Paléoclimats : comment sont-ils déterminés ?

La paléoclimatologie se base sur des données pluridisciplinaires : paléontologie, sédimentologie, géochimie.

Données paléontologiques

L'étude de la faune et de la flore du passé, par l'observation de fossiles d'animaux et de végétaux, permet d'obtenir des informations sur les conditions climatiques d'un lieu à une époque donnée. Ces renseignements sont obtenus par comparaison des espèces fossiles avec les espèces actuelles, dont on connait les environnements de vie. Les scientifiques procèdent ainsi par analogie. Les pollens et les spores sont les marqueurs les plus utilisés, car ils sont beaucoup plus répandus que les autres types de végétaux. Les analyses polliniques donnent ainsi de nombreuses informations sur le paléoclimat. Grâce à leur étude, il est ainsi possible de retracer l'évolution géographique des espèces et d'en déduire les changements climatiqueschangements climatiques et environnementaux.

Fossile de fougère. © happy2be, Pixabay

D'autres organismes, en particulier ceux qui sont très dépendants des conditions environnementales et sont rapidement impactés par tout changement du milieu (température, salinitésalinité, pH...) représentent des marqueurs paléoclimatiques particulièrement importants. Les coraux par exemple, ou les grands foraminifèresforaminifères benthiquesbenthiques, permettent ainsi de connaitre le climatclimat et la température d'une région précise à différentes époques.

Les déductions qui reposent sur des études paléontologiques supposent qu'il y a pérennité du mode de vie des espèces animales et végétales au cours du temps. Un principe qui peut cependant être discuté.

Données sédimentologiques

D'autres types de données à être utilisés en paléoclