapport 3He/ 4He dans l’eau de mer est très variable géographiquement, et constitue un marqueur remarquable des sources sous-marines liées au volcanisme des rides océaniques (Chp.4.E.2.b Fig. 32). Il faut donc en conclure que, lorsque le manteau terrestre fond partiellement pour donner des liquides magmatiques qui vont alimenter le volcanisme de ces rides, une partie de l'hélium

- 166 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 soit 375°C à 260 atm. L’atmosphère se condense en Fig. 63 : diagramme de phases de H 2O. nuages, et pour la première fois, il pleut! La signature Le trait bleu, P = 1 bar, montre que sur Terre les 3 états de l’eau isotopique 18 O/ 16 O élevée de zircons datés de 4.3 à 4.4 Ga. sont possibles ; le trait vert montre qu’à la pression partielle en (Mojzsis et al 2001) témoigne d’une hydratation eau de l’atmosphérique martienne (0.7 mbars ) l’eau ne peut conduisant à la formation d’argiles recyclées dans le être liquide. Lire MC - Atm - Condensation - Coup.htm , MC - Atm - Vapeur saturante - Coup.htm manteau, ce qui suggère qu’un cycle hydrologique existait - dès cette époque. La forte solubilité du CO 2 et de HCO 3 dans l’eau liquide enrichit corrélativement l'atmosphère en azote. Les pluies contiennent aussi beaucoup d'acides, HCl, H 2SO 4, HNO 3. Elles vont changer la face du globe. Les acides attaquent les roches magmatiques et volcaniques terrestres, entraînant plus encore que de nos jours les éléments dissous, Si 4+ , Al 3+ , Mg ++ , Fe ++ , C a++ , Na +, K +, vers quelque flaque qui se transforme rapidement en un océan qui couvre suppose-t-on 95% de la planète. Dans cette eau vont naître de nouvelles espèces minérales, résultant de l’hydrolyse des roches :

1- des argiles, fabriquées à partir des ions les moins solubles (Si4+, Al3+, Mg++, Fe++) ; Des traces de réseau hydrographique (Fig. 62) comparable à ce que l’on peut observer dans des régions désertiques 2- des sels tels que les chlorures, NaCl ; terrestres tendent à prouver que Mars a bien eu, elle 3- des carbonates, qui vont jouer un rôle fondamental aussi, sa période faste . Depuis, le manque de masse de la dans la composition de l’atmosphère. La spéciation des planète a joué son rôle et Mars a perdu presque totalement espèces en solution montre en effet que les espèces son atmosphère. L’eau existe toujours sur Mars, mais en CO2 et H2CO3 sont présentes en faible quantité raison de la pression très basse qui y règne, de l’ordre de seulement dans l'eau de mer, et que les ions carbonates celle du point triple de l’eau, c’est un rythme à 2 temps HCO3-, CO32- sont par contre très dominants. Deux qui s’y joue actuellement : sublimation; cristallisation équilibres en solution sont donc essentiels dans cet (Fig. 63). Mars a-t-elle connu la même décarbonatation de océan primordial: son atmosphère? Si oui, fut-elle strictement chimique, ou biochimique? Nombre de questions sont encore débattues. - + HCO 3 + H → H2O + CO 2 2- + → CO3 + 2H H2O + CO 2 b – La précipitation de l’océan sur Mars ? Ils vont gérer le stockage du CO 2 atmosphérique dans On espérait donc trouver de nombreux l'océan qui vient de se former. affleurements de roches carbonatées sur Mars, d’autant L'ion Ca 2+ étant très abondant dans l'océan et le que la plupart des météorites martiennes trouvées sur carbonate de calcium (CaCO 3) peu soluble, l’apparition de Terre contiennent des carbonates dans les fissures. C’est l’océan planétaire soustrait du CO 2 de l’atmosphère et le d’ailleurs dans de telles fissures de la météorite stocke sous forme solide dans la géosphère . Ces premiers ALH84001 que des structures filamenteuses comparables sédiments archéens montrent la texture caractéristique au vivant ont été observées en 1996 (Chp. 2, C2). (texture “Lazarus”) des carbonates précipités par saturation. Toutes les données dont nous disposons Avec eux, l’effet de serre peut enfin diminuer actuellement sur Mars, collectées par spectrométrie IR Pour H. Holland , la décroissance du CO 2 tant en orbite qu’au sol, suggèrent que les carbonates sont atmosphérique fut sans doute rapide, et cet auteur considère absents de la surface de Mars. Nos spectromètres ne sont que le niveau actuel est atteint à 3.5 Ga. environ (Fig. 66 certes pas très adaptés au sol rugueux de Mars et peut- § ,F.3.c, p. 171). Pourtant les carbonates recensés de nos être, dans ces conditions vaudrait-il, mieux choisir la jours sont presque tous d'origine biochimique. Plus encore, mesure d’autres bandes spectrales, dans le proche IR ? c'est avec l'explosion de la vie pluricellulaire vers 700 Ma., Nombre de scientifiques en doute, qui considèrent que que les coquilles et les calcaires abondent. Pour J. Lovelock , l’absence de carbonate sur Mars et à l’inverse l’abondance auteur de la théorie Gaïa, selon laquelle l'équilibre à la des sulfates, doivent être admis comme des faits. Cette surface le la Terre s'établit entre la géosphère, l'atmosphère absence actuelle ne signifie d’ailleurs pas que les plus l'hydrosphère, et la biosphère, l'élimination du CO 2 carbonates n’ont jamais été présents. Peut-être le sont-ils atmosphérique est biologique. encore en profondeur, ou dans des anfractuosités des roches ? Le premier relevé de la composition chimique de l'atmosphère martienne a été réalisé par l'américain G.H. L’atmosphère actuelle très tenue de Mars et Kuiper (1952). Il compara les spectres de la lumière l’absence d’ozone ne protègent pas son sol des UV renvoyée par la Lune et par Mars et certifia la présence d'un solaires. Ceux-ci semblent en mesure de dissocier tout pourcentage élevé de CO 2 dans l'atmosphère martienne. On carbonate qui serait présent de nos jours à la surface de sait depuis les missions Mariner 4, 6, 7 et 9 que l'atmosphère Mars. Qu’en était-il de Mars jeune ? Elle possédait une de Mars contient 95.3 % de CO 2, 2,7 % d'azote et 1,6 % atmosphère proche de celle de la Terre ou de Vénus à d'argon, des traces d'oxygène (0,13 %), de CO (0,07 %) et cette époque, mais en quantité plus faible en raison de sa d'hydrogène. L'oxygène proviendrait de la décomposition du taille et d’un dégazage probablement limité par son CO 2 des calottes polaires. refroidissement plus rapide. Sur Mars encore plus éloignée du Soleil que la Terre, l’eau liquide n’a pu Mars a-t-elle subi le même déluge vital que la Terre?

- 167 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 exister qu’avec un effet de serre suffisant pour dépasser le planète de petite taille et donc refroidie rapidement, qui a point de congélation de l’eau. Les conditions furent très donc perdu rapidement sa convection mantellique et la probablement réunies sur Mars, avec une atmosphère post protection de sa magnéto hydrodynamique 65 (vers 4 Ga.). dégazage qui devait dépasser les 2 atmosphères de pression Très tôt, elle s’est vue criblée par ces ions à haute vitesse de CO 2. Si la précipitation de l’eau s’est produite, et avec elle dont les collisions avec les molécules de l’atmosphère celle des carbonates, pourquoi la surface de Mars n’en communiquent aux atomes une vitesse souvent supérieure montre-t-elle plus aujourd’hui ? Les UV ont-ils fait à la vitesse de libération de la planète. disparaître tout carbonate de sa surface ? Pourquoi Mars a-t- Sans eau liquide, sans protection magnétique, et elle perdu son atmosphère ? Il semble que la réponse se sous une atmosphère de plus en plus ténue, les carbonates trouve dans le fonctionnement interne de la planète. Lors de martiens ont peut-être eux aussi totalement disparu de la la précipitation de l’eau vapeur en océan le stockage du CO 2 surface de la planète sous l’effet du bombardement des atmosphérique sous forme de carbonate a fait s’effondrer UV? l’effet de serre, sur Mars comme sur la Terre. Les rapports isotopiques (tableau 5) que nous Mais notre planète est dotée d’une quantité d’énergie avons utilisés précédemment pour étudier l’atmosphère suffisante pour que son manteau convecte, alors que sur Mars terrestre nous apportent pour Mars des enseignements du ce processus a dû s’arrêter très tôt. Or cette convection est 12 13 64 même ordre. Certains sont d’ailleurs similaires ( C/ C, indispensable au recyclage du carbone . Dans les zones de 16 O/ 18 O et 36 Ar/ 38 Ar). Le rapport deutérium/hydrogène subduction, une partie des carbonates CaCO 3 précipités au (D/H) est par contre beaucoup plus élevé dans fond de l’océan est injectée dans le manteau. La l'atmosphère martienne que sur Terre, suggérant bien que transformation en profondeur du carbonate de calcium en 'hydrogène plus léger que le deutérium s'est donc échappé silicates calciques libère le carbone qui est ensuite réinjecté plus largement au cours du temps sur Mars que sur Terre. dans l’atmosphère par les volcans sous forme de CO 2. C’est Sa valeur actuelle suppose qu'une énorme fraction de probablement ainsi que la Terre a pu garder un effet de serre l’hydrogène a quitté Mars. en équilibre et donc son eau liquide, quand Mars allait inexorablement voir disparaître son eau liquide. A partir de là Tableau 5 : rapports isotopiques des atmosphères tout concourt pour lui faire perdre son atmosphère : Rapport Mars Terre 1- Chaque impact de météorite qui confère aux molécules D/H 0,00077 0,00015 atmosphériques une vitesse supérieure à leur vitesse de 12 C/ 13 C 90 (+/- 5) 89 libération contribue à appauvrir une atmosphère qui 16 O/ 18 O 490 (+/- 25) 489 n’est plus renouvelée. Comme sur Terre, l’épisode de 14 N/ 15 N 170 (+/- 15) 272 bombardement intensif a cessé très tôt et ce phénomène 36 Ar/ 38 Ar 5,5 (+/- 1,5) 5,3 a dû devenir rapidement peu significatif ; 40 Ar/ 36 Ar 3000 (+/- 500) 296 129 132 2- L’échappement continu des gaz dans la région externe Xe/ Xe 2,5 0,97

de l’atmosphère, définie au début du chapitre 5, 14 15 l’exosphère. Ce mécanisme a lieu tout au long de la vie Le rapport N/ N est lui aussi très différent de de la planète. Il fonctionne selon deux modes : celui de notre atmosphère, traduisant encore un 14 l'échappement thermique est comparable au échappement référentiel de isotope léger, N. Un tel 15 mouvement brownien, et ne concerne sur Mars comme enrichissement relatif en N (60% par rapport à la Terre) sur Terre que les atomes de H, très légers et est généralement considéré comme le résultat d’une fuite suffisamment accélérés par le rayonnement de basse significative en azote. Il en va de même pour le rapport 40 36 fréquence du soleil jusqu'à atteindre la vitesse de Ar/ Ar libération de la planète; l'échappement non thermique Par contre, les rapports isotopiques de l'oxygène met en jeux le rayonnement solaire de haute fréquence, (16 O/ 18 O) et du carbone ( 12 C/ 13 C) montrent moins de 5% dont la grande énergie permet de casser de différence avec les valeurs de l'atmosphère terrestre. La (photodissociation) les molécules H 2O, CO 2 ou CH 4 perte apparaît ici minimale, laissant à penser qu’en O2, N 2. L’hydrogène peut alors acquérir une énergie interagissant fortement avec les roches le CO 2 et la vapeur cinétique suffisante pour s'échapper dans l'espace. d'eau (H 2O), auraient subi des pertes très faibles. L’atmosphère externe des planètes est soumise au Le rapport 129 Xe/ 132 Xe suppose à l’inverse un vent solaire , qui transporte avec le plasma une fraction du enrichissement relatif en isotope léger dans l’atmosphère champ magnétique solaire gelé. Les atomes ionisés de cette martienne par rapport à celle de la Terre, or il s’agit là région de l’atmosphère des planètes sont accélérés par ce d’isotopes d’un élément lourd, et normalement se sont les champ, et précipités vers la planète. Sur une planète atomes les plus légers qui s’évadent en plus grand. possédant un champ propre actif, comme la Terre, ces Rappelons que 129 Xe provient de la décomposition de particules n’atteignent pas l’atmosphère dense. Mars est une l’iode 129 I, et que lors de l’épisode de dégazage, cet iode moins volatil que le xénon est resté préférentiellement

64 L'étude isotopique menée sur la météorite en provenance de Mars QUE 94201 a montré que le rapport initial D/H de 65 Mars Global Surveyor a découvert les traces d’un l'eau sur Mars est similaire à celui des comètes alors que magnétisme rémanent fossile dans les hauts plateaux de celui de la Terre est de l’ordre de 2. L’eau martienne serait l'hémisphère sud, régions les plus anciennes de la planète donc quasi exclusivement d’origine cométaire, quand celle et qui correspondraient à un gigantesque continent sur de la Terre résulte sans doute d’un mélange d’eau cométaire Terre. Ces reliques magnétiques prouvent que Mars et d’eau mantellique. possédait alors dans un champ magnétique actif global. - 168 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 dans le manteau. Nous avons vu qu’après cet épisode de molécules ; au-delà d’une certaine taille elles peuvent dégazage, précoce dans l’histoire des planètes, le 129 Xe était même se diviser en 2. Mais ces structures ne présentent progressivement relargué par les volcans, faisant augmenter aucune des caractéristiques métaboliques et reproductrices le rapport 129 Xe/ 132 Xe. Si le même phénomène s’est produit du vivant. Cette voie, souvent reprise, est pour l’heure sur Mars, l’excès de 129 Xe ne peut s’expliquer que par un sans issue. déficit du xénon strictement atmosphérique, 132 Xe. Si celui-ci Cairns-Smith , ou Wächtershäuser, proposent une fait défaut c’est sans doute qu’une part importante de autre voie endogène qui prend le relai de la précédente au l’atmosphère martienne avait disparu AVANT le relargage stade où les premières briques du vivant sont formées. du 129 Xe par le manteau dans l’atmosphère. Pour les Pour ces auteurs, la structures répétitive et les liaisons « nirgalogues » (Nirgal est à Mars ce que Gaïa est à Geo) faibles présentent sur certaines des faces des minéraux (les un tel phénomène conduit à penser qu’une violente collision argiles pour Cairn-Smith et la pyrite pour aura pu dépouiller très tôt Mars de son atmosphère fille des Wächtershäuser) sont à l’origine d’une part de la sélection volcans. Cet épisode violent s’est sans doute passé très tôt des molécules sélectionnées par le vivant avant que celui- dans l’histoire de Mars, car la fameuse météorite ALH ci ne soit autoreproductible, et d’autre part le lieu de 84001, formée il y a 4.5 Ga. présente dans les gaz qu’elle naissance des macromolécules indispensables au vivant. contient un rapport 129 Xe/ 132 Xe comparable à celui de Nombre d’auteurs acceptent aujourd’hui l’idée que la l’atmosphère actuelle de Mars. L’abrasion de l’atmosphère chiralité gauche de molécules du vivant soit le fruit de la martienne est donc antérieure ou contemporaine de la 14 15 géométrie électrique de surface des minéraux. Ainsi, alors formation de cette météorite. Par contre le rapport N/ N que les expériences de la chimie prébiotique fabriquent des gaz de ALH 84001 est beaucoup plus fort que celui de autant de molécules carbonées gauches et droites (ceci est l’atmosphère actuelle, ce qui démontre qu’à l’époque où également vrai pour les molécules carbonées contenues cette météorite a quitté Mars, les effets du vent solaire sur dans les météorites), le piégeage d’une forme plutôt que son atmosphère n’étaient pas encore identifiables, la planète l’autre par les minéraux aurait permis une sélection par le étant sans doute encore tectoniquement et magnétiquement vivant de la forme gauche. On sait en effet que active. l’homochiralité est un caractère nécessaire à la vie car les propriétés des molécules (enzymatiques en particulier) c - L’apparition de la vie et l’apparition des dépendent de leur forme. La présence de deux formes, conditions oxydantes gauche et droite d’une même molécule n’est donc pas compatible avec le vivant. En outre, plusieurs chercheurs Lire Q - Vie - Apparition de la vie - Magids.htm . De « notre » ont montré que les argiles offrent un support privilégié point d’observation, êtres vivants, le rôle essentiel de cette aux briques constitutives de l’ARN, ouvrant peut-être précipitation primordiale en océans, lagunes ou étangs aux ainsi la voie à la fabrication des protéines ? Pour eaux tièdes aura été d’apporter à la vie l’eau liquide Wächtershäuser, les premières entités vivantes furent des indispensable qui lui manquait pour se développer. Solvant revêtements moléculaires adhérant aux surfaces de la essentiel, elle allait en outre constituer l’abri la soustrayant pyrite (sulfure de Fe, FeS). De fait on constate que aux UV solaires qu’aucune ozone stratosphérique ne venait certaines enzymes métaboliques contiennent des atomes contrecarrer à l’époque. Au-delà, les imaginaires vont bon de Fe et de S ? Les réactions biologiques font intervenir train : certains se calent sur nos chroniques de la naissance l’ammoniac NH qui pouvait être produite dans l’océan du monde, déplaçant la main des dieux au gré des 3 primordial au niveau des rides océaniques. La réaction découvertes de la cosmochimie et de la biologie; d’autres se d’hydratation de l’olivine du manteau [SiO ](Fe, Mg) font l’inventeur du lieu où la première association de 4 2 +H O l’oxyde en et serpentine libère du dihydrogène H , composés est devenue biotique, et leurs schémas d’apparition 2 2 sont complexes… Olivine + H 2O → Serpentine + H 2

Dans une première voie endogène (vie apparue sur Par réaction avec le CO 2 et l’azote dissous, Terre) les chercheurs se sont tournés vers la chimie apparaissent le méthane et l’ammoniac libérés par les prébiotique. Ainsi les briques qui constituent le vivant sont fumeurs noirs des sources hydrothermales, fumeurs noirs sorties du chaudron de S. Miller , qui fut dans les années 50 le construits essentiellement en pyrite. Somme toute, les remarquable expérimentateur des idées d’ A. I. Oparin et J. constituants des réactions pouvant conduire à la vie étaient Haldane (soupe de composés carbonés, azotés, phosphatés ici réunis, et l’on peut écrire : - 2+ océan soumise à des décharges électriques). {210CO 2 + H 2PO 4 + (Fe, Mn, Ni, Co, Zn) } + - fumeur noir Cette voie expérimentée pendant plus de trente ans a {427H 2 + 10NH 3 + HS } toujours donné naissance à des acides aminés, mais elle n’a proto-vie jamais été susceptible de produire les macromolécules du {C 70 H129 O65 N10 P (Fe, Mn, Ni, Co, Zn) S} vivant, ni bien sûr l’ARN indispensable à toute vie… + déchet Aucune expérience n’a jamais vu non plus se constitue une {70H 3C-COOH + 219H 2O} . cellule, même en partant de protéines et/ou d’acides Cette voie est intéressante dans la mesure où la nucléiques déjà présents. Dans ses expériences, Oparin a Greigite (Fe 5NiS 8) est un sulfure aux propriétés catalyseur montré que le dipôle hydrophile et hydrophobe des reconnues, qui aurait pu accélérer la production du macromolécules conduit à fabriquer des membranes qui premier ARN, formé à partir de 3 ATP, molécule peuvent se fermer sur elles-mêmes et constituer ainsi un facilement disponible dans les conditions physico- milieu intérieur séparé du milieu extérieur. S. Fox a montré chimiques des fumeurs noirs, en les associant en un dans les seventies que ces microsphères peuvent échanger premier triplet simple AAA à la surface de la pyrite... avec le milieu extérieur, absorber de l’eau et des petites

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La voie exogène suppose que les briques de la vie ont Fig. 64 : stromatolithes actuelles. été fabriquées dans le cosmos, puis transportées et déposées par les météorites, en particulier celles du type chondrites carbonées hydratées de Murchison, ou les comètes qui ont croisé notre chemin comme le propose la panspermie de H.E. Richter puis de S. Arrhénius à la fin du XIX°-début XX°, et comme le montrent les observations actuelles de la cosmochimie… Si une telle origine présente un intérêt certain au plan philosophique, la vie sur Terre devant alors être considéré comme un processus très ordinaire au-delà d’un certain degré de complexité, son intérêt strictement scientifique est mince ; cela peut s’appeler « reculer pour mieux sauter » ! En outre, pour l’heure, cette voie n’apporte rien en matière de chiralité ni d’obtention des macromolécules indispensable

Une chose est certaine, la vie est apparue très tôt stromatolithe fossiles,Australie-Plbara 3.5 Ga. sur la Terre, probablement dès que les conditions physiques l’ont permis , c'est-à-dire sans doute dès la précipitation de l’océan et c’est une des raisons fondamentales qui poussent à imaginer que la vie fut aussi possible sur Mars. Sur Terre, les roches sédimentaires (seules susceptibles de contenir des fossiles) les plus anciennes reconnues sur Terre sont celles d’Isua au Groenland. Elles datent de 3.8 Ga. Mais il s’agit de roches transformées par métamorphisme ; la pression et la température atteintes auront alors effacé toute trace morphologique de vie que ces roches pouvaient contenir. Mais le métamorphisme ne transmute pas les éléments chimiques et ne modifie pas les rapports isotopiques des éléments. Or, le rapport isotopique 13 C/ 12 C, d’échantillons de ces roches anciennes est dit non minéral , c'est-à-dire qu’il est différent de celui que l’on mesure d’ordinaire en chimie minérale. On observe en effet Boetsap, Northern Cape (Afrique du Sud) 2.5 Ga que le vivant prélève plus de 12 C que de 13 C sur son environnement pour se développer. Si l’on se réfère à l’âge attribué au bombardement cométaire et météorique très intense subi par les planètes internes — Chp. 4, §D-1-b, 700 Ma. après la formation du système solaire soit environ 3.9 Ga. — qui a sans doute stérilisé complètement la surface terrestre, le rapport 12 C/ 13 C non minéral d’Isua montre qu’il aura fallu très peu de temps pour atteindre la complexité biologique nécessaire pour que le métabolisme signe sa présence sur la Terre (3.8 Ga.). On imagine que ces formes de vie primitives, dans les conditions très réductrices qui régnaient alors, sont très probablement des bactéries anaérobies. Les premières concrétions carbonatées produites par Filament fossile 3.5 Ga. (taille quelques dizaine de le vivant ont été identifiées dans des roches d’Australie à microns), Lame mince peine plus récentes (3.5 Ga.). Leur texture, bien différente de la texture Lazarus évoquée plus haut, est similaire à celle des stromatolithes actuels (Fig. 64). Il s’agit de voiles bactériens, produit de l’activité d’algues unicellulaires (algues bleues ou cyanobactéries). Leur piégeage du CO 2 s’accompagnant de celui du calcium, et les voiles bactériens de cyanophycées font précipiter à leur contact des feuillets de calcite CaCO 3. Elle sont ainsi à l’origine d’un changement très important de la chimie de l’atmosphère terrestre. Leur production d'oxygène par photosynthèse est responsable de la « Grande Oxydation » et leur contribution au premier puits biologique de carbone va conduire à une désacidification des océans, lorsqu'elles se seront organisées en colonies fixées (stromatolites), capables de produire du calcaire (Lire MC - Vie - Cyanobacterie - Magids.htm ). L’existence de la chlorophylle vers 2.7 Ga. est semble-t-il attestée par l’observation de petits prismes dénommés pristanes , qui miment la chlorophylle dans quelques échantillons rocheux.

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La présence de formations sédimentaires appelées Fig. 65a-c : Banded Iron Formation (BIF) : BIF (Fig. 65a; Banded Iron Formations), constituées a)2.5 Ga., NO Australie majoritairement par l’alternance de lits de grains de quartz et de lits d’oxyde de fer Fe 2O3 (Fig. 65b) déposés sur des surface considérables —e.g. les BIFs de Pibara dans l’Ouest Australien couvrent 150 000 km2 et représentent 10 12 tonnes de fer — suggère fortement qu’il y ait eu de l’oxygène libre dans l’océan pour rendre possible leur formation et cela renforce l'idée que la photosynthèse était déjà à l'œuvre à cette époque. En effet, l'atmosphère née des volcans étant principalement constituée de CO 2, N 2, SO 2 et H 2O, ni l'océan ni elle, ne sont oxydants. Le Fer arraché aux roches par les pluies acides est donc transporté et stocké sous sa forme réduite (Fe 2+ ), qui est très soluble. Dans l'hypothèse où les BIFs résulteraient de la précipitation du http://www.ees.rochester.edu/ees119/Lect4.html Fe 2+ en Fe 3+ en présence d'oxygène libre, il aura donc fallu dans un premier temps que les algues saturent en b) alternance de lits de quartz (Si0 2), hematite (Fe 2O3), siderite oxygène tous les minéraux de l’océan. Cependant, il (FeCO 3) et stilpnomelane K,Fe, Mg, Al-silicate). existe des BIFs à 3.5 Ga., qui sont bien antérieurs aux pristanes. S'agit-il simplement d'un manque de fossiles de cette époque? Peut-être n'a-t-il pas fallu attendre la saturation en oxygène de l'océan pour transformer Fe 2+ en Fe 3+ ? Le rôle joué par la chlorophylle dans la photosynthèse est + d'arracher des H de l'eau (ce qui libère de l'oxygène), car en effet la construction du vivant réclame une quantité importante d'hydrogène. Prenons la composition moyenne du vivant, soit à peu près C 60 O40 N2H100 , et tentons de le construire à partir des molécules dissoutes dans l'océan à cette époque : http://museum.wa.gov.au/research/collections/earth-and-planetary- sciences/rock-collection/banded-iron-formation 1- les 60.C viennent du CO2 ou du HCO3- et le bilan est, pour 60.C: 0 ≤ H ≤ 60; 120 ≤ O ≤ 180 c) Mine de fer de Thabazimbi, Afrique du Sud 2- Les 2.N viennent du NO2 ou du NO3, ce qui ne compense pas le déficit d'au moins 40.H Il nous manque donc une source d'hydrogène, et c'est peut-être le Fe 2+ qui a alors joué ce rôle, de façon indirecte. On sait que Fe 2+ peut être oxydé sous l'effet des UV, selon la réaction: Fe 2+ + h ν (UV) → Fe 3+ +e - L'électron ainsi éjecté va, en se combinant à un proton, donner un H + qui sera immédiatement capté par la vie. L'effet d'un tel mécanisme est donc d'une part de déplacer l'équilibre en faveur du Fe 3+ qui, beaucoup moins 2+ soluble que Fe , précipite en BIF, et d'autre part de favoriser la vie en lui cédant les hydrogènes qui lui http://web.uct.ac.za/depts/geolsci/dlr/hons1998/thaba2.jpg manquent. processus méthanogènes qui associent H et C en CH 4. Dès Selon David C. Catling et al 2001, la concentration lors la perte irréversible d’hydrogène vers le cosmos basse en O 2 dans l’atmosphère archéenne implique que le devient possible, et l’on peut exprimer ce processus méthane était 100 à 1000 fois plus abondant qu’aujourd’hui. comme suit : On sait le rôle positif du CH 4 dans l’effet de serre et sa (cosmos) CO 2 + 2H 2O → CH 4 + 2O 2 + CO 2 + O2 + 4H capacité à absorber la lumière solaire, mais il pourrait avoir eu un autre rôle dans l’histoire de notre atmosphère. Soumis Selon K. Konhauser (2009) l’océan ancien devait au rayonnement solaire UV, le CH 4 est aisément dissocié et, être riche en Ni car les sédiments Antécambriens le sont. comme nous l’avons vu à propos de Mars, l’hydrogène ainsi Cette richesse est vraisemblablement héritée des laves libéré atteint aisément la vitesse de libération de la planète, émises à cette époque. En effet, leur composition va celle de Mars bien sûr, mais aussi celle de la Terre. Cette changer progressivement avec le refroidissement du perte est celle d’un puissant réducteur, ce qui revient de facto manteau. Elles étaient plus riches en Ni durant les 1° âges à oxyder la planète Terre. L’apparition de la photosynthèse de la Terre car le volcanisme était alors largement aurait, selon ces auteurs, favorisé ce processus. En effet, en komatiitique (très magnésien, de haute température et dissociant l’eau en O 2 et H 2, la photosynthèse favorise les riche en Ni) et ce type de volcanisme allait céder la place à des épanchements à température plus basse, de type - 171 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 basaltique moins riches en Ni. C’est cette décroissance que Fig. 66 : évolution de la composition de l'atmosphère. l’on observerait dans les teneurs en Ni des sédiments. Mais le nickel est par ailleurs un nutriment essentiel des micro- organismes méthanogènes, qui ont ainsi dû voir leurs conditions de vie se détériorer à cette période, favorisant ainsi les cyanobactéries insensibles à cette modification. Un tel processus ne pouvait donc que concourir lui aussi à l’oxydation de l’océan. En résumé, les voies de l’oxydation de l’atmosphère terrestre ont sans doute été multiples, et elles concourent à élever brutalement et définitivement le taux d’oxygène libre dans l’atmosphère vers 2.5 à 2 Ga. (Fig. 66). La période des 12 13 BIFs ne s’étend pas au-delà de 1.7 Ga. Pour beaucoup C/ C très abaissé de ces sédiments d’après certains d’organismes vivants de l’époque, l’augmentation de la auteurs. Inversement la biomasse anoxique, en particulier quantité d’oxygène devenait toxique, et donc surgissait en méthanogène, pourrait avoir proliféré, augmentant P CH4 même temps une première crise du vivant. d’équilibre entre l’atmosphère et l’océan et favorisant la précipitation d’hydrate de méthane dans les sédiments. La Cette explosion de la vie implique une présence de BIF témoigne pour certains auteurs d’un surconsommation du carbone, et l’on a vu que le CO 2 est une abaissement important du potentiel redox juste avant ou denrée qui s’est raréfiée dans l’atmosphère dès 4 Ga.. Dans au début de la précipitation des carbonates. Ceux-ci, parce une atmosphère devenue oxydante, la photosynthèse soustrait qu’ils coiffent les dépôts glaciaires, témoignent d’un une fraction du CO 2 qu’elle stocke dans les végétaux retour des conditions chaudes, mais aussi du déplacement (fussent-ils unicellulaires), mais à leur mort, la dégradation de la P CO2 d’équilibre entre l’atmosphère et l’océan. On du vivant renvoie le CO 2 à l’atmosphère, et il s’établit un imagine alors que, la glaciation généralisée ayant fait équilibre entre le réservoir atmosphérique et la biosphère. chuter la biomasse photosynthéthique, la part du CO2 C’est ainsi que de nos jours, une forêt mature, en équilibre, volcanique dans l’atmosphère remonte. Ce nouvel présente des bilans de consommation de CO 2 et de emballement, de l’effet de serre cette fois , conduirait production d’O 2 globalement nulle. Mais à cette époque alors à la fusion brutale de la glace et à la précipitation du ancienne, l’équilibre ne sera atteint que vers 2 Ga. et le bilan carbonate. La vie reprenant ses droits sous des auspices en oxygène apparaît très largement positif. plus cléments, un nouvel équilibre serait atteint. Réduction du CH 4 et stockage du CO 2, l’effet de serre Comment les cyanobactéries, qui ont survécues n’a donc probablement cessé de décroître durant cette jusqu’à nos jours, ont-elles finalement résisté à la grande période. Est-il le seul responsable de l’apparition des oxydation ? premières glaciations ? C’est en tous cas vers 2.3 Ga. que l’eau solide apparaît sur la Terre pour la première fois. On P. Jamet résume comme suit les travaux d’un connaît en effet de par le monde un type de série de faciès groupe de chercheurs de CalTech sur la façon dont les rocheux qui laisse à penser que des conditions très dures sont cyanobactéries du paléoprotérozoïque (de 2,5 à 1,6 réapparues qui ont pu mettre en péril la vie sur Terre, à milliards d'années avant l'actuel) ont pu résister à plusieurs reprises, d’abord vers 2.3 Ga. puis à quatre reprises l'oxygénation de l'atmosphère qu'elles ont elles-mêmes entre 1Ga et 550 Ma. Cette association est la suivante : provoquée. 1- la base de la série est constituée d’un sédiment L'oxygénation de l'atmosphère étant un coproduit identique aux dépôts glaciaires marins actuels, de la photosynthèse, il restait à lever le paradoxe du provoqués par la fonte les icebergs ; cheminement évolutif suivi par ces microorganismes pour 2- la série continue avec des dépôts de fer identiques à survivre au changement écologique brutal de la "Grande ceux des Banded Iron Formations ; Oxydation" (aussi appelée Catastrophe de l'Oxygène). 3- enfin la série se termine par un dépôt de carbonates de L'acclimatation des cyanobactéries à ces nouvelles type archéen, à texture Lazarus . conditions supposait en effet une pression évolutive "oxygénée" préalable dans l’environnement anaérobie qui Leur extension quasi généralisée jusque vers les était le leur jusque là. basses latitudes (au moins jusqu’aux tropiques) a fait dire à Joseph L. Kirschvink en 1992 que le globe a dû être « a Les chercheurs de CatTech ont eu l'idée de relier la Snowball Earth », conformément au modèle de Mikhail Grande Oxydation au premier épisode de « snowball Budyko (1964), qui prédit que l’accroissement de l’albedo lié earth ». Les états de "snowball earth" sont caractérisés par au pouvoir réflecteur de la glace et de la neige pourrait, par un quasi-arrêt du cycle de l'eau à cause de l'avancée des emballement, entraîner l’englacement total de la planète. glaces polaires jusque dans les régions équatoriales. A La surface croissante de la glace réfléchit une grande partie cette époque, l’atmosphère n’est pas encore oxygéné et des rayons solaires, qui sont alors plus renvoyés dans donc les UV solaires n’ont pas encore fabriqué la couche l'espace sans réchauffer la Terre, et le refroidissement d'ozone stratosphérique protectrice, donc le rayonnement s'accélère. La glace gagne ainsi les tropiques, peut-être même UV parvient jusqu’à la surface de la Terre. En frappant la l’équateur ? D’autres parlent de « Planète Igloo ». Totales glace, ces UV très puissants aurait permis une production ou pas, les glaciations ont bien eu lieu durant cette période, et une accumulation de peroxyde d'hydrogène (H 2O2) dans leur durée aurait été à chaque fois de 10 Ma. environ et les la glace, beaucoup plus intense que l’enrichissement en conditions très froides qu’elles imposent paraissent bien H2O2 de la glace actuellement observé en Antarctique (du avoir provoqué une diminution considérable de la biomasse fait de l'appauvrissement de la couche d'ozone). assurant la photosynthèse et que pourrait traduire le rapport Lors de la déglaciation, la fonte des calottes aurait - 172 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 re-largué le peroxyde dans les océans, exposant les environs de 670 Ma., et la première faune connue cyanobactéries de manière progressive et modérée et (Ediacara, en Australie) était datée de 600-550 Ma., c’est exerçant la pression évolutive qui leur aurait permis de à dire peu après le dernier snowball connu. développer les précurseurs des enzymes nécessaires à leur Mais en 2010 la découverte au Gabon de plus de survie dans une ambiance oxygénée. 250 fossiles de formes et de dimensions diverses, dans des L’explication de ces formations reconnues et terrains datés de plus de 2.1 Ga, apporte la preuve de caractérisées depuis 40 ans environ est encore très l’existence d’organismes pluricellulaires à cette époque. controversée aujourd’hui. Quel rôle la tectonique des D’après l’équipe de A. El Albani la morphologie de ces plaques joue-t-elle dans la régulation du climat ? Mars nous fossiles ne peut s’expliquer par des processus purement montre qu’avec l’arrêt de la tectonique globale cesse le physico-chimiques. Leur taille (jusqu’à 12 cm) est trop recyclage du CO 2 et avec lui l’effet de serre. Le cycle des grande et leur structure interne (Fig. 67, image obtenue « Pangée(s) » a-t-il pour effet de ralentir ce recyclage du par tomographie de rayons X) trop complexe pour que CO 2 ? Nous avons vu au chapitre 1 §B qu’un supercontinent l’on soit en présence de procaryotes ou d’eucaryotes agit comme un couvercle sur le manteau et que les modèles unicellulaires suggèrent qu’il s’en suit une augmentation de la taille des M. La reconnaissance du caractère « vivant » de cellules convectives? Toujours est-il que les quatre épisodes ces fossiles pyriteux dans leur gangue successifs de boule de neige 1Ga-550 Fig. 67: fossile de Franceville. argileuse été conduite en s’appuyant Ma. sont à peu près contemporains de sur la distribution des isotopes du la première Pangée reconnue, Rodinia soufre, dont les rapports dans la (cf. Chp. 3 § E1b) et qu’ils cessent avec matière organique transformée en le morcellement de Rodinia. Faut-il pyrite sont différent du soufre minéral voir dans la glaciation carbonifère de l’argile. La distribution relative de correspondant à la Pangée un la matière organique a été bégaiement de l’histoire? Les causes précisément cartographiée. Cette ne sont jamais uniques, et la glaciation matière est ce qu’il reste de carbonifère est très différente des l’organisme vivant, qui s’est précédentes, sans Lazarus et sans BIF. transformé en pyrite (un minéral Mais cela signifie-t-il que la Pangée n’a joué aucun rôle ? formé de disulfure de fer) au cours de la fossilisation. Pour nombre d’auteurs, la présence d’un supercontinent en sous latitudes équatoriale, très pluvieuses, devrait La faune d’Ediacara , datée de 600-550 Ma. est correspondre à un maximum d’altération produisant une constituée d’invertébrés variés (fig. 68a et b) qui surabondance d’ions en solution, Ca2+ entre autres et donc à apparaissent à peu près partout dans le monde à la même un piégeage du CO2 dissous de l’océan ; ces auteurs y voient Fig. 68a : la faune d’Ediacara : la cause du démarrage du refroidissement, et peut-être même les fonds océaniques au temps d’Ediacara de son emballement. Pour autant, l’époque de la première glaciation (2,3 Ga) correspond aussi semble-t-il à une baisse d'intensité lumineuse reçue du Soleil. Le système solaire serait passé à travers des régions poussiéreuses de l'espace qui aurait diminué l'énergie solaire reçue par la Terre ? Cause unique là encore ?

d - L’explosion de la diversité, un scénario très mal documenté Si l’impact des conditions géotectoniques sur l’apparition et le maintien de la vie est fondamental, celui de la vie sur l’atmosphère terrestre fut et reste considérable. Il ne fut pas immédiatement visible, et ce n’est que lorsque la saturation en oxygène de l'océan aura été atteinte que la composition de l’atmosphère aura pu aussi changer et que le cycle de l’ozone aura pu démarrer . Dès lors, les UV Fig. 68b : la faune d’Ediacara : solaires très énergétiques n’auront plus atteint le sol terrestre, et la vie continentale sera devenue possible. On a longtemps pensé que le premier eucaryote est apparu dans les océans peu après la saturation de l’eau en oxygène; il est âgé d’environ 1.5 Ga. On disait alors qu’il aura donc fallu plus de 2 Ga. pour voir le code génétique s'individualiser dans la cellule! Si le maximum de complexité a bien été atteint (de nos jours) par les eucaryotes, rien n'est venu prouver la supériorité des cellules à noyau, en termes d'adaptation de la vie aux conditions extérieures. Et il va d'ailleurs se passer 1 Ga. pendant lequel nous ne connaissons a- organismes ressemblant à des : méduses (a), pas de changements significatifs. Selon ce schéma, coraux mous (Rangea, b), arthropodes ou à des l’'apparition des premiers pluricellulaires remontait aux annélides (c, Spriggina). Par contre, (Parvancorina d ; Tribrachidium e) ne ressemblent à aucune - 173 - forme animale connue. ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

époque. Cette faune témoigne donc d’une adaptation Fig. 69 : faune tommotienne: efficace puisque largement conquérante (Fig. 68c), mais elle est sans descendants ? Aucun des organismes présents à cette époque ne paraît être en mesure de représenter l’ancêtre d’une espèce animale vivant de nos jours… surprenant ? Une étape importante de l'évolution après l'apparition des métazoaires à corps mou est la minéralisation des squelettes. La découverte récente d'organismes à squelette minéralisé dans des couches de la fin du Précambrien et du début du Cambrien (entre 550 et 540 Ma.) démontre que l'apparition de la minéralisation des squelettes est quasi contemporaine de la faune d'Ediacara. La Faune observée d’abord à Elle contient certains organismes d'aspect moderne (D), et de petits Tommot, une petite ville de Sibérie ( faune élément considéré par les auteurs comme des lames, tubes, aiguilles, Tommotienne , Fig. 69, puis un peu partout dans le calottes ou coupoles d'affinité incertaine (A-C) monde est à peine postérieure, Il sera rapidement 530 Ma. Elle aussi fut de Fig. 70 : cône de Fig. 68c : distribution mondiale diversité croissante. des sites de faunes d’Ediacaria: suivi d’une courte durée (quelques décimation des millions d'années seulement). formes créées. Néanmoins, cette faune Parmi elles, un Tommotienne est importante petit nombre de parce qu’elle marque formes sont les l'apparition d'un groupe fondateurs de tous d'organismes, les les archéocyathes , qui n'a vécu embranchements que jusqu'à la fin du que nous Cambrien, mais qui appartient très probablement à connaissons aujourd’hui, auxquels il faut ajouter celui des l'embranchement des éponges. C’est donc à cette période éponges déjà présent dans la Faune Tommotienne. Le qu’apparaît le premier des plans d’organisation qui ont encore des descendants de nos jours. Fig. 71 : datation des premières faunes fossiles. A ce stade, l'évolution de la vie (lire MC - Vie - Theorie Evolution - Dufour.htm ) va subir une diversification foudroyante dont le seul témoin fut longtemps la faune de Burgess Pass (Colombie Britannique), d’abord décrite par Sir Charles Doolittle Walcott lors de sa découverte en 1909. L’erreur de Wallcott et de ses suivants fut de considérer que la Faune de Burgess se situant début de la vie animale connue ou presque, la diversité que l’on y observe obéit aux mêmes lois que tous les organismes que l’on rencontre depuis ; les formes de Burgess sont donc nécessairement des ancêtres du monde vivant actuel. Or ils sont déjà diversifiés et doivent donc s’inscrire dans le cône de diversification (Fig. 70), représentation prêtée à C. Darwin 66 , reprise ensuite par Thomas H. Huxley et développée surtout par Herns Heackel Les fossiles de Burgess devaient donc se ranger, fusse avec un chausse pied, caractère unique de l’évènement, qui s’est déroulé en sur les branches basses d’un cône de diversité représentant quelques dizaines de Ma. au plus (Fig. 71 ; NB la faune les embranchements connus, et dont la base inconnue se perd Tommotienne, entre Ediacara et Burgess n’est pas dans les terrains azoïques du Précambrien. représentée, celle de Franceville non plus) n’avait pas échappé à Darwin, mais toutes ses patientes observations En fait Burgess représente une disparité considérable convergeaient vers l’idée que la diversité, en fidèle dont l’iconographie en arbre ne peut rendre compte. Ce représentante de l’évolution des espèces, reflète des phénomène sera de très courte durée dans l’histoire de la vie. modifications trop lentes sur un nombre de branches trop constant pour qu’elle ne fût pas régulièrement décroissante en reculant dans le temps, et qu’elle n’aille se 66 La représentation de C. Darwin de l’évolution était celle perdre en un rameau unique dans les temps d’un corail buissonnant (voir couverture du poly), beaucoup protérozoïques. plus proche de la représentation sphérique qu’on en donne Pour Stephen Gay-Gould (« La vie est belle » page aujourd’hui

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48 ; portrait Fig. 72 page suivante) mieux vaut utiliser le tous aussi différents les uns des autres qu'un chordé (être à terme de « disparité » pour souligner la distance entre les squelette interne comme l'homme et le poisson) et un plans d’organisation des organismes appartenant à des arthropode (être à squelette externe comme le crabe). Les embranchements différents, et parler de « diversité » au sein plans d’organisation de ces êtres vivants sont si d’un même embranchement pour souligner le nombre des déroutants, si différents de ceux que nous connaissons espèces de ce groupe. Il prend les cas suivants « une faune qu’il est parfois difficile, voire impossible, d’attribuer des comprenant trois espèces distinctes de taupes » et « une faune fonctions à leurs appendices. Il apparaît de nos jours que comprenant un éléphant, un escargot et une fourmi » donc trois se de plans d’organisation variablement diversifiés embranchements. On sera d’accord avec l’auteur pour dire que auxl’évolution des espèces ne traduit rien d’autre que la la diversité est faible dans la première faune et forte dans la répon sollicitations de leur environnement. Il semble bien seconde, et pourtant, il n'y a dans chaque cas que trois espèces. que Charles Darwin ai déjà compris, lorsqu’il écrit « il est La faune du Schiste de Burgess a montré que celle-ci recelait probable que les périodes pendant lesquelles elle a subi de la diversité, dans le sens de disparité des plans des modifications, bien que longues, si on les estime en d'organisation anatomique . Appréciée en tant que nombre années, ont dû être courtes, comparées à celles pendant d'espèces, la diversité de la faune de Burgess n'est pas très lesquelles chacune d'elle est restée sans modifications » élevée. Ce fait souligne un «paradoxe capital propre aux que l’évolution des espèce n’a pas le caractère linéaire premières formes de la vie. Comment une telle disparité des qu’on lui confère souvent (gradualisme phylétique) et il organisations anatomiques a-t-elle pu apparaître, alors même revient à Stephen Jay Gould, figure importante du qu 'il n 'y avait pas de grande diversité dans le nombre des darwinisme contemporain, d’avoir formulé en 1972 avec espèces? ». Eldredge la théorie des équilibres ponctués (lire MC - Vie - Equilibres ponctues - Dufour.htm ), selon laquelle les transitions Fig. 72 : Stephen Jay Gould. Si le site de évolutives entre les espèces au cours de l’évolution se font Burgess Pass est brutalement et non graduellement. Ainsi l’évolution ne longtemps resté unique, on a découvert or traduit aucune direction préférentielle vers quelque que ce redécouverts d’autres soit et, reprenant le « corail de la vie » de Darwin, sa meilleure représentation actuelle est sphérique (voir 4° de sites d’exception couverture). Mais revenons un instant au zoo d’exception (nommé « lagerstätte ») de Burgess ou de ChengJiang (voir http://burgess- présentant des faunes shale.rom.on.ca/fr/galerie-des-fossiles/index.php ) dont si peu de comparables, au groënland (Sirius membres eurent une descendance :

http://scienceblogs.com/worldsfair/2007/11/ Passet), en Sibérie, en Marella est un petit animal de 2cm maximum. Sa tête what_do_you_think_of_stephen_j.php Australie ou en Chine, porte 2 antennes et 2 pattes révélant ainsi que les spécifiques, 2 cornes espèces observées en Colombie Britannique avaient bien latérales tournées vers sans doute une extension mondiale. l’arrière et une protection dorsale en forme de lyre; Dans la province du Yunnan, le site de Chengjiang son corps segmenté prospecté depuis les années 80 et maintenant bien comprend 25 articles documenté, est daté de 525 Ma. Il est donc plus vieux de 20 biramés, une patte articulée et un appendice branchial ; un Ma que Burgess Pass et présente pourtant une faune déjà plus diversifiée que celle Burgess. Ainsi le chordé de telson termine le corps Burgess (Pikaia), que l’on a longtemps considéré comme Yohoia, de taille comprise entre 7mm et 2.5 cm est très l’ancêtre des céphalochordés actuels — amphioxus, animal marin particulier. Sa tête porte 3 d’allure proche des poissons mais sans colonne vertébrale — et des paires de pattes uniramées vertébrés qui allaient apparaître fait-il presque « figure classiques pour la marche d’attardé » à Chenjiang, où l’on a observé la présence de chez les trilobites plus une vertébrés au sens strict, proches de nos poissons actuels les paire de pattes pour la plus archaïques (lamproies). Puisque Chengjiang possède nutrition se terminant par tous les groupes animaux reconnus à Burgess, il faut quatre piquants, une admettre que la diversification des métazoaires s’y est faite morphologie inconnue chez tous les autres arthropodes plus tôt (ou plus vite). depuis. Les 10 premiers segments du corps portent un seul appendice, en éventail. L’époque du début du Cambrien est donc exceptionnelle en effet, et en totale contradiction avec Opabinia est un être extraordinaire, de 5 à 7 cm, équipé l’image communément admise de la diversité aux de 5 yeux, d’une trompe embranchements de plus en plus touffus. prolongeant d’1/3 le corps de l’animal. Celle-ci est Contrairement à ce que l’on a longtemps pensé les terminée par une sorte de premiers pluricellulaires que nous avons évoqués ont pu double mâchoire équipée avoir un règne très long (1.5 Ga.)L’apparition de la coquille d’épines en guise de puis, très rapidement, celle de tous les embranchements dents ? Un must dans le connus de nos jours plus bien d’autres plans d’organisation mis en évidence sur les site de Burgess Pass et autres bestiaire de Burgess Pass. Son corps comporte 15 segments biramés, avec 1 lobe majeur et 2 petits lobes Chengjiang, suggère une accélération brutale du latéraux portant la rame branchiale. Les lobes se foisonnement du vivant. recouvrent partiellement, comme chez Anomalocaris. Les 25 embranchements qui y sont représentés sont Mais la façon dont les fossiles apparaissent fouir le - 175 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 sédiment environnant conduit à penser qu’Opabinia vivait Wiwaxia est un petit animal de 5 cm en moyenne, couvert sur le fond, même si les lobes pouvaient servir à s’y mouvoir. de rangées de plaques (écailles) dont deux en Odontogriphus, l’énigme édentée, est un petit animal forme de lignes d’épines. pouvant atteindre 12 cm, très Pas de segmentation, plat, équipé de deux organes Wiwaxia n’est pas un (sensoriels ?) latéro-frontaux et d’une sorte de bouche à 25 annélide, ni un arthropode. « dents », petit cônes qui ne Sa bouche est équipée L'appareil buccal de 2 ou 3 sont sans doute pour certains, plaques dentées, outil qui que des petits tentacules rappelle la radula des (classant l’animal dans les vers), et pour d’autres une version gastéropodes (sorte de précoce (comme chez Wiwaxia) de la radula, classant Odontogriphus à l’origine des mollusques ? râpe). Faut-il dès lors le ranger dans les mollusques ? Anomalocaris mesure 60 cm, un monstre pour l’époque. Dinomischus est un organisme fixé et sans doute immobile, Doté des assez semblable aux coraux dont il premiers n’a pas la symétrie 6 ou 8. Il ressemble aussi aux crinoïdes, mais organes visuels sans la symétrie 5 des de l’évolution, des yeux échinodermes. Les lames composés ressemblant à des pétales, portées comparables à par le calice de cette sorte de marguerite sont au nombre de 20. ceux des Le calice montre 2 orifices reliés insectes actuels, il est le entre eux, bouche et anus sans plus grand doute. prédateur de Amiskwia est peut-être l’un des organismes ne vivant pas sur cette faune. Chaque segment porte un lobe sans doute le fond marin. En effet ses flexible recouvert en partie par le suivant. Les appendices (latéraux et paléontologues suggèrent que cet organe servait à une caudal) suggèrent la nage. Par nage ondulée ( http://www.youtube.com/watch?v=Ep_zpUa4p1w ; ailleurs sa tête semble www.youtube.com/watch?v=DoL_142abXU ). Actuellement les équipée un double organe spécialistes s’accordent à le ranger dans les arthropodes, sensoriel et de 2 tentacules, et dont il constitue l’une des formes ancestrales, présentes à elle pourrait avoir possédé 4 Burgess Pass, en Australie et en Chine.

ganglions nerveux. Fig. 73 : « La vie est Belle », taxons connus de nos jours : Hallucigénia ! comme le dit S.G. Gould, comment peut-on a) Canadapsis, un pré-crabe b) Ottoïa, ancètre des décrire une forme vivante priapulien modernes c) Canadia, un annélide, dont on ne comprend pas d) Pikaïa, un ancètre de chordés, où est l’avant et l’arrière, e) Aysheïa, le précurseur possible de deux phyla, le haut et le bas. La bouche les annélides et les arthropodes. serait le tube en bout ? Les épines des béquilles ? des pattes ? une paire par segment. Sur le dos( ?) une sorte de tentacule placé en quinconce avec les « pattes » ? La question était ainsi posée à Burgess. La faune de Chengjiang « renverse » le tableau, les béquilles sont bien des épines, les tubes dorsaux sont Mary Parrish. Courtesy National Museum of Natural devenus lobopodes marcheurs… Hallucigenia est donc proche (comme Aysheaia) des onychophores actuels Odaraia ressemble à un arthropode, à carapace bivalve, sans antennes, avec une queue d’avion pour faire bonne mesure. Vivait-il sur le fond ? se propulsant avec la queue ? Pas d’antennes, pas d’appendices buccaux, encore une fois un organisme très différencié et rien qui indique un caractère primitif.

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Voilà pour les espèces restées sans descendance, ce génétique exprimée dans des différences qui ne signifie pas que le nombre des individus de chacune morphologiques. Au sein d'une population, ces d’entre elles était petit ou qu’elles étaient inadaptées. Par différences sont toujours petites, et ce qui est plus voie de conséquence, nous sommes incapables des classer important dans la théorie, non dirigées 67 . Le dans les phyla contemporains. Mais bon nombre d’autres changement évolutif (par opposition à la simple espèces présentes à Burgess Pass se rangent dans des phyla variation) est produit par le jeu de la sélection qui portèrent descendance, dont notre ancêtre Pikaia (Fig. 73 naturelle émanant de l'environnement externe (les page précédente). Pourquoi tant de diversité dans cette conditions du milieu, aussi bien que les interactions période charnière pour les pluricellulaires? Bien sûr, la entre les organismes). Les organismes ne fournissant pression démographique est probablement encore faible et la que le matériau brut et celui-ci ayant été jugé concurrence entre tous ces embranchements qui viennent presque toujours suffisant pour produire toutes d'apparaître n'est sans doute pas aussi rude qu'elle ne le sera sortes de changements selon des rythmes darwiniens par la suite, mais pourtant tous ces organismes très différents extrêmement lents, l'environnement est donc paraissent déjà très adaptés à leur milieu, et il semble de plus considéré comme le facteur qui contrôle la vitesse et en plus évident avec la multiplicité des sites de fouilles qu'ils l'ampleur de l'évolution. Par conséquent, selon la étaient bien déjà partis à la conquête de tout l'océan. A notre théorie conventionnelle, les grandes vitesses schéma de cône de diversité il faut substituer un schéma de atteintes lors de l'explosion cambrienne signalent disparité – décimation – diversification (fig. 74). que quelque chose d'inhabituel a dû se passer dans Pourquoi une telle décimation se produit-elle parmi l'environnement à cette époque… …lorsqu'on des formes qui viennent de conquérir les océans du monde cherche en quoi pouvait consister cet « inhabituel » entier ? Quels hasards auront, 40 Ma. plus tard au Cambrien dans l'environnement, ayant pu engendrer (560 Ma.), réduit le panel des formes de vie l'explosion cambrienne, la réponse est sur la Terre à ce que nous connaissons Fig. 74 : schéma de évidente et saute aux yeux. Cet événement a aujourd’hui. Comment s'est opérée la décimation – diversification. représenté le moment du remplissage initial sélection ? Dire que les formes qui du tonneau écologique par la vie subsistent ont survécu parce qu’elles étaient multicellulaire. Ce fut une époque où les les plus adaptées en partant du principe places disponibles pour des modes de vie darwinien que c’est la pression de variés abondaient, à un point qui n'a jamais l’environnement qui préside à la sélection plus été égalé depuis. Presque n'importe confine à la tautologie, puisque l'on identifie quoi pouvait trouver sa niche écologique. La les plus aptes comme ceux qui ont survécu. vie multicellulaire opérait une radiation Mais ce n’est pourtant pas une raison de suivre les dans un espace totalement libre et elle put créationnistes, qui ont récemment brandi cet argument, donc proliférer à une vitesse exponentielle… Dans le prétendant ainsi réfuter la notion même d'évolution. remue-ménage et l'agitation de cette période unique en son genre, l'expérimentation régnait, le monde Une difficulté majeure que présente Burgess pour la était pratiquement libre de toute compétition pour la communauté scientifique est que rien dans cette faune ne première et la dernière fois… … Pratiquement toute permet de prédire lesquelles, parmi les espèces présentes, la littérature sur Burgess fait appel à cette vision sont celles qui sont, A PRIORI , les plus adaptées aux traditionnelle. Le maître mot des interprétations a conditions que l’on sait devoir régner d’ici peu. Ainsi, rien ne été : compétition moins rigoureuse ». nous dit que si le film des évènements pouvait être rejoué, notre ancêtre Pikaïa, moins de 5 cm et seul chordé de 2 - Le changement des systèmes génétiques au cours Burgess Pass, serait au nombre des élus à la loterie de du temps. Gould écrit : « Dans le cadre de la vision l’évolution… Considérant la théorie de Darwin, et suivant darwinienne traditionnelle, les morphologies Gould, on peut dire que la faune de Burgess « pose deux subissent des processus de vieillissement, mais non grands problèmes au sujet de l'histoire de la vie . « Ils se le matériel génétique. Si le changement évolutif situent symétriquement par rapport à la faune de Burgess elle-même, l'un avant, et l'autre après : 1- comment, étant donné notre vision traditionnelle d'une 67 « Les manuels de biologie parlent souvent de variations évolution extrêmement lente, une telle disparité a-t-elle «au hasard ». Ce n'est pas vrai au sens strict. Les pu surgir aussi rapidement ? variations ne se font pas au hasard, dans le sens littéral 2- si la vie actuelle est le résultat de la décimation de la où elles seraient également probables dans toutes les faune de Burgess, quelles particularités anatomiques, directions ; chez les éléphants, il ne se produira jamais de quels caractères physiologiques, quels changements variations génétiques déterminant la formation d'ailes. d'environnement départagèrent ceux qui allaient Mais l'emploi du terme «hasard» a pour but de faire gagner de ceux qui allaient perdre ? » ressortir une notion cruciale : sur le plan génétique, rien ne prédispose les organismes à varier dans des directions Selon Gould, trois types de mécanismes évolutifs adaptatives. Si l'environnement change de telle sorte sont susceptible de rendre compte de l'explosion du qu'il favorise les organismes plus petits, les mutations Cambrien ayant conduit à la disparité rencontrée à Burgess. génétiques ne se mettent pas à produire des variations 1 - Le remplissage initial du tonneau écologique. « Selon orientées dans le sens d'une diminution de la taille. En la théorie darwinienne conventionnelle, l'organisme d'autres termes, la variation elle-même n'a pas de propose et l'environnement dispose. Les organismes composante directionnelle. La sélection naturelle est fournissent un matériau brut sous forme de variation l'agent du changement évolutif ; la variation organique est seulement le matériau brut. » - 177 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

connaît des variations de rythme, c'est que des pics les plus élevés seront occupés dès les premières modifications de l'environnement redistribuant les phases du jeu, et personne n'aura plus de place où pressions de la sélection naturelle évoquent de aller. Alors les vainqueurs vont s'implanter et se nouvelles réponses de la part d'un substrat matériel (les doter de systèmes de développement si étroitement gènes et leur action), mais celui-ci ne change pas au liés à leur pic, qu'ils ne pourront plus changer, cours du temps. Or, il se pourrait que les systèmes même si l'occasion s'en présente ultérieurement. Par génétiques « vieillissent », dans le sens où ils « la suite, ils ne pourront donc plus que s'accrocher deviendraient moins capables de restructurations fermement à leur pic ou mourir. Le monde est rude, majeures » (J.W. Valentine). Les organismes modernes et beaucoup vont connaître ce second destin… ne peuvent peut-être plus engendrer rapidement de …parce que même des extinctions au hasard vont nouvelles gammes d'organisations anatomiques, quelles laisser des places vides, qui ne pourront plus être que soient les niches écologiques qui s'ouvrent ». Gould occupées par personne. » ajoute : «Je n'ai pas vraiment de suggestions à faire On sait maintenant que la vie a essuyé par la suite concernant la nature de ce vieillissement, mais je de nombreuses crises, parmi lesquelles cinq crises demande simplement que l'on prenne en considération terribles qui ont dépeuplé la Terre. Chacun de ces coups une telle alternative… ... Les génomes de l'époque du sort ont entraîné la disparition de 40%, voir même 60% cambrienne étaient-ils plus simples et plus flexibles ? ». de la diversité dans chacun des embranchements, mais il 3 - La diversification initiale et ultérieure, en tant que est toujours resté assez d’espèces en chacun de ces loi générale des systèmes . Stu Kauffman , a mis au rescapés du cambrien pour que la diversité donne dans point un modèle pour montrer que le développement chaque intervalle toute sa mesure. Mais la disparité de maximal rapide de la disparité suivi d'une décimation, Burgess ne sera plus égalée. Toujours est-il que même si observés à Burgess, sont une loi générale des systèmes la suite peut paraître somme toute monotone, “ la vie est qui n’a pas à recourir à une hypothétique faiblesse belle ” et c’est tant mieux ! initiale de l’intensité de la compétition ou un D’origine volcanique, météoritique, climatique ou « vieillissement » du matériel génétique. Reprenons les trois peut-être comme il y a 65 Ma., ce sont ces crises Gould dans le texte : « Considérons la métaphore observées dans le vivant qui ont imposé au géologue le suivante. Le cadre dans lequel se déroule l'évolution est découpage des temps fossilifères (Fig. 75a). Sans doute un paysage complexe comprenant des milliers de pics, ont-elles créé à nouveau des espaces favorables à la chacun de hauteur différente. Plus le pic est élevé, plus diversité, pourtant aucun foisonnement similaire à celui de est grand le succès évolutif de l'organisme qui y la fin du Protérozoïque n'est venu les combler. Les deux figure… …Saupoudrez ce paysage d'un petit nombre premières crises majeures se situent au sein de l’ére d'organismes pris au tout début de leur évolution, et Primaire (ou Protérozoïque) et séparent d’une part laissez-les se multiplier et changer de place: Les l’Ordovicien du Silurien (A), et d’autre part le Dévonien changements peuvent être petits ou grands, mais nous du Carbonifère(B); elles résultent de glaciations certes très ne nous intéresserons pas ici aux premiers, car ils importantes, mais plus comparables aux glagiations permettent seulement aux organismes de monter plus modernes (quaternaires) qu’à un épisode de type haut sur leurs pics particuliers et ne conduisent pas à snowball. Les autres coupures introduites dans le Primaire de nouveaux plans d'organisation. Ceux-ci témoignent de l’évolution des espèces et de leur diversité. n'apparaissent qu'à l'occasion de grands bonds, plus La troisième grande crise, la plus grande, se situe à la fin rares……Les grands bonds sont extrêmement risqués du Permien (C); elle inaugure l’ère Secondaire. Elle ils réussissent rarement mais rapportent beaucoup. Si coïncide cette fois avec un épisode volcanique majeur, qui vous atterrissez sur un pic plus élevé que celui sur met en place les trapps de Sibérie, et précède de peu la lequel vous' étiez, vous prospérez et vous vous diversifiez crise de la fin du Trias (D). La crise de la limite Crétacé ; si vous atterrissez sur un pic moins élevé, ou dans une Tertiaire (E) est sans doute beaucoup moins importante en vallée, vous êtes perdu. Maintenant, nous nous posons nombre d’espèces disparues que celle du Permien, mais la la question : quelle est la fréquence des grands bonds médiatisation de son origine au moins partielllement qui réussissent (donnant un nouveau plan météorique et ses effets partiels sur la disparition des d'organisation) ? Kauffman a montré que la probabilité dinosaures en ont fait un best seller. Certains auteurs, de succès est d'abord très élevée, puis chute Raup et Sepkoski (1986) ont attiré l'attention sur l'aspect rapidement et atteint bientôt le niveau zéro tout comme périodique des extinctions. Ils estiment qu’il existerait une l'histoire de la vie. Ce scénario est assez conforme à fréquence autour de 1 crise par 26 Ma. environ (Fig. 75b), nos intuitions. Les premières espèces, peu nombreuses, sont localisées au hasard dans le paysage. Cela signifie Fig. 75a : évolution du nombre des familles dénombrées qu'en moyenne la moitié des pics sont plus hauts, l'autre en paléontologie. moitié plus bas que les localisations initiales. Par suite, Les 5 grandes crises du vivant, A à E, organisent les les premiers grands bonds ont grosso modo 50% de coupures géologiques chances de réussir (les autres concurrents sont éliminés, note JLB). Mais ensuite, l'espèce qui a réussi se trouve sur un pic plus élevé donc le pourcentage de pics plus élevés qui lui restent offerts est moindre. Après un petit nombre de bonds réussis, très peu de pics plus hauts restent disponibles, et la probabilité de pouvoir même se déplacer chute brutalement. En fait, si les grands bonds se produisent assez souvent, tous les

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et qu’une telle périodicité pourrait témoigner de la traversée maintenant mettre ces résultats historiques en perspective de l’orbite terrestre par un groupe d’objets très excentriques avec les archives paléoclimatiques terrestres enregistrées venus du nuage de Oort. Dans la glace du forage européen par les glaces et les sédiments. EPICA, deux couches de micrométéorites, espacées d’environ 50 000 ans (481 et 434 Ka.), ont été observées. a - Le décryptage des archives glaciaires Leur concentration en particules extraterrestres est 10 000 à 100 000 fois supérieure à la concentration moyenne observée L’étude des gaz emprisonnés dans les bulles de la dans l’Antarctique. S'agit-il de deux pluie de micrométéorites glace des calottes polaires, tels que CO 2 ou CH 4 donne la issues de l'explosion de bolides extraterrestres ? Pour composition de l’atmosphère ancienne, car leur temps de d’autres chercheurs, le passage du plan de la Voie Lactée, qui résidence dans l’atmosphère est court, environ 10 ans, survient tous les 30 à 40 millions d'années, constituerait pour mais suffisant pour permettre à l’atmosphère d’être le Système Solaire une région dangereuse à franchir car plus homogénéisée à l’échelle de la planète. En outre la denses en gaz et poussière. Ceci provoquerait des instabilités géochimie des poussières minérales permet de remonter gravitationnelles à l'intérieur de l’ensemble du Système aux régions désertiques qui les ont émises ou aux volcans Solaire augmentant le risque de collision entre la Terre et un qui ont explosé, faisant des calottes glaciaires de des petits corps, astéroïde ou comètes, qui le peuplent. La formidables archives. Outre les teneurs en gaz, 3 rapports dernière collision majeure ayant eu lieu il y a 35 Ma. d’isotopes stables constituent des traceurs géochimiques environ, sachant notre position actuelle proche du plan très efficaces et très utilisés dans le décryptage de ces galactique, nous découvrons là une belle occasion de nous archives. procurer quelques sueurs froides médiatiques ! Pour l'eau, le rapport 18 O/ 16 O est modifié significativement lors de l'évaporation et de la 4 –L’ultime évolution de l’atmosphère- précipitation; l'eau du réservoir atmosphérique est ainsi 18 biosphère et Le sceau de l’homme déprimée en O par rapport à l'eau du réservoir océanique, et l'eau de pluie est enrichie en 18 O par rapport Mais les phénomènes géologiques ou astronomiques à l'eau atmosphérique. Avec le transport de l'air à travers ne sont plus les seuls capables de générer de telles crises. les cellules convectives (Hadley, Ferrel, et cellule polaire) L’Homme se révèle être le plus formidable prédateur que et les précipitations successives qu'il peut subir pendant l’évolution des espèces ait jamais engendré. La pression qu’il son transport, cet air voit ainsi son rapport 18 O/ 16 O exerce sur son environnement est si forte que beaucoup décroître, et lorsqu'il précipite finalement en neige sous les hautes latitudes, il constitue du réservoir solide Fig. 75b : extinctions, familles+genres depuis le Permien. (apparenté à la géosphère) aux propriétés isotopiques très différentes de celles de l'océan ( 18 O/ 16 O plus bas de quelques % 0). Durant les périodes glaciaires, le stockage d'un énorme volume de glace provoque un enrichissement de l'eau océanique en 18 O par rapport à 16 O, et inversement pendant les périodes chaudes, il s'opère un déstockage de 16 O. On peut suivre ces évolutions dans la composition isotopique de l'oxygène dans la composition des glaces, dont les archives les plus anciennes, carottées à 3600m de profondeur dans la calotte Antarctique (Vostok), remontent à 420 Ka.. On peut remonter beaucoup plus loin en étudiant la composition isotopique de l'oxygène des carapaces des organismes vivants (CaCO 3 par exemple). Mais cette lecture est rendue complexe par d’espèces vivantes n’y résistent pas, au point que de nos deux phénomènes: jours, le nombre des espèces qui disparaissent de la surface 18 16 de la Terre par unité de temps est comparable à ce qui s’est 1 - en premier lieu, le rapport O/ O est thermo- passé durant ces épisodes de crises majeures. Ferons-nous dépendant; il existe donc une stratification du 18 16 disparaître nous aussi 60 à 90% des espèces vivantes ? Notre rapport O/ O avec la température et donc la espèce résistera-t-elle aux dommages qu’elle engendre dans profondeur de l'océan en région intertropicale, mais son environnement? ce phénomène sera peu ou pas notable en région polaire; on ne peut donc utiliser ce rapport qu'en La question doit être posée car au-delà de la pression établissant un bilan (à travers les concentrations que sa nature lui fait exercer sur le vivant, l’Homme moderne mesurées dans des coquilles, souvent du plancton), (celui de la révolution industrielle et de l’ère post entre des organismes vivant sur le fond de l'océan industrielle) est peut-être en train de modifier le climat (benthiques) et des organismes nageurs vivant en terrestre dans des proportions telles qu’elles puissent elles surface (pélagiques), et en interrogeant des aussi contribuer à bouleverser la biodiversité terrestre. Nous organismes vivant sous des latitudes très différentes. avons tenté de montrer au paragraphe troposphère (§ B2b) combien il est difficile d’établir une relation univoque entre 2 - en second lieu, les organismes vivants opèrent une 18 18 16 augmentation de la teneur en GES et la température moyenne sélection de O, et leur rapport O/ O est donc de l’atmosphère terrestre, et pour nous y aider nous avons différent de celui de l'océan contemporain. Ces commencé à regarder le passé historique de notre mécanismes doivent être pris en compte dans le atmosphère. Mais ce recul de quelques siècles instrumentés calcul des paléo températures océaniques. est très insuffisant pour étayer une analyse prédictive du On exprime généralement ce rapport sous la forme comportement de notre atmosphère. Aussi nous faut-il - 179 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

δ18 O, qui représente l’écart de ce rapport à la valeur moyenne Tableau 6 : périodes glaciaires du Quaternaire de l’eau de mer, son unité est le 0/ . De la même manière on Période 00 Âge Période interglaciaire utilise beaucoup le rapport du Deutérium 2H (ou D) à glaciaire 0 ère l’hydrogène, et là encore on définit un δD, exprimé en /00 . 1 période 600 000 Günz 540 000 1ère période interglaciaire, Pour les carbonates, les compositions isotopiques sont 2e période 480 000 de Günz-Mindel - 2- déterminées par le système CO 2-HCO 3 -CO 3 en solution. Mindel 430 000 2e période interglaciaire, Outre la température, l’origine du CO entrant dans la 240 000 de Mindel-Riss 2 3e période Riss constitution des carbonates est le paramètre essentiel de leur 180 000 3e période interglaciaire, composition isotopique. Ainsi lorsqu'un organisme vivant 4e période 120 000 de Riss-Würm dans l'océan se constitue une coquille de calcite (CaCO 3) en Würm 10 000 - http://fr.wikipedia.org/wiki/Glaciation pompant des ions de l'eau, c’est le stock océanique de HCO 3 (à composition isotopique assez constante) qui en définit le 13 12 rapport C/ C. Toutefois, les réactions du métabolisme Points froids de la Terre, les calottes interagissent cellulaire s’accompagnent le plus souvent d'un avec le climat global. Elles sont susceptibles de se 12 13 fractionnement isotopique du C au détriment du C, et l'on développer en quelques siècles (peut-être même quelques constate ainsi que, lorsque le CO 2 provient surtout de décennies) grâce à un effet de feed-back positif entre l’activité bactérienne dans les sols et les vases, les carbonates précipitation neigeuse et albédo. Inversement elles 68 13 diagénétiques qui en résultent ont une teneur en C peuvent disparaître en moins de 10 000 ans (cas de la 13 12 beaucoup plus basse. C'est en analysant ce rapport C/ C dernière période glaciaire), en libérant de grandes que l'on a pu affirmer que certains sédiments vieux de 3.8 quantités d’icebergs (vêlage) qui viennent perturber la Ga. portent la signature isotopique du vivant. Inversement, circulation océanique et le climat. les variations de 13 C/ 12 C sont aussi un excellent marqueur de l’évolution diagénétique de la matière organique. Les carottages dans la glace (tableau 7) nous fournissent donc des enregistrements continus de b - Les changements cycliques du climat l’environnement passé au cours des derniers cycles climatiques, dont la représentativité géographique n’est Lire Q - Atm - Les changements climatiques historiques - pas limitée à la région. Au début des années 70, les Jouve.htm. Les quatre époques les plus récentes de glaciations Américains ont atteint 2138 m de profondeur avec le mondiales, bien connues des géologues alpins (tableau 6) forage de Byrd, mais dans une glace très déformée au-delà Les calottes polaires de l’Antarctique et du Groenland de 50 000 ans par l’écoulement et donc difficilement constituent la majeure partie de la cryosphère (90 % Vol de exploitable. En Antarctique encore, les Russes atteignaient l’eau douce de la planète). La transformation de la neige en 2082 m en 1982 avec le forage de Vostok. Dès 1983, le glace est rapide, mais l’évolution de cette glace en Tableau 7 : sites de forages glaciaires profondeur (recristallisation progressive en cristaux de grande taille) est lente, jusqu’à 2000 ans. Les calottes Sites Profondeurs épaisses, jusqu’au-delà de 3000 m, enfoncent le continent Vostok (Antartica) 3310 m sur lequel elles reposent. Matériau granulaire, la glace GRIP (Greenland) 3000 m présente des propriétés mécaniques de fluide visqueux Taylor Dome (Antartica) 554 m anisotrope qui provoque son fluage sous son propre poids et son écoulement lent. GISP2 (Greenland) 3040 m Byrd (Antartica) 2142 m Dome C (Antartica) 900 m Dye3 (Greenland) 2035 m 68 La diagenèse est la suite des transformations qui transforment une vase sédimentaire née dans l'hydrosphère profil isotopique de Vostok étudié par Claude Lorius en roche de la géosphère. Elle se produit là où la minéralogie révéla sans ambiguïté une histoire continue du climat sur de la roche devient instable en raison du changement soit des plus de 140 000 ans, montrant la fin de la dernière conditions (P,T) soit de la chimie du sédiment. Elle glaciation vers -15 000 ans, son maximum vers -25 000 transforme le sable en grés, la boue en argile en marne ou en ans, et la glaciation précédente vers -140 000 ans. La calcaire, etc. Elle se déroule en plusieurs étapes dont les progression des forages nous a permis d’étendre notre principales sont la compaction, l'authigénisation et la connaissance de l’évolution de l’atmosphère à 4 cycles cimentation: climatiques, en s’appuyant sur les concentrations en CO 2 La compaction résulte de l'évacuation de l'eau sous le poids et CH 4 qui ont oscillé depuis 400 000 ans respectivement du squelette solide du sédiment. Elle peut conduire des entre 200-280 ppmv et 350-700 ppbv (Fig. 76). phénomènes de dissolution partielle de ce squelette aux points de contact entre les grains L'authigénisation est la production par précipitation ou réaction de substances minérales dissoutes dans l’eau interstitielle (quartz = SiO 2, calcite = CaCO 3, hématite = Fe(OH) 3nH 2O ; Argile = silico-aluminate complexe et de composition variable) La Cimentation utilise les minéraux authigènes pour souder entre elles les particules, d’un sable par exemple. Es principaux ciments observés sont : calcaire (CaCO 3) ; dolomitique (CaMg(CO 3)2) ; siliceux (SiO 2) - 180 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Fig. 77a : excentricité. Fig. 76 : CO 2,CH 4 et T°C calculées depuis 400 000 ans.

Outre le calage somme toute satisfaisant avec les datations classiques souvent délicates à conduire, et l’allure très similaire des courbes de variations du volume des glaces tirées de l’étude des sédiments marins (non figuré ici), la cyclicité de ces variations de grande amplitude autour d’une période de 100 000 ans est remarquable. Autre observation, le signal climatique de Vostok contient des périodes de 20 000 et 40 000 ans caractéristiques elles aussi des variations de l’orbite terrestre. Ceci accrédite la théorie Fig. 77b : inclinaison. mise au point par Milutin Milankovitch entre 1920 et 1941 associant les modifications des climats aux paramètres orbitaux terrestres. Lire MC - Atm - Climat - Paramètres Milankovic - Dufour.htm Trois paramètres jouent un rôle fondamental : 1 - L’excentricité de l’orbite terrestre (Fig.77a ) passe d’un stade circulaire à un autre en passant par un maximum d’allongement de l’ellipse selon deux périodes 100 000 et 413 000 ans ; 2 - L’inclinaison de l’axe de rotation terrestre par rapport à la normale au plan de son orbite oscille entre 22° et 24.5° avec une période de 41 000 ans (Fig. 77b) ; 3 - La précession des équinoxes, qui résulte du fait que l’axe de rotation terrestre est en rotation lente autour de la normale au plan de l’écliptique et décrit un cercle sur la sphère céleste en 25 800 ans. Ce faisant notre équateur céleste subit aussi un lent déplacement sur la même période. Par définition l’équinoxe correspond au moment où dans sa rotation autour du Soleil la Terre fait coïncider son plan équatorial avec le plan de l’écliptique. Partant de cette coïncidence, 1 an plus tard la Terre retrouve sa position mais son axe Fig. 77c : précession. de rotation s’est légèrement déplacé, et le point d’équinoxe est déjà dépassé. Cela se traduit par le déplacement des équinoxes dans le plan de l’écliptique, avec une période de 19 000 ans (Fig. 77c) La variation des paramètres orbitaux fait osciller la Terre entre deux extrêmes : 1 - forte excentricité de notre orbite, forte inclinaison (comme de nos jours) et faible distance Terre-Soleil en été sont propices à des saisons très contrastées 2 - orbite quasi circulaire, faible inclinaison et une grande distance Terre-Soleil en été sont au contraire propices à des saisons peu contrastées. Ces variations des paramètres orbitaux conduisent donc à des variations de la quantité de lumière solaire captée par la Terre, et si l'insolation globale annuelle change peu, les modifications de l'insolation aux hautes latitudes en été (la seule période recevant de l’énergie

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Fig. 77d : insolation entre 60 et 70° de latitude Nord au Fig. 77e : glaciaire / interglaciaire. mois de juillet.

solaire) apparaissent relativement importantes (Fig. 77d, page suivante). La situation 2, aux saisons peu contrastées, est vraisemblablement favorable aux périodes glaciaires car si les conditions sont telles que l’enneigement d’hiver ne se résorbe pas ou mal en été, les conditions du déclanchement d’un feed-back positif entre précipitation neigeuse et albédo décennie et le millénaire. sont peut-être réunies. Inversement, la situation 1 aux étés Ces oscillations mémorisées dans les carottes de chauds et hivers rigoureux paraît très défavorable à une glace, appelées « cycles de Dansgaard-Oeschger », ont période glaciaire (Fig. 77e). été mises en évidence par Dansgaard et al en 1994. Elles Il est enfin très intéressant de noter sur les courbes de débutent par un refroidissement rapide de 5 à 10°C en la figure 76 la pente très forte des indicateurs et de la quelques siècles, suivis d’un réchauffement encore plus température calculée lors de l’installation de chacun des rapide, en quelques décennies ; La fréquence de ces épisodes interglaciaires, signe d’un réchauffement évènements serait approximativement de un tous les 1500 extrêmement brutal. ans (Fig. 78a). Ces oscillations ont aussi été observées dans les c - Les oscillations rapides du climat sédiments océaniques de l’Atlantique-Nord (entre 40 et Lire Q - Atm - Les changements climatiques historiques - 60°N) par Heinrich en 1988, mais on y observe aussi la Jouve.htm . L'apparente stabilité du climat durant la dernière présence d'autres événements froids, se traduisant par des période glaciaire a été régulièrement interrompue par des arrivées brutales et massives de sables et débris grossiers oscillations rapides, d'une durée comprise entre la décennie transportés par des icebergs. Appelés « événements de et le millénaire. On avait bien observé le coup de froid brutal Heinrich », ces épisodes froids se produisent avec une du « Younger Dryas » vers la fin de la dernière déglaciation, relative périodicité de 7 000 à 8 000 ans. Les glaces du mais il demeurait une exception. On sait maintenant que cette Groenland montrent que les changements climatiques sont apparente stabilité a été régulièrement interrompue par des amples, rapides, et largement étendus. Les oscillations rapides du climat, d'une durée comprise entre la refroidissements se produisent en plusieurs temps, alors que les réchauffements ont lieu en une seule étape. Fig. 78a : succession des événements de Dansgaard/Oeschger. Les réchauffements les plus forts ont atteint 8°C. Ils se traduisent par un doublement des précipitations neigeuses, un effondrement de la quantité des poussières apportées par les vents, témoignant de conditions atmosphériques nettement plus humides. L’augmentation de la teneur en CH 4 est interprétée comme le résultat de l’accroissement de la masse végétale et conforte les observations précédentes. Le réchauffement qui termine vers 11500 ans l’épisode le mieux documenté à ce jour, celui du Young Dryas (YD sur la figure 78b page suivante) s’est probablement opéré en moins de 20 ans. Le taux d’accumulation de la neige a doublé en moins de 5ans. Le méthane augmente plus lentement, en quelques 30 ans et son augmentation est sensible dans les deux hémisphères, suggérant que la modification climatique est sensible sur l’ensemble de la flore terrestre. La quantité de sels dans la glace Ca 2+ et Na + montre une diminution brutale de la salinité de l’océan lors du réchauffement, suggérant une débâcle intense durant cette période. signal δ18 O et signal Ca dans la glace du Groenland et des Vingt-quatre de ces événements ont été événements de Heinrich dans les sédiments marins de l'Atlantique- dénombrés dans les carottes de glace du Groenland Nord (signal IRD : «Ice Rafted Detritus», et signal de susceptibilité depuis la fin du dernier interglaciaire. Ils ont aussi magnétique. été reconnus dans les carottes marines de http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosclim/biblio/pigb15/03_evenements.htm - 182 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

Fig. 78b : détail de l’évènement YD (Dryas récent). grotte entre 61,0 ka. et 67,4 ka.; c’est le cas de la discontinuité la plus importante, elle coïncide avec l'événement de Heinrich H6. 2 - Les hiatus sont liés à des inondations dans la grotte lors de périodes très humides. Les effets des événements Dansgaard/Oeschger se font donc sentir au moins jusque sous nos latitudes moyennes. La figure 79 montre que le δ13 C a enregistré l'événement D/O20 de façon remarquable, et sa terminaison abrupte dans l’évènement de Heinrich qui clôt ce cycle. Ces variations de δ13 C sont principalement liées au développement du sol et de la végétation : le carbone dissous dans l'eau d'alimentation des stalagmites provient en majeure partie du CO 2 du sol. Or, les variations d'activité pédologique et de la végétation vont conditionner la quantité de CO 2 d'origine biologique dissoute dans l'eau d'infiltration. En conséquence, les événements froids, qui ralentissent l'activité végétale et High-resolution data from the GISP2 ice core, Greenland, and bio-pédologique, sont marqués par un δ13 C élevé. ¼ de the Byrd ice core, Antarctica, covering the Younger Dryas l'amplitude du signal δ13 C (renforcement) est produit par interval (YD) and adjacent times ; la température. En effet, le fractionnement isotopique du www.ngdc.noaa.gov/paleo/icecore/greenland/summit/index.html. carbone dans la dissolution du CO 2 dans l'eau et lors de la

l'Atlantique-Nord, de la Méditerranée occidentale et du précipitation de CaCO 3 va dans le même sens. Pacifique-Nord (Bond et al , 1993 ; Cachot et al , 1999 ; Le décalage entre le début d'un réchauffement et le Kiefer et al , 2001). minimum sur la courbe du δ13 C, qui caractérise le Quelle a été l'extension géographique des événements maximum d'activité végétale varie entre 500 et 2000 ans. Dansgaard/Oeschger durant les derniers 100000 ans ? Sur le La remise en route du système bio-pédologique qui continent, les enregistrements climatiques de tels événements produit le CO 2 du sol peut donc être très rapide, comme abrupts sont rares : citons la séquence palynologique des lacs lors de l’évènement de Heinrich qui interrompt le cycle des Echets, du Bouchet et des Maars du Velay (Massif D/O 20 Avec le système bio-pédologique redémarre la Central) observée par Reille et Beaulieu (1988) ou par dissolution-précipitation des carbonates qui amorce la δ13 Guiot et al (1993. Mais, au-delà de la limite de datation du chute du signal C. Le temps de réponse du sol est 14 C, les échelles de temps présentent des incertitudes nettement plus rapide que celui mis en jeu par les considérables. Les cahiers du CNRS différents taxons végétaux qui vont ensuite (www.cnrs.fr/cw/dossiers ) résument l’étude des archives successivement recoloniser le milieu. continentales contenues dans une stalagmite (Vil-stm9, Les paléoclimatologues interprètent les évènements Fig. 79, page suivante) de Dordogne entre 83 et 32 ka.. On de Heinrich comme de résultat de l’effondrement de la dénomme spéléothèmes les cycles climatiques enregistrés calotte Nord-Américaine (Laurentide) sous l'effet de sa dans la croissance des carbonates karstiques. Sur les 7 hiatus propre dynamique. La glace s'accumulant pendant visibles sur la stalagmite, 3 correspondent à des périodes où plusieurs millénaires d’un épisode froid sur l'Amérique du les conditions empêchaient toute croissance ; ces arrêts sont Nord aurait atteint progressivement une épaisseur telle de 2 types : que la chaleur interne de la Terre ne serait plus parvenue à 1 - le climat était suffisamment froid et sec pour empêcher se dissiper vers l'atmosphère. L’eau des sédiments sous- toute infiltration et précipitation de calcite dans la jacents aurait alors fondu, induisant un effondrement de la calotte et le vêlage de nombreux icebergs. Leur fonte Fig. 79 : section polie de la stalagmite Vil-stm9 autour de aurait alors injecté des quantités d'eau douce considérables l'événement D/O20. dans les eaux de surface de l'Atlantique-Nord. Cette eau de surface froide mais malgré tout peu dense parce que douce aurait stratifié l'océan et ralenti la formation d'eaux profondes aux hautes latitudes. Ralentir la formation des eaux profondes, implique de ralentir ou même de bloquer (?) la circulation globale thermohaline. Si l'implication de la circulation thermohaline est reconnue, la cause de ce basculement entre un mode froid et stable (sans convection profonde en Atlantique-Nord) et un mode plus chaud et instable avec convection profonde en Atlantique-Nord reste encore à déterminer. Traduit-elle une oscillation interne à l'océan ? Une oscillation couplée entre océan et calottes glaciaires ? Faut-il des forçages externes au système climatique pour les déclencher ? Ces oscillations sont-elles présentes

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même faiblement pendant les périodes interglaciaires ? Il Fig. 80 : évolution des banquises Nord et sud de 1979 à reste aujourd'hui beaucoup de glace en Antarctique et au 2012; Anomalie Antarctique vs Arctique. Groenland. Encore actuellement, il est observé que l’indubitable recul de la banquise Arctique, bien documenté pour les dernières décennies (Fig. 22c-1 et 2), ne s’accompagne pas d’un recul de la banquise Antarctique qui s’est au contraire légèrement agrandie durant la même période (Fig. 80 et 22c1). A quoi attribuer un tel paradoxe ? Pour certains, comme P. Holland le phénomène est décrit en 2012 comme dû à un refroidissement du pôle Sud via le renforcement du régime des vents (vortex polaire, voir § Chp5.B.2.c), et pour d’autres comme O. Hefferman (2013), la cause en est la fusion surabondance de la calotte Antarctique, qui créée une tranche d’eau superficielle douce et froide favorable à un surdéveloppement de la calotte. On est donc en droit de se demander si des 3 - le niveau de l’océan, variant de -200m à +200m, événements du type Dansgaard/Oeschger pourraient voir beaucoup plus ; intervenir dans les décennies ou les siècles à venir en 4 - les épisodes de production massive de charbon ; Antarctique? Le « petit âge glaciaire », refroidissement sur l’Atlantique nord entre le XI° et le XIV° siècle pourrait alors 5 - le nombre des espèces ayant vécu en même temps ne pas représenter la dernière de ces anomalies ? Faut-il sur Terre, avec 5 creux bien identifiés ; craindre le scénario catastrophe que nous promettent les 6 - Les impacts majeurs de bolides, pour lesquels il ne climatologues ? Le sceau de l’homme est mesurable dans la faut pas oublier que le plancher océanique qui concentration GES. Doit-on lui imputer une part significative représente 70% de la surface terrestre est de l’augmentation de la T° au XX° siècle ? perpétuellement renouvelé et ne peut donc Nous avons tenté de vous faire saisir l’extrême conserver la mémoire d’un passé plus vieux que complexité des phénomènes naturels, l’interdépendance des 200 Ma. environ. paramètres, l’existence d’effets de seuil, d’emballements, de A suivre donc… boucles rétroactives… Et d’attirer ainsi votre attention sur la difficulté de dresser le bilan précis de la responsabilité de notre espèce. Afin de terminer avec une vue globale de la JLB planète, la figure 81 nous offre en un coup d’œil sur 600 Ma, un ensemble de courbes de coévolution de quelques février 2016 paramètres dont l’évolution qui nous préoccupe commence à nous être familière ; de gauche à droite dans la figure de S. Manoliu et M. Rotaru 2008 : 1 - la T° moyenne de la Terre, variant entre 15 et 25°C;

2 - la teneur en CO 2 de l’atmosphère variant de jusqu’à 20 fois le niveau de teneur actuel ; Fig. 81 : quelques paramètres connus à l’échelle planétaire pour les derniers 600 Ma environ.

- 184 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

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Quelques idées fortes Quelques idées fortes : Composition / Stucture de L’atmosphère Terrestre actuelle

Composition chimique : N 2 = 78 %pds O2 = 21 %pds Ar = 0.9 %pds CO 2 = 0.035 %pds Structure thermique et chimique : Troposphère : T° moy au sol = +13°C ; gradient vertical = –6° Km -1, 18 km à l’équateur, 10 km au pôle ; tropopause = gradient de T° s’inverse La Terre reçoit le flux solaire (Corps noir à 5770K: émission dans l’UV le visible et le proche IR) La Terre émet dans l’IR seulement (corps noir à 256K); Les gaz triatomiques de l’atmosphère absorbent les IR ; Donc l’énergie solaire transmise au sol en λ courtes est rendue à l’atmosphère en λ longues et non au cosmos La différence s’appelle Effet de serre ; sans atmosphère T° équilibre = -18°C ; avec, T° équilibre =+13°C Statosphère : T° croissante jusqu'à +20 °C maximum jusqu’à 50 km environ ; stratopause = gradient de T° s’inverse La concentration en ozone est maximum entre 20 et 30 Km. (elle est quasi nulle dans la troposphère) ; L’épaisseur de la couche d’ozone pur que l’on pourrait former avec ce gaz est de 2.5 mm Production de l’ozone = photo-dissociation de O 2 sous l’effet des UV courts. Destruction de l’ozone : 1) recombiné à l’oxygène atomique O 3 +O ⇒ O2 + O 2 2) dissocié par des UV plus longs ( λ<310nm) 3) cycle catalytique de destruction de l’ozone, X +O 3 ⇒ XO +O 2 ; XO +O ⇒ X +O 2 X = H (monoatomique), NO, les composés halogènés, les CFC Mésosphère : T° décroît rapidement avec l’altitude. Vers 80 km, elle atteint -140°C mésopause = gradient de T° s’inverse Photodissociation de plus en plus rare avec l’altitude, de O 2, de H 2O et de CH 4 Thermosphère : T° des molécules et atomes (on ne parle plus de gaz) croît très fortement, 2000°C au zénith s’étend jusqu’à 500 km ; Absorption des UV très courts ; Photo-dissociation des molécules diatomiques, N 2, O 2, H 2, et d’atomes O, H ; Siège des aurores polaires. La Stratification électromagnétique de l'atmosphère Neutrosphère : 70 premiers Km ; atmosphère non conductrice Ionosphère : jusqu’à 1000 Km Augmentation non linéaire de la “ concentration ” en électrons - : D (80 Km), E (100Km), F1 (180 Km), F2 (350 Km) Magnétosphère : plasma à faible densité composé d’électrons et d’ions, Electrons piégés par les lignes de champ oscillent à haute altitude en rebondissant sur chacun des pôles Aurore polaire, flot d’électrons et rebond à basse altitude, désexcitation de N et de O après choc avec les électrons Circulation de l'atmosphère cellule de Hadley : entre basses pressions de l’ITCZ et hautes pressions des tropiques ; Coriolis faible (proche équateur), déviation est ou ouest faible, alizés de NE et de SE Cellule de Ferrel : entre les tropiques et le front polaire Coriolis fort, vents géostrophiques, cyclonique (tourne à Drte, converge et monte) autour des basses pressions, Anticyclonique (tourne à gauche, diverge et descend) autour des hautes pressions. Cellule polaire : entre front polaire et pôle ; Coriolis très fort ; La Circulation océanique Courants de surface liés au vent : Ekman : déplacement d’un courant provoqué par le vent perpendiculaire à la direction du vent (Coriolis) ; Courant géostrophique = déplacement d’eau perpendiculaire au gradient de pression (à droite). déplacement de la couche superficielle, remplacée par de l’eau profonde = upwelling upwelling côtier en façade ouest des continents upwelling équatorial induit par la ITCZ Courants profonds liés aux différences de densité : Causes des différences de ρ dans l’océan : T° et salinité ; on parle de circulation thermohaline . Basses latitudes : ∆T° (surf – prof)>0 fort = thermocline marquée ; ∆ρ fort ; pas de convection Tropiques : ∆ T° (surf – prof)>0 fort = thermocline marquée ; salinité maxi (évaporation sans pluie) Hautes latitudes : ∆ T° (surf – prof) ≤0 ;pas de thermocline; ∆ρ≤0; convection ( plongement Nord-Atlantique ) ENSO : ensemble de fluctuations cohérentes de la T° (air et eau), de la P atm , des vents et courants ; El Niño épisode chaud de ENSO ; La Niña, épisode froid de ENSO L’histoire de l'atmosphère Atmosphère primaire , héritée de l’accrétion, n’existe plus qu’autour des planètes géantes gazeuses Atmosphère secondaire résulte du dégazage de leur manteau, elle existe encore autour de Vénus Atmosphère tertiaire résulte de la précipitation de l’eau atmosphérique en océan ; CaCO peu soluble stocke - 187 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 Epilogue Quelle décision prendre aujourd’hui pour ne pas oblitérer l’avenir? Vous n’avez bien sûr pas trouvé la réponse dans les 179 pages dont vous achevez la lecture. Elles n’ont d’ailleurs pas une telle prétention ! Il a juste été tenté de ne pas trahir dans l’écriture de ce poly combien le savoir d’aujourd’hui s’inscrit dans la pensée d’hier, comment il ne peut être indépendant de la société qui le formule, et ce faisant d’illustrer en quoi la Science est pour l’Homme le mode raisonné indispensable à se représenter son monde, celui de son époque, avec les outils de son temps, prêt à toutes les remises en question rendues nécessaires par les faits. En nous proposant « Sa vérité sur la planète » Claude Allègre (2007) clame que le consensus, maître mot de l’actualité, n’a aucun sens dans le domaine de la science. La remarque est pertinente. Toute « vérité scientifique » doit continuer à être opposable à sa falsification par les faits. Comme le soulignait Karl Popper, selon les mots du http://www.philosciences.com « L'observation d'un certain nombre de faits corroborant la théorie ne la confirme pas absolument et universellement. C'est un procédé de type inductif et il se peut toujours qu'à un moment donné un fait vienne contredire une théorie. Mais surtout, c'est la porte ouverte à la complaisance, car on trouve toujours un certain nombre de faits pour corroborer une théorie, même si elle est fantaisiste. La vérification n'est pas suffisante ». Or le raisonnement inductif est la démarche usitée en sciences de la Terre, de la vie, et de l’environnement. Nous ne devons pas ignorer la falsification par les faits. Et il est vrai que parfois la communauté scientifique a pu jeter le discrédit sur les plus novateurs de ses contemporains… Parmi ceux que nous avons rencontrés dans ce poly, citons Alfred Wegener pour le XX°, Giordano Bruno plus avant ou Anaxagore de Clazomènes dans un passé plus lointain… Plus encore que l’écriture des premiers chapitres consacrés aux mécanismes des « enveloppes rocheuses » celle du chapitre 5 sur « Le couple atmosphère – hydrosphère », dont le fonctionnement concerne notre espèce au premier chef, devait se dégager de tout consensus et de tout parti-pris. En 2013, l’étude de J. Cook et al., portant sur presque 12000 abstracts d’articles ayant comme objet « global climate change » ou « global warming » soumis à des revues à comité de lecture, est venue confirmer ce point de vue. A première vue, il apparaît qu’un consensus très fort se dégage la littérature scientifique en faveur d’une origine anthropique du réchauffement climatique (Anthropique Global Warming, AGW). Selon ces auteurs, 97.1% des papiers prenant partie pour ou contre cette origine anthropique du réchauffement lui sont ouvertement favorables et seulement 0.7% la rejettent. Ce sont ces chiffres que l’on retrouve dans les médias. Mais, contrairement aux medias, Cook et al apportent des détails d’importance. Si l’on prend la totalité des 12000 abstracts recensés au lieu des seuls prenant ouvertement partie pour ou contre, on obtient les chiffres suivants : 32.6% des papiers sont favorables à une origine anthropique, 66.4% ne prennent pas position et 0.7% la rejette 69 , alors que 0.3% se disent incertains. Cook et al ont ensuite demandé aux auteurs dont les abstracts ne prennent pas position de néanmoins se ranger eux même dans les différentes classes. Il en résulte alors une baisse de 66.4 à 35.5% d’abstracts placés dans la classe « ne prennent pas position » et au sein du nouvel ensemble de ceux qui prennent position, les proportions des pour et des contre restant les mêmes, 97% de pour. 100% -35.5% -0.7% = 63.8% de pour, voici donc la valeur qu’aurait ce consensus ? Voilà surtout, je le crains, un « usage dégradé de la raison » où la science en viendrait presque à se faire à l’encan des opinions statistiques. Il reste que les arguments dits de « sceptiques » mais aussi ceux des « non classés », lorsqu’ils sont publiés dans des revues à comité de lecture, gardent une valeur intrinsèque tant que les faits ne leurs ont pas été opposés, tout autant que ceux des chercheurs favorables à une origine anthropique du changement climatique. Il était donc bien nécessaire d’utiliser l’ensemble des sources « peer reviewed » dans l’écriture du poly. Pour autant, cette démarche de 15 années d’enseignement des processus naturels à l’Ecole des Mines de Saint-Etienne n’a pas été confortable, même si du point de vue épistémologique elle était cohérente avec l’esprit scientifique. Je sais aujourd’hui que ce faisant, j’emboitais le pas d’autres critiques, souvent abrités derrière un pseudonyme, comme le fut un temps Jacques Duran http://www.pensee-unique.fr/auteur.html à l’époque Directeur de Recherche du CNRS (maintenant en retraite), ancien Directeur des Etudes de l'Ecole Supérieure de Physique et Chimie de Paris (ESPCI) et ancien Vice-Président, Chargé de la Recherche, de l'Université Pierre et Marie Curie. D’une façon plus générale, il est toujours bon de s’attarder un peu sur l’avis des guetteurs à contre-courant, ils ne peuvent que nous inviter à la réflexion. Il en est ainsi de l’ouvrage « Un appel à la raison » de Nigel Lawson (2008), non scientifique mais ancien secrétaire d'État à l'Énergie en Grande-Bretagne, qui vise à démontrer que la pensée dominante ne repose pas toujours sur des bases solides, que le remède proposé, la réduction des émissions de GES, est une solution inapplicable, et que l’adaptation au changement serait probablement plus féconde. Est-il raisonnable de penser que les états riches d’énergies fossiles, le charbon en particulier, vont se priver de cette ressource ? La réponse sera certainement « oui » mais pas avant que d’autres énergies, renouvelables par exemple, soient technologiquement disponibles et économiquement acceptables! Exemple d’une réussite, le remplacement des CFC ; la disponibilité de produits de substitution est arrivée à point nommé… Il n’est, pour se convaincre du rôle de l’époque dans les avancées de la science, que de revenir un instant sur l’une des plus importantes du XIX° siècle, l’évolution des espèces. On la doit à C. Darwin, bien sûr, mais combien la publication de cette découverte doit-elle à la missive qu’il reçut d’Alfred Russel Wallace ? Vingt-cinq ans après son tour du monde, C. Darwin n’avait toujours pas publié ses idées sur les implications de la variabilité des pinsons des îles Galápagos. Peut-être, lui qui un temps s’était destiné à être pasteur avant d’embarquer sur le Beagle, répugnait-il encore à publier le texte qui

69 De là à voir clamer par les « anti » AGW que 67.4% des scientifiques ne sont pas pour une cause anthropique du réchauffement, il n’y a qu’un pas que certains franchirons sans-doute. - 188 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16 bousculerait si profondément les principes de son époque ? Wallace avait certainement lu le voyage du Beagle, mais avait aussi conduit de nombreuses observations en Amérique du Sud et à Bornéo. En 1855, il souhaite publier « De la loi qui a contrôlé l’introduction de nouvelles espèces ». Il envoie son manuscrit, pour avis, à C. Darwin qui était déjà reconnu par ses pairs, et lui demande de le transmettre pour publication à Charles Lyell, membre de la Royal Society, influent et déjà célèbre géologue continuiste. A la lecture de l’article, Lyell comprend que Wallace va doubler Darwin. Les idées de Wallace sont très claires, théorisant ses observations de sorte que « cette loi ne se contente pas d’expliquer tous les faits actuellement inexplicables, mais elle les rend nécessaire », quand celles de Darwin étaient encore trop touffues… La publication sera faite en 1858 en quelques dizaines de pages, en même temps que celle, en quelques centaines de pages, de la théorie de Darwin, quelque peu bousculé par son ami Lyell afin qu’il ne perdit pas l’antériorité de ses idées 70 … L’histoire retiendra « De l’origine des espèces » de C. Darwin ! Les idées de compétition, de lutte pour l’existence, sont présentes chez les deux auteurs, rien d’étonnant à cela car elles sont aussi dans l’air du temps. Thomas Robert Malthus a publié 50 ans plus tôt « Essai sur les principes de population », qui formule que l’augmentation de la population suit une progression géométrique (doublement à chaque pas de temps), alors que la croissance des ressources est arithmétique, conduisant nécessairement à une succession de catastrophes alimentaires. Le Darwinisme social est donc, avant la lettre, consubstantiel des idées de l’époque. Compétition et échec du faible feront florès. Il faudra attendre la théorie synthétique de l’évolution basée sur l’hérédité de Mendel et la génétique des populations, puis la théorie des équilibres ponctués de Gould et Eldredge (1972) et enfin le principe de la reine rouge de Leigh Van Valen (1973) pour que l’on abandonne l’idée de compétition des espèces et que l’on comprenne le rôle de la coévolution des espèces, rendue nécessaire par l’environnement en perpétuel changement. Et maintenant, la porte s’ouvre à l’altruisme intra-spécifique, comme moteur du succès des espèces, et à l’adaptabilité, par la transmission des caractères acquis. Lamarck (fin-XVIII°), trop tôt jeté aux orties, refait surface avec la compréhension des mécanismes cellulaires dans l’influence de l’environnement sur l’expression des gènes (épigénétique). Le XX° siècle aura eu cela de particulier qu’il est l’instant où, pour la première fois, nous aurons pris la responsabilité d’être la première espèce vivante capable d’infléchir en conscience les équilibres qui ont présidé jusqu’alors aux destinées de l’ensemble des espèces. Notre impact est réel, déterminant peut-être, crucial sans-doute pour le reste du vivant tel que nous l’observons. De ce point de vue, nous entrons incontestablement dans une autre époque. Mais en ce début de III° millénaire technocratique et hyperspécialisé, nos sociétés sont fragiles et font peur. Elles nous rendent donc irrationnels. Il est sans doute tentant de faire de la science et des techniques un Credo (« la science peut tout », « la science prouve que » …), de faire des sciences de l’environnement, des sciences de la Terre et de la Vie qui nous préoccupent ici, le shaman moderne capable de restaurer l’harmonie perdue ? Combien d’experts au chevet des politiques pour rédiger les « feuilles de route » à suivre ? Les conflits d’intérêt sont alors inéluctables, la raison n’est plus le seul argument dont le chercheur doit tenir compte, sources de désillusions pour les publics concernés. Aussi est-il tentant de se réfugier dans n’importe quel livre de la connaissance, puisque tout y sera contenu « en vérité », inspiré par la transcendance, prêt à répondre à nos attentes ! Mais il n’est pas de refuge passé, pas de paradis perdu auxquels revenir. L’effort doit être porté sur l’analyse des changements qui s’imposent, quand bien même nous en serions la cause. Nous aurons à réussir ce pari, et pour ce faire nous aurons certainement à modifier sensiblement nos modes de pensée, à passer de ce que nous pensions être le savoir, à l’intégration de savoirs multiples dans une pensée toujours plus complexe, à inscrire nos activités dans une démarche globalisée, mondialisation et finitude obligent... Il nous faut comprendre et rechercher quelles adaptations conduiront l’Homme vers la meilleure réintégration dans l’interface étroit qui nous abrite, à peine quelques kilomètres d’épaisseur vivable entre géosphère et cosmos. Si nous n’y parvenons pas, la limite Tertiaire-Quaternaire qui a été introduite en géologie par pur anthropocentrisme — alors que nous avons vu qu’il aurait été peut-être plus intelligent d’instituer une coupure majeure avec le début de l’ère glaciaire vers 32Ma — deviendra-telle finalement avec l’Anthropocène une vraie coupure pour les espèces à venir, en raison de l’état dans lequel la nôtre aura laissé la Terre ? Mais seront-elles préoccupées de paléontologie ? La biodiversité est une richesse absolument fondamentale que le comportement de l’espèce humaine entame chaque jour au plus profond, tant par son comportement de prédateur sans limite que par ses pratiques (agraires, surpêche, déplacement d’espèces…) qui inventent des faces à faces improbables entre espèces et inaugure de nouvelles compétitions. Nous créons ainsi une sorte de Pangée 71 , artificielle certes, mais au nombre de niches drastiquement diminué, dont les incidences sur l’ensemble du vivant sont encore plus inquiétantes que les scénarios d’épouvante des climatologues, mais hélas fort peu médiatisées ! Les organismes les moins différenciés, les moins fragiles, se reproduisant vite, ils passeront ce cap difficile. Mais l’espèce humaine sera-t-elle gagnante à cette loterie comme le fut Pikaia en son temps ? Rappelons-nous que l’altruisme intra-spécifique est un facteur clef du succès des espèces. Ne nous indique-t-il pas que, de l’aide entre individus à l’apprentissage des plus jeunes, puis à la transmission de la culture, il n’y a que des degrés que l’homme a franchis mieux que d’autres, servons nous en pour négocier le futur. J.L.B.

70 Pour plus de détails, lire J.C. Ameisen 2008, Dans la lumière et les ombres. 71 La Pangée (du grec pan, tout ; Gaïa, identifiée à la Terre-mère) est le nom donné au supercontinent que la dérive des continents à constitué à la fin de l’ère Primaire, en rassemblant l’ensemble des terres émergées. Le morcellement qui suivit est responsable d’une intense spéciation du vivant. Le caractère endémique des espèces insulaires fut bien mis en évidence par C. Darwin, et inversement, la pandémie des espèces sur plusieurs continents fut un des arguments clefs de A. Wegener dans l’établissement de sa théorie de la dérive des continents (cf. poly La dérive des continents).

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Ouvrages consultés et données exploitées

Mesures CO 2 Mona Loa (Annexe 1)

USE OF NOAA ESRL DATA # These data are made freely available to the public and the scientific community in the belief that their wide dissemination will lead to greater understanding and new scientific insights. The availability of these data does not constitute publication of the data. NOAA relies on the ethics and integrity of the user to assure that ESRL receives fair credit for their work. If the data are obtained for potential use in a publication or presentation, ESRL should be informed at the outset of the nature of this work. If the ESRL data are essential to the work, or if an important result or conclusion depends on the ESRL data, co-authorship may be appropriate. This should be discussed at an early stage in the work. Manuscripts using the ESRL data should be sent to ESRL for review before they are submitted for publication so we can insure that the quality and limitations of the data are accurately represented. # Contact: Pieter Tans (303 497 6678; [email protected]) # File Creation: Wed Sep 5 10:55:32 2012 # See www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/ for additional details. # Data from March 1958 through April 1974 have been obtained by C. David Keeling of the Scripps Institution of Oceanography (SIO) and were obtained from the Scripps website (scrippsco2.ucsd.edu). # The estimated uncertainty in the annual mean is the standard deviation of the differences of annual mean values determined independently by NOAA/ESRL and the Scripps Institution of Oceanography. # NOTE: In general, the data presented for the last year are subject to change, depending on recalibration of the reference gas mixtures used, and other quality control procedures. Occasionally, earlier years may also be changed for the same reasons. Usually these changes are minor. #ftp://ftp.cmdl.noaa.gov/ccg/co2/trends/co2_annmean_mlo.txt # CO2 expressed as a mole fraction in dry air, micromol/mol, abbreviated as ppm # year mean unc year mean unc year mean unc year mean unc 1959 315.97 0.12 1960 316.91 0.12 1961 317.64 0.12 1962 318.45 0.12 1963 318.99 0.12 1964 319.62 0.12 1965 320.04 0.12 1966 321.38 0.12 1967 322.16 0.12 1968 323.04 0.12 1969 324.62 0.12 1970 325.68 0.12 1971 326.32 0.12 1972 327.45 0.12 1973 329.68 0.12 1974 330.18 0.12 1975 331.08 0.12 1976 332.05 0.12 1977 333.78 0.12 1978 335.41 0.12 1979 336.78 0.12 1980 338.68 0.12 1981 340.10 0.12 1982 341.44 0.12 1983 343.03 0.12 1984 344.58 0.12 1985 346.04 0.12 1986 347.39 0.12 1987 349.16 0.12 1988 351.56 0.12 1989 353.07 0.12 1990 354.35 0.12 1991 355.57 0.12 1992 356.38 0.12 1993 357.07 0.12 1994 358.82 0.12 1995 360.80 0.12 1996 362.59 0.12 1997 363.71 0.12 1998 366.65 0.12 1999 368.33 0.12 2000 369.52 0.12 2001 371.13 0.12 2002 373.22 0.12 2003 375.77 0.12 2004 377.49 0.12 2005 379.80 0.12 2006 381.90 0.12 2007 383.76 0.12 2008 385.59 0.12 2009 387.38 0.12 2010 389.78 0.12 2011 391.57 0.12

Moyennes mensuelles des anomalies de la température globale ( écart à la moyenne 1900-2001 , Annexe 2)

1880 1 -0.0747 1880 2 -0.2096 1880 3 -0.2161 1880 4 -0.1194 1880 5 -0.1686 1880 6 -0.2063 1880 7 -0.1863 1880 8 -0.1118 1880 9 -0.1186 1880 10 -0.1946 1880 11 -0.2406 1880 12 -0.0868 1881 1 -0.0715 1881 2 -0.0885 1881 3 -0.0205 1881 4 0.0185 1881 5 0.0097 1881 6 -0.1340 1881 7 -0.0652 1881 8 -0.0572 1881 9 -0.2047 1881 10 -0.2748 1881 11 -0.3055 1881 12 -0.1034 1882 1 0.0115 1882 2 -0.0586 1882 3 0.0304 1882 4 -0.1688 1882 5 -0.1278 1882 6 -0.2274 1882 7 -0.2168 1882 8 -0.1292 1882 9 -0.0624 1882 10 -0.1979 1882 11 -0.1246 1882 12 -0.2137 1883 1 -0.2813 1883 2 -0.3101 1883 3 -0.1402 1883 4 -0.2214 1883 5 -0.1783 1883 6 -0.0275 1883 7 -0.0857 1883 8 -0.1071 1883 9 -0.1768 1883 10 -0.2108 1883 11 -0.2467 1883 12 -0.1188 1884 1 -0.1973 1884 2 -0.1993 1884 3 -0.2441 1884 4 -0.2466 1884 5 -0.1588 1884 6 -0.2128 1884 7 -0.2944 1884 8 -0.2666 1884 9 -0.2669 1884 10 -0.2210 1884 11 -0.3138 1884 12 -0.2127 1885 1 -0.4379 1885 2 -0.3258 1885 3 -0.1725 1885 4 -0.2597 1885 5 -0.2530 1885 6 -0.3345 1885 7 -0.2418 1885 8 -0.2237 1885 9 -0.1468 1885 10 -0.1001 1885 11 -0.0581 1885 12 0.0580 1886 1 -0.1496 1886 2 -0.3510 1886 3 -0.2616 1886 4 -0.1383 1886 5 -0.1287 1886 6 -0.2090 1886 7 -0.1218 1886 8 -0.1443 1886 9 -0.1466 1886 10 -0.2191 1886 11 -0.2543 1886 12 -0.1226 1887 1 -0.4155 1887 2 -0.3880 1887 3 -0.1986 1887 4 -0.1859 1887 5 -0.1977 1887 6 -0.2354 1887 7 -0.2287 1887 8 -0.3064 1887 9 -0.2348 1887 10 -0.3197 1887 11 -0.1971 1887 12 -0.2315 1888 1 -0.4607 1888 2 -0.4151 1888 3 -0.2863 1888 4 -0.1604 1888 5 -0.2082 1888 6 -0.1113 1888 7 -0.1360 1888 8 -0.1776 1888 9 -0.1072 1888 10 -0.0416 1888 11 -0.0612 1888 12 0.0253 1889 1 -0.1109 1889 2 0.0054 1889 3 0.1224 1889 4 0.0726 1889 5 -0.0201 1889 6 -0.0710 1889 7 -0.1550 1889 8 -0.1368 1889 9 -0.1959 1889 10 -0.2097 1889 11 -0.2999 1889 12 -0.1921 1890 1 -0.3218 1890 2 -0.3861 1890 3 -0.3135 1890 4 -0.2751 1890 5 -0.3837 1890 6 -0.2818 1890 7 -0.2640 1890 8 -0.3224 1890 9 -0.3103 1890 10 -0.2752 1890 11 -0.3688 1890 12 -0.2393 1891 1 -0.3571 1891 2 -0.5547 1891 3 -0.2667 1891 4 -0.2556 1891 5 -0.1810 1891 6 -0.2732

- 190 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

1891 7 -0.2491 1891 8 -0.2528 1891 9 -0.1579 1891 10 -0.2883 1891 11 -0.4063 1891 12 -0.1014 1892 1 -0.3061 1892 2 -0.1661 1892 3 -0.2727 1892 4 -0.3396 1892 5 -0.3126 1892 6 -0.3201 1892 7 -0.3833 1892 8 -0.3135 1892 9 -0.1848 1892 10 -0.2382 1892 11 -0.4497 1892 12 -0.5038 1893 1 -0.7334 1893 2 -0.6555 1893 3 -0.2604 1893 4 -0.3659 1893 5 -0.3893 1893 6 -0.3045 1893 7 -0.2121 1893 8 -0.3165 1893 9 -0.2709 1893 10 -0.2398 1893 11 -0.1886 1893 12 -0.2802 1894 1 -0.4422 1894 2 -0.2399 1894 3 -0.2565 1894 4 -0.3760 1894 5 -0.3657 1894 6 -0.3440 1894 7 -0.2858 1894 8 -0.2640 1894 9 -0.2587 1894 10 -0.2640 1894 11 -0.3680 1894 12 -0.2682 1895 1 -0.4661 1895 2 -0.4551 1895 3 -0.2924 1895 4 -0.1947 1895 5 -0.2514 1895 6 -0.3131 1895 7 -0.2495 1895 8 -0.2406 1895 9 -0.1261 1895 10 -0.1351 1895 11 -0.1647 1895 12 -0.1179 1896 1 -0.1409 1896 2 -0.0876 1896 3 -0.2151 1896 4 -0.2891 1896 5 -0.1012 1896 6 -0.1161 1896 7 -0.0873 1896 8 -0.0620 1896 9 -0.0631 1896 10 -0.0023 1896 11 -0.1832 1896 12 0.0431 1897 1 -0.1837 1897 2 -0.1243 1897 3 -0.2278 1897 4 -0.0423 1897 5 -0.0920 1897 6 -0.1654 1897 7 -0.0779 1897 8 -0.1453 1897 9 -0.0341 1897 10 -0.1548 1897 11 -0.2641 1897 12 -0.2887 1898 1 -0.0642 1898 2 -0.2883 1898 3 -0.6498 1898 4 -0.3625 1898 5 -0.3004 1898 6 -0.2028 1898 7 -0.2672 1898 8 -0.2572 1898 9 -0.2404 1898 10 -0.3524 1898 11 -0.2933 1898 12 -0.0552 1899 1 -0.1148 1899 2 -0.2986 1899 3 -0.2868 1899 4 -0.1833 1899 5 -0.1830 1899 6 -0.2677 1899 7 -0.2025 1899 8 -0.1218 1899 9 -0.0582 1899 10 -0.0786 1899 11 0.1015 1899 12 -0.2285 1900 1 -0.2621 1900 2 -0.1286 1900 3 -0.0554 1900 4 -0.1328 1900 5 -0.0983 1900 6 -0.0957 1900 7 -0.1419 1900 8 -0.1103 1900 9 -0.1239 1900 10 -0.0399 1900 11 -0.1756 1900 12 -0.0142 1901 1 -0.1844 1901 2 -0.0812 1901 3 -0.0330 1901 4 -0.0727 1901 5 -0.1583 1901 6 -0.1510 1901 7 -0.1684 1901 8 -0.1893 1901 9 -0.2654 1901 10 -0.3234 1901 11 -0.2033 1901 12 -0.2657 1902 1 -0.0882 1902 2 -0.0533 1902 3 -0.1990 1902 4 -0.2899 1902 5 -0.2739 1902 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- 191 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

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1954 9 -0.0291 1954 10 -0.0438 1954 11 0.0558 1954 12 -0.1669 1955 1 0.1215 1955 2 -0.0975 1955 3 -0.2811 1955 4 -0.2165 1955 5 -0.1304 1955 6 -0.0830 1955 7 -0.0823 1955 8 0.0065 1955 9 -0.0555 1955 10 -0.0994 1955 11 -0.2127 1955 12 -0.2486 1956 1 -0.1684 1956 2 -0.2351 1956 3 -0.1543 1956 4 -0.2464 1956 5 -0.1971 1956 6 -0.1326 1956 7 -0.1200 1956 8 -0.1769 1956 9 -0.2183 1956 10 -0.1742 1956 11 -0.1300 1956 12 -0.1393 1957 1 -0.0865 1957 2 -0.0966 1957 3 -0.0622 1957 4 -0.0011 1957 5 0.1203 1957 6 0.1656 1957 7 0.0828 1957 8 0.1545 1957 9 0.1011 1957 10 0.0348 1957 11 0.1497 1957 12 0.2521 1958 1 0.3156 1958 2 0.2400 1958 3 0.1345 1958 4 0.1124 1958 5 0.1065 1958 6 0.0503 1958 7 0.0687 1958 8 0.0556 1958 9 0.0099 1958 10 0.0464 1958 11 0.1191 1958 12 0.1639 1959 1 0.1517 1959 2 0.0799 1959 3 0.1928 1959 4 0.1263 1959 5 0.0484 1959 6 0.0990 1959 7 0.0828 1959 8 0.0698 1959 9 0.1065 1959 10 -0.0033 1959 11 -0.0606 1959 12 0.0091 1960 1 0.0122 1960 2 0.1909 1960 3 -0.2006 1960 4 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- 192 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

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Ouvrages consultés

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Figures et tableaux Introduction Fig. 1 : le monde et la Terre selon Anaximandre...... 4 Fig. 2a : sphères d’Eudoxe...... 4 Fig. 2b : déplacement rétrograde de Mars sur la voûte étoilée...... 5 Fig. 3 : la Terre tourne sur elle-même ...... 5 Fig. 4 : la mesure de la distance Terre Soleil par Aristarque de Samos...... 5 Fig. 5 : 1° mesure de la rotondité de la Terre...... 6 Fig. 6 : point vernal et déplacement de l’axe de rotation de la Terre sur le cône de précession...... 6 Fig. 7 : illustration de la théorie des épicycles...... 6 Fig. 8b : les planètes gazeuses...... 8 Fig. 8a : les planètes rocheuses...... 8 Tableau 1 : les planètes du système solaire et leurs satellites ...... 9 Tableau 2 : planétologie comparée : rayons et masses volumiques du Soleil, des planètes et de leurs satellites ...... 9 Fig. 9 : distribution des poids volumiques dans le système solaire...... 9 Tableau 3 : planétologie comparée ...... 10 chapitre 1 Fig. 1 : la convection...... 12 Fig. 2 : viscoélasticité : corps de Maxwell...... 13 Fig. 3a : convection, passage de la convection en rouleaux à la convection en panaches avec le nombre de Rayleigh...... 13 Fig. 3b : modèles de convection mantellique (C. Grigné)...... 14 ...... 15 Fig. 4a : les éléments radioactifs et radiogéniques dans le tableau périodique...... 15 Fig. 4b : Bilan énergétique interne...... 16

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Tableau 1 : bilans énergétiques internes ...... 16 Fig. 4c : évolution de la chaleur dégagée par la radioactivité à vie longue depuis la création de la Terre...... 16 Fig. 5b : fig. 50 du poly « la dérive des continents » ; ...... 17 Fig. 5a : carte du flux de chaleur géosphérique actuel...... 17 Fig. 6a : modèle de composition minérale du manteau, et accessoirement du noyau...... 18 Fig. 6b : modèle de pression et de nature du manteau, du noyau et de la graine (La recherche)...... 18 Fig. 7 : 2 modèles de géotherme pour la Terre...... 19 chapitre 2 Fig. 1 a-c : chutes de météores...... 21 Tableau 1a : minéraux des météorites...... 22 Fig.1d-e : cratère météoritique...... 22 Fig. 2a-1 : les chondres...... 22 Fig. 2a-2 : microbilles, entières et fragmentées...... 23 Fig. 2b : chondrule (BO) olivine barrée ...... 23 Tableau 1b : minéraux des CAIs ...... 23 Fig. 2c : CAIs, inclusions réfractaires...... 23 Fig. 3 : section Polie de la météorite de Casas Grandes...... 26 Fig. 4 : diagramme de phases des alliages Fe-Ni...... 26 Fig 5a : pallasite brute...... 27 Fig. 5b : mesosidérite de Vaca Muerta, Clili, ...... 27 Tableau 4 : classification des sidérites ...... 27 Tableau 5 : classification des sidérolithes ...... 27 Fig. 6a : abondances cosmiques relatives des éléments...... 28 Fig. 6b : nucléosynthèse par fusion...... 28 Fig. 6c : nucléosynthèse par capture...... 29 Fig. 6d : abondances des éléments (en unités molaires) ...... 29 Fig. 7a : astéroïde Cérès 933, vu par Hubble...... 30 Fig. 7b : Vesta vu par Hubble à gauche, et de la Terre à droite...... 30 Fig. 7c : lacunes de Kirkwood dans la ceinture d’astéroïdes...... 30 Fig. 7d : Toutatis, géocroiseur de 4,6x 2,4 x 1,9 km...... 31 Fig. 8 : structures filamenteuses dans ALH84001...... 32 Fig. 9 : formation des météorites différenciées...... 32 Fig. 10 : collision de la comète Shoemaker-Levy 9 avec Jupiter...... 32 Fig. 11 : schéma simplifié d’un spectromètre de masse...... 33 Fig. 12 : la nébuleuse d'Orion, pouponnière d'étoiles...... 36 Fig. 13a : la naissance d'une étoile (Brahic et al.)...... 36 Fig. 13b : image des jets bipolaires (en rouge pour HH30 et blanc pour CRL 2688...... 37 Fig. 14a : la séquence de condensation dans la nébuleuse proto-solaire ...... 37 Tableau 6 : classification des éléments chimiques: ...... 38 Tableau 7 : série de condensation à l’équilibre d’un gaz de composition solaire ...... 38 Fig. 14b : la séquence de condensation...... 39 Fig. 15 : schéma de formation des chondrites...... 39 Fig. 16a-b : a) contenu isotopique des chondrites hérité d’un mélange de nébuleuses...... 40 Fig. 17 : hétérogénéité isotopique des chondrites héritée de la nucléosynthèse...... 41 Fig. 18 : schéma de production des chondrites...... 42 Fig. 19a : 2 types d’orbites des comètes...... 43 Fig. 19b : représentation du système solaire à l’échelle du nuage de Oort...... 43 Fig. 20a : comète Hale-Bopp...... 44 Fig. 20b : comète de Halley, composition de l’atmosphère...... 44 Tableau 8 : abondances des molécules mères dans les comètes recensées ...... 44 Fig. 21 : images MEB et spectres IR de 2 fragments d UCAMM...... 45 chapitre 3 Fig. 1 : expérience de Cavendish...... 47 Fig. 2 : x= R noyau /R Terre vs. y = ρnoyau /ρmanteau ...... 48 Fig. 3 : pesanteur terrestre...... 48 Fig. 4 : aplatissement polaire...... 48 Fig. 5 : effet topographique...... 48 Fig. 6 : corrections des mesures de pesanteur...... 49 Fig. 7 : les modèles d'isostasie...... 49 Fig. 8 : effet des reliefs sous marins sur la déviation de la pesanteur et le niveau des mers (géoïde)...... 49 Fig. 9a : altimétrie satellitaire...... 50 Fig. 9b : carte des anomalies de la gravité , Grace 2003...... 50 Fig. 10 : le géoïde terrestre...... 50 Fig. 11 : carte des anomalies à l’air libre sur les océans ...... 51

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Fig. 12 : effet du plongement d'une plaque...... 51 Fig. 13 : sismographe de Zhang Heng ( ≈ 100 AD)? ...... 51 Fig. 14a : modules d'élasticité...... 52 Fig. 14b : ondes de volumes, P et S...... 52 Tableau 1 : Relations entre constantes d’élasticité...... 52 Fig. 14c : ondes de surface...... 52 Fig. 15 : enregistrement du séisme de Santa Cruz 1989 ...... 53 Fig. 16a : carte de la séismicité en France pour 2004...... 53 Fig. 16b : séismicité du Sud-Est de la France...... 53 Fig. 17a : courbes temps vs distance...... 54 Fig. 17b : rais sismiques...... 54 Fig. 18 : caractérisation sismique de divers milieux : a) homogène ; b) hétérogènes, 1-régulier , 2-3 irréguliers. .. 55 Fig. 19a : fonction temps-distance onde réfléchie...... 55 Fig. 19b : fonction temps-distance onde réfractée...... 55 Fig. 20 : paquets d’ondes de surface progressives amorties...... 56 Tableau 2 : l'échelle EMS 98 ...... 56 Fig. 21 : échelle de Richter...... 57 Fig. 22 : corrélations expérimentales entre vitesse des ondes et la densité de divers éléments...... 57 Fig. 23 : relations vitesse des ondes – profondeur ...... 58 Fig. 24a : modèle PREM...... 58 Fig. 24b : courbes densité, pression dans le modèle PREM...... 58 Tableau 3 : vitesses et fréquences des ondes sismiques dans le manteau et dans le noyau ...... 59 Fig. 25 : zone d'ombre créée par le noyau...... 61 Fig. 26 : Le champ magnétique terrestre...... 62 Fig. 27 : champ dipolaire théorique...... 62 Fig. 28a : champ magnétique terrestre comprimé et raccordé au champ solaire...... 62 Fig. 28b : piégeage des particules dans les vortex (aurore)...... 62 Fig. 29 : ionisation des zones polaires 08 07 2013...... 63 Fig. 30 : variation séculaire du champ magnétique...... 63 Fig. 31 : courbe d’hystérésis des corps Ferromagnétiques...... 64 Fig. 32 : disque dynamo de Bullard...... 64 Fig. 33a : modèle de convection dans le noyau selon Busse 1970...... 64 Fig. 33b : Cellules de convection de Busse dans un modèle actuel de sphère en rotation...... 64 Fig. 34 : naissance d'un champ toroïdal dans une sphère hétérogène en rotation...... 65 Fig. 35a : magnéto à double disque de Rikitake (1958)...... 65 Fig. 35b : variations du courant avec le temps...... 65 Fig. 36 : structure symétrique et alternée du magnétisme rémanent du plancher océanique Est Pacifique...... 65 Fig. 37 : taches solaires...... 66 Fig.38 : variation du nombre de Wolf (taches solaires)...... 66 Fig. 39 a-b-c : champ quadripolaire observé à la surface : ...... 67 Tableau 4 : champ magnétique des planètes et des étoiles ...... 67 chapitre 4 Fig. 1 : circulation dans le noyau liquide...... 70 Fig. 2 : champ magnétique jusqu’à une distance de 2 rayons terrestres...... 70 Fig. 3 a-b : vitesses de propagation dans la graine...... 70 Fig. 4 : champ magnétique des planètes du système solaire...... 71 Fig. 5 : échelle des polarités et des temps durant 4.5 Ma...... 71 Fig. 6 : fréquence des inversions de polarité du champ ; en dessous inversions depuis 170 Ma...... 71 Fig. 7a : chemins préférentiels des pôles durant les inversions...... 72 Fig. 7b : champ magnétique terrestre lors d’une inversion selon Glatzmaier et Roberts...... 72 Fig. 7c : flip-flop vers 41000 BP ; trajet du pôle Nord...... 72 Fig. 8a : interface réactionnelle entre manteau et noyau ; ...... 73 Fig. 8b : altimétrie de la surface du noyau ...... 73 Fig. 8c : transition de phase pérovskite -postpérovskite PPv...... 74 Fig. 8d : corrélation entre des régions à ULVZ de la couche D’’ et la distribution des points chauds en surface ...... 74 Fig. 9 : schéma de couplage noyau-manteau, la couche D"...... 75 Fig. 10 : structure pérovskite (d'après Hazen): ...... 76 Fig. 11 : discontinuités du manteau...... 76 Tableau. 1 : minéralogie de péridotites du manteau supérieur ...... 76 Fig. 12 : diagramme P,T du manteau supérieur...... 77 Fig. 13 : tomographie sismique du manteau supérieur...... 79 Fig.14 : représentation des zones chaudes du manteau supérieur...... 79 Fig.15 : représentation des zones froides du manteau supérieur...... 79 Fig. 16 : coupe EW à travers l'arc du Japon...... 79 Fig. 17 : 2 types de zones de subduction...... 80 - 200 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

Fig. 18a-b : asymétries des plaques tectoniques et contraintes sur la convection du manteau ...... 80 Fig. 19a : cartes tomographiques du manteau inférieur...... 81 Fig. 19b : coupes tomographiques du manteau inférieur...... 81 Fig 20 : modèle Terra-Dynamo : ...... 82 Fig. 21 : simulation tomogra-phique du manteau Est Pacifique ...... 82 Fig. 22a : plaque subductée sous l’Ouest du lac Baïkal...... 82 Fig 22b : paléo-reconstructions de la Sibérie (SIB) et des blocks adjacents : ...... 82 Fig. 23a : convection à deux étages de Paul J. Tackley...... 83 Fig. 23b : simulation de la convection dans le manteau : ...... 83 Fig 23c : Masaki Yoshida & M. Santosh 2011...... 83 Fig. 24a : interactions planète-disque...... 86 Fig. 24b : migration des planètes du système solaire selon le modèle de NICE ...... 86 Fig. 25a : scénario d’une collision avec Theïa en 5 clichés : ...... 87 Fig. 25b : un océan de magma aurait enveloppé la lune...... 88 Fig. 26 : advection magmatique dans la lithosphère...... 89 Fig. 27 : l’âge de la croûte continentale...... 89 Fig. 28 : croissance des continents...... 90 Fig. 29 : fusion de l’asthénosphère par décompression adiabatique au droit d’une dorsale...... 91 Fig. 30a : croûte océanique...... 92 Fig. 30b : éruptions sous-marines : ...... 92 Fig. 31a-b-c : lessivage et hydratation de la croûte et du manteau au droit des dorsales : ...... 92 Fig.32 : panache enrichi en 3He...... 93 Fig. 33 : âge du plancher océanique croissant symétriquement avec la distance à la ride...... 93 Fig. 34 : les sédiments marins de la plaque plongeante...... 94 Fig. 35a-b : diagrammes de phases X vs. T° : ...... 95 Fig. 36a-b : évolution du rapport isotopique 87 Sr / 86 Sr ; a) dans la croûte continentale, b) dans le manteau...... 96 Fig.37 : logs géochimiques verticaux (en km) dans le manteau lithosphérique subcontinental ...... 97 chapitre 5 Tableau 1 : composition de l’atmosphère terrestre ...... 100 Fig. 1 : estimation des réservoirs et des flux dans le cycle de l’eau de la surface terrestre selon M. T. Chahine...... 101 Fig. 2 : structure verticale de l’atmosphère terrestre...... 101 Fig. 3a : spectre solaire comparé à l’émission d’un corps noir à 5770K (en jaune), T° de la chromosphère...... 102 Fig. 3b : spectre du corps noir à 256K, T° d’émission de la Terre...... 102 Fig. 4a : relation couleur-température du corps noir, d’après J.Y. Daniel 1991...... 103 Fig. 4b : enveloppe des diffusions de Rayleigh et de Mie ...... 103 Fig. 5a : spectre des raies d'absorption des gaz atmosphériques...... 104 Fig. 5b : down-welling Surface Short-wave Radiation Flux...... 105 Fig. 4c : albédo annuel moyen versus latitude ...... 104 Fig. 6a : l’effet de serre d’après Ramanathan et al...... 106 Fig. 6b : l’effet de serre, représentation simplifiée...... 106 Fig. 6c : Downwelling Long-wave Radiation (DLR) Flux...... 106 Tableau 2 : potentiel de réchauffement planétaire (PRP) et durée de vie dans l'atmosphère des GES...... 107 Fig. 7a : évolution de la teneur en CO 2 et de la Température de l'air depuis 400 000 ans; ...... 110 Fig. 7b : évolution de la teneur en CO 2 de l’air du Mona Loa 2011-2015...... 111 Fig. 7c : évolution décalée de la teneur en CO 2 de l’air et des températures de l’air...... 111 13 Fig. 7d-1 : covariation du taux de CO 2 (orange) avec δ C (bleu) de 1980 à 2012...... 112 Fig. 7d-2 : signature isotopique des sources de CH 4 ...... 112 13 Fig. 7d-3 : covariation du taux de CO 2 (pâle) avec δ C (foncé) de 1850 à 2000...... 112 Fig. 8b : RCO 2 = Rapport des teneurs de CO 2 avec le niveau de concentration de1900...... 113 Fig. 8a1-2 : variation de la teneur en CO 2 des 20 000 ans BP : ...... 113 Fig. 10b : carte des δD et δ18 O pour les précipitations en Amérique du Nord...... 114 Fig. 10a : effet des précipitation sur les rapports δ2H et δ18 O...... 114 Fig. 9 : température de l’océan et concentration en CO 2 dans l’atmosphère depuis 65 Ma, in IPCC AR4 Chp 6. .... 114 Fig. 10c : enrichissement linéaire en isotopes lourds avec la température...... 115 Fig. 11 : le cycle du carbone...... 115 Fig. 12a : CO 2 de l’air, données NOAA, depuis 1995...... 116 Fig. 12b : CO 2 de l’air, données NOAA, depuis 1959...... 116 Fig. 12c : CO 2 de l’air d’après E.G. Beck (2007)...... 118 Fig. 12d : évolution de la concentration en CO 2 de l’atmosphère depuis l’ère industrielle...... 118 Fig. 12e : distribution spatiale et temporelle du CO 2 ...... 119 Fig. 12f : CO 2 (courbe orange) & surface de la banquise Arctique (courbe noire) 1978-2014 ...... 119 -3 Fig. 13a : courbe d’évolution des teneurs en CH 4 dans l’atmosphère ; notez l’unité, 1 ppb = 1.10 ppm ...... 119 Fig. 13b : synchronisme des variations de teneur en CO2 et en CH4 avec le climat ...... 119 Fig. 13c : évolution de la concentration en CH4 de 1850 à 2010...... 120

- 201 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

Fig. 13d : distribution spatiale et temporelle du CH 4 dans l’atmosphère, pour les années 1984 à 2010,NOAA...... 120 Fig. 14a-b : évolution de la concentration en N 2O a) et en SO 4 b) depuis le début de l’ère industrielle...... 120 Fig. 15 : réseau des stations de mesures de la température de surface, set de données HadCRUT...... 121 Fig. 16a : augmentation quasi linéaire de la température de l’hémisphère Sud depuis 1930...... 122 Fig. 16b : contraste avec le tracé en dents de scie de la courbe de l’hémisphère Nord...... 122 Fig. 17: courbes d’évolution des GES, de la production de combustibles fossile, des caractéristiques solaires, de la température et du niveau de la mer...... 123 Fig. 18a1-2: courbes de température des rapports IPCC de 1990 et 2001 pour le dernier millénaire...... 124 Fig. 18b : courbes des anomalies de température globale en °C...... 124 Fig. 19 a : 1882-2009, courbe de l’anomalie de température (par rapport à la moyenne de 1900-2001)...... 125 Fig. 19 b : anomalie de température résiduelle cumulée (moyennes mensuelles 1880-2012) ...... 125 Fig. 19 c : anomalie de température résiduelle cumulée (abscisse) en fonction de l’anomalie en CO 2...... 125 Fig. 19 d : évolution de la température et du CO 2 durant le dernier millénaire...... 125 Fig. 20 : modèles de réchauffement IPCC...... 126 Fig. 21a : températures du Groenland reconstruites à partir des isotopes de l’azote et de l’Argon période 1750-1989. 127 Fig. 21b : températures du Groenland reconstruites à partir des isotopes de l’azote et de l’Argon période 1000-actu. 128 Fig. 21c : courbe des températures construite à partir des isotopes des gaz des bulles dans les glaces...... 128 Fig. 22c-2 : courbes de la surface de glace Arctique...... 129 Fig. 22b : non corrélation entre longueur des glaciers alpins et température estivale...... 129 Fig. 22a : recul des glaciers dans le monde depuis 5 siècles...... 129 Fig. 22c-1 : recul de la banquise Arctique (courbe noire) et de l’inlandsis Antarctique (courbe violette)...... 129 Fig. 23a-b : niveau de la mer depuis le dernier maximum glaciaire...... 130 Fig. 23c : élévation du niveau de la mer depuis 1000 ans, d’après Behre K.E., 2003...... 130 Fig. 23d : niveau de la mer depuis 1992...... 131 Fig. 24 : reconstruction des précipitations estivales à partir des cernes des arbres...... 131 Fig. 25a-b : coupes NS de l’atmosphère après 1 siècle d’effet de serre (XX°), comparaison entre modèle et réalité : ...... 131 Fig. 26a-1 : activité solaire (Total Solar Irradiance) et Anomalie de T° de l’atmosphère arctique...... 132 Fig. 26a-2 : activité solaire (Total solar irradiance) et T° moyenne de la surface de la Terre...... 132 Fig. 26a-3 : CO 2 atmosphérique et anomalie de T° de l’atmosphère arctique...... 132 Fig. 26b : cycle 24 de l’activité solaire...... 133 Fig. 26c : activité solaire, rayons cosmiques et 14 C (opposé des fluctuations) ...... 133 Fig. 26d : irradiance solaire et cycle solaire...... 134 Fig. 27a : cycle de Chapman, production-destruction de l’O 3...... 134 Fig. 27b : Anomalie de la couche d’ozone ...... 135 Fig. 27c : raies d’absorption des SAO et de l’O 3 dans la stratosphère ...... 137 Fig. 27d : Anomalie de la couche d’ozone ...... 137 Fig. 28a : nuage noctilucte ...... 138 Fig 28b : persistance du SO 2 après éruption volcanique...... 139 Fig. 29 : courants magnétosphériques...... 140 Fig. 30a : ovales polaires ...... 140 Fig. 30b-c : draperies vertes et pourpres ...... 140 Fig. 31 : circulation atmosphérique...... 140 Fig. 32 : force de Coriolis...... 141 Fig. 33a : structure d’un cyclone tropical...... 141 Fig. 33b : développement d’un cyclone ...... 142 Fig. 33c1-3 : cyclones et tempêtes tropicales, 1) nombre par an ; 2) Séries temporelles ; 3) ACE...... 142 Fig. 34a : genèse des vents géostrophiques...... 143 Fig. 34b : vents...... 143 Fig. 34c : circulation : divergente (haute pression ) ; convergente (basse pression) ...... 143 Fig. 35 : courant d’inertie et force de Coriolis...... 144 Fig. 36a : gradient de pression horizontal...... 144 Fig. 36b : spirale d’Ekman...... 144 Fig. 37 : température versus profondeur et latitude : ...... 145 Tableau 3 : composition moyenne de l’eau de mer ...... 145 Fig. 38a : salinité des eaux de surface de l’océan : 33-36.5 g/l...... 146 Fig. 38b : coupes verticales Sud-Nord de la salinité des océans...... 146 Fig. 39a : carte des courants et de la surface topographique de l’océan...... 147 Fig. 39b : carte de grandes gyres océaniques...... 147 Fig. 40a : image de la T° de surface du Gulf-Stream ...... 147 Fig. 40b : altimétrie satellitaire de surface du Gulf-Stream ...... 148 Fig. 40c : gyre arctique de Beaufort...... 148 Fig. 40d : détroit de Fram entre Groënland et Svalbard ...... 148 Fig. 41 : courants péri-Antarctiques...... 149 Fig. 42 : alizés et upwelling équatorial ; pointillé = équateur...... 149 Fig. 43a : situation La Niña sur le Pacifique...... 149

- 202 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

Fig. 43b : situation El Niño sur le Pacifique...... 150 Fig. 43c : coupe W-E de l’océan Pacifique : ...... 150 Fig. 44 : variations saisonnières de la ITCZ...... 150 Fig.45a : corrélation négative entre variation du SOI et variation de température...... 151 Fig. 45b : pont atmosphérique ENSO...... 151 Fig. 46a-1 : cartographie de la SST...... 151 Fig. 46a-2 : variation de l’index PDO...... 151 Fig. 46b 1-2 : index PDO : ...... 152 Fig. 47 : « mixed layer » ...... 152 Fig. 48a-1: Structure spatiale de la NAO d'hiver...... 153 Fig. 48a-2 : impacts des deux phases de la NAO...... 153 Fig. 48a-3 : déplacement du jet stream avec la NAO...... 153 Fig. 48b : valeurs annuelles de l'indice NAO depuis 1830...... 154 Fig. 48c : l'AO et la NAO, 2 façons de décrire le même phénomène...... 154 Fig. 48d : l’anomalie du dipôle Arctique en été...... 155 Fig. 49a : évolution temporelle de l'index AMO Atlantic multidecadal oscillation (AMO) 1856-2013...... 155 Fig. 49b : comparaison de l'AMO avec la pluviométrie de la Floride depuis 1900...... 155 Fig. 49c : comparaison de l'AMO avec l'énergie dissipée par les cyclones en Atlantique, depuis 1860 ...... 156 Fig. 50a : circulation océanique Nord Atlantique...... 157 Fig. 50b : circulation océanique Arctique...... 157 Fig. 50c : plongement des eaux froide le long de l’Islande...... 157 Fig. 51 : répartition des masses d’eau dans l’Atlantique, coupe NS...... 158 Fig. 52a : ouverture du passage de Drake entre 43 et 10 Ma...... 158 Fig. 52b : ouverture de passage de Drake entre 43 et 10 Ma et modifications du climat...... 159 Fig. 53 : divergence Antarctique...... 159 Fig. 54 : le convoyeur à bande...... 160 Fig. 55a : variation moyenne altimétrique du niveau marin pour la période 1993-1998...... 161 Fig. 55b : variation du niveau marin, attribuée à la seule dilation thermique pour 1993-1998...... 161 Fig. 55c : idem pour la période 1955-1996...... 161 Fig. 56 : variation de la chaleur contenue dans l’océan 1955-2014 ...... 161 Fig. 57a : évolution du taux annuel d’élévation du niveau marin depuis 1905...... 162 Tableau 4 : composition du soleil ...... 162 Fig. 57b : variation du niveau marin autour de la moyenne ...... 162 Fig. 58 : abondances relatives des gaz atmosphériques par rapport au Soleil...... 163 Fig. 59 : évolution des compositions dans le manteau en 129 I, 129 Xe et 130 Xe...... 164 Fig. 60 : évolution des compositions en argon du manteau...... 165 Fig. 61 : diagramme 40 Ar/ 36 Ar versus 87 Sr/ 86 Sr...... 165 Fig. 62 : réseau hydrographique de type désertique sur Mars ...... 166 Fig. 63 : diagramme de phases de H 2O...... 167 Tableau 5 : rapports isotopiques des atmosphères ...... 168 Fig. 64 : stromatolithes actuelles...... 170 Fig. 65a-c : Banded Iron Formation (BIF) : ...... 171 Fig. 66 : évolution de la composition de l'atmosphère...... 172 Fig. 67 : fossile de Franceville...... 173 Fig. 68a : la faune d’Ediacara : ...... 173 Fig. 68b : la faune d’Ediacara : ...... 173 Fig. 68c : distribution mondiale des sites de faunes d’Ediacaria: ...... 174 Fig. 69 : faune tommotienne: ...... 174 Fig. 70 : cône de diversité croissante...... 174 Fig. 71 : datation des premières faunes fossiles...... 174 Fig. 72 : Stephen Jay Gould...... 175 Fig. 73 : « La vie est Belle », taxons connus de nos jours : ...... 176 Fig. 74 : schéma de décimation – diversification...... 177 Fig. 75a : évolution du nombre des familles dénombrées en paléontologie...... 178 Fig. 75b : extinctions, familles+genres depuis le Permien...... 179 Tableau 6 : périodes glaciaires du Quaternaire ...... 180 Tableau 7 : sites de forages glaciaires ...... 180 Fig. 76 : CO 2,CH 4 et T°C calculées depuis 400 000 ans...... 181 Fig. 77a : excentricité...... 181 Fig. 77b : inclinaison...... 181 Fig. 77c : précession...... 181 Fig. 77d : insolation entre 60 et 70° de latitude Nord au mois de juillet...... 182 Fig. 77e : glaciaire / interglaciaire...... 182 Fig. 78a : succession des événements de Dansgaard/Oeschger...... 182 Fig. 78b : détail de l’évènement YD (Dryas récent)...... 183

- 203 - ENSM-SE, 2° A : axe transverse P N 08/02/16

Fig. 79 : section polie de la stalagmite Vil-stm9 autour de l'événement D/O20...... 183 Fig. 80 : évolution des banquises Nord et sud de 1979 à 2012; Anomalie Antarctique vs Arctique...... 184 Fig. 81 : quelques paramètres connus à l’échelle planétaire pour les derniers 600 Ma environ...... 184

PLAN du POLY

AVERTISSEMENT AU LECTEUR 1 Prologue 3 CHAPITRE 1 11 A - La conduction 11 B - La Convection 12 C - L’advection 14 D - Les bilans énergétiques internes 14 1 - Les sources de chaleur de la Terre 15 2 - L’état thermique de la Terre 17 3 - L’allure du géotherme terrestre 18 Sites WEB consultés 20 CHAPITRE 2 21 A – Classification des météorites 22 1 - Les aérolites : chondrites-achondrites 22 a - Les chondrites : 22 b - Les achondrites : 25 2 - Les sidérites, ou Fers 25 a - Les hexaédrites 26 b - Les octaédrites, 26 c - Les ataxites 26 3 - Les sidérolithes 27 a - Pallasites : 27 b - Mésosiderites : 28 c - Lodranites : 28 B - Composition chimique des météorites 28 1 - Aperçu de la composition du Soleil 28 2 - Météorites et composition solaire 29 C - Les météorites différenciées et le fractionnement chimique dans le système solaire 29 1 - Relation de Titius et ceinture d’astéroïdes 30 2 - le fractionnement des éléments chimiques des corps massifs et les météorites différenciées 31 3 - le fractionnement isotopique des espèces chimiques 33 a- Le fractionnement d’équilibre chimique 33 b- Le fractionnement d’équilibre physique 34 c- Le fractionnement cinétique de transport 34 d- Le fractionnement cinétique de réaction 34 D - Les chondrites, météorites non différenciées 35 1 - Objets très précoces 35 2 - Produits de la condensation de la nébuleuse 37 3 - Vers une contribution de plusieurs étoiles à la chimie de notre Soleil ? 40 4 - Schéma de production des chondrites 42 E - Les comètes, second type d’objets primitifs, encore plus froids 42 1 - Des petites boules de neige sale 42 2 - La chevelure des comètes 43 3 - Les comètes et l’eau terrestre 44 4 - Les météorites ultracarbonées (UCAMM) 44 Sites WEB consultés 45 Quelques idées fortes 46 CHAPITRE 3 47 A - Gravimétrie et Géodésie 47 1 - Cavendish a mesuré la constante G, en 1798 à Paris. 47 2 - La mesure de la pesanteur 48 3 - Isostasie : comportement hydrostatique de la lithosphère 49 4 - Géodésie satellitaire 50 B - La séismicité 51

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1 - Les ondes émises par un ébranlement 51 a - ondes de volumes 52 b - ondes de surface 52 2 - Distribution des séismes 53 3 - La propagation des ondes 54 a - Rebroussement des ondes de volume 54 b - La fonction temps –distance des ondes de volume 54 c – Le chant de la Terre : oscillations propres 55 d – Magnitude et Intensité d’un séisme 56 4 - Hétérogénéités terrestres : le modèle PREM 57 a - La Croûte Terrestre. 58 b - manteau supérieur 59 c - manteau inférieur 60 d - Le Noyau 61 C - Le magnétisme 61 1 - le champ magnétique terrestre, 61 2 - Le champ déformé de la magnétosphère 62 3 - Le champ terrestre est actif 63 4 - Un champ magnétique auto-entretenu 64 Sites WEB consultés 67 Quelques idées fortes 68 CHAPITRE 4 69 A - Le Noyau Terrestre 69 1 - Le noyau liquide 69 2 - La graine solide 70 3 - Les inversions du champ terrestre 72 B - Le couplage Noyau-Manteau-Atmosphère et la couche D" 73 1 - Nature de la couche D" 73 2 - Couche D", accumulateur de chaleur 74 C - Le Manteau Terrestre 75 1 - Minéralogie du manteau 76 2 - Fusion partielle du manteau 77 a - Le manteau en quelques paramètres intensifs 77 b - Le manteau : 2 paramètres externes, P & T, et La fusion partielle du Manteau 77 3 - La tomographie sismique du manteau supérieur 78 a - Zones d’accrétion 79 b - Zones de subduction 79 4 - La tomographie sismique du manteau inférieur 81 5 - Vers une convection à 1 ou 2 couches ? 81 D - La valse à trois temps, l’Hadéen, l’Archéen, et les Temps Modernes 84 1 - L’Hadéen, une naissance tourmentée 84 a - Scénario d’une accrétion à froid en moins de 10 Ma ? 84 b - Un vernis météoritique et cométaire tardif pour la Terre 85 c - Mise en place du système solaire 86 d - Terre-Lune, le couple infernal 87 2 – L’Archéen, une convection mantellique rapide et des komatiites, chaleur oblige… 88 3 - Le début des temps modernes vers 2 Ga. 88 E - La croûte terrestre et la lithosphère, interaction entre manteau et atmosphère 89 1 - Croûte et lithosphère continentale, une mémoire longue, mais effaçable 89 a - Des blocs ceinturés 90 b - Une hétérogénéité verticale et horizontale 91 2 – Croûte et lithosphère océanique Une mémoire courte de 200 Ma. 91 a - La lithosphère océanique est issue de la fusion du manteau dans les zones d'accrétion 91 b - La lithosphère plongeante provoque la fusion du manteau dans les zones de subduction et fabrique de la croûte continentale 94 3 - Le fractionnement magmatique 95 a - Le processus de fractionnement (cf. TP Axe GP) 95 b - Depuis quand le fractionnement de la croûte continentale à partir du manteau supérieur fonctionne-t-il? 96 Sites WEB consultés 98 Quelques idées fortes 99 CHAPITRE 5 100 A - Composition de L’atmosphère Terrestre actuelle 100 B - Structure thermique et chimique verticale de l'atmosphère 101 1 - La Troposphère 102 a - Troposphère et phénomènes climatiques 102

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b - Troposphère, siège de l’effet de serre 102 c – Réchauffement climatique ou « global warming ». 107 1) GES majeur : le Dioxyde de Carbone 115 2) Le Méthane 119 3) Le Protoxyde d’Azote et le Dioxyde de Soufre 120 4) Impact des GES sur la T° globale 121 5) Le rôle des radiations solaires. 132 2 - La stratosphère et la protection contre les UV solaires 134 a - Cycle de Chapman 134 b - Quatre types de réactions rendent l'ozone formé instable: 135 c – Impact des SAO 136 3 - La mésosphère 138 4 - La thermosphère 139 C - Stratification électromagnétique de l'atmosphère : 139 1 - La neutrosphère et l’ionosphère 139 2 - La magnétosphère 139 D - Circulation de l'atmosphère 140 1 - Force de Coriolis 141 2 - Cellule de Hadley, ITCZ et cyclones 141 3 - Cellule de Ferrel, vents géostrophiques et Cellule polaire 143 E - Circulation océanique 143 1 - Coriolis : Transport d’Ekman et courants Géostrophiques 143 2 - la circulation thermohaline 144 a - Température et thermocline. 144 b - Salinité et halocline 145 3 - Rôle de la topographie et de la latitude. 147 a - Gyres océaniques 147 b – Westerlies ou Quarantièmes et les cinquantièmes 148 c - « Upwellings » 149 4 - Les couplages océan-atmosphère. 149 a- El Niño / Southern Oscillation system (ENSO) Couplage Océan-atmosphère, 149 b - PDO / Pacific Decadal Oscillation, Couplage Océan-Atmosphère 151 c – NAO (North Atlantic Oscillation) ou AO (Arctic Oscillation), un même couplage Océan-Atmosphère en hiver 152 d – DA (Anomalie du Dipôle Arctique) en été 155 e - AMO (Atlantic Multidecadal Oscillation) 155 f – AMO-NAO versus volcanisme, vers une autre controverse ? 156 5 - Le modèle du Tapis Roulant 157 6 – Eustatisme = Variations du niveau marin 160 F - Histoire de l'atmosphère 162 1 - L'atmosphère primaire de la Terre : héritage des gaz piégés lors de l’accrétion 162 2 - L'atmosphère secondaire de la Terre : fille des volcans 163 a - le dégazage du manteau terrestre a-t-il été précoce ou tardif? 164 b - Le dégazage du manteau terrestre a-t-il été Instantané ou lent? Unique ou multiple? Total ou partiel? 165 3 - L'atmosphère tertiaire de la Terre : le sceau de la vie ? 166 a – La précipitation de l’océan sur Terre 166 b – La précipitation de l’océan sur Mars ? 167 c - L’apparition de la vie et l’apparition des conditions oxydantes 169 d - L’explosion de la diversité, un scénario très mal documenté 173 4 –L’ultime évolution de l’atmosphère-biosphère et Le sceau de l’homme 179 a - Le décryptage des archives glaciaires 179 b - Les changements cycliques du climat 180 c - Les oscillations rapides du climat 182 Sites WEB consultés 185 Quelques idées fortes 187 Epilogue 188 Ouvrages consultés et données exploitées 190 Mesures CO 2 Mona Loa (Annexe 1) 190 Moyennes mensuelles des anomalies de la température globale (écart à la moyenne 1900-2001, Annexe 2) 190 Ouvrages consultés 194 Figures et tableaux 198 PLAN du POLY 204

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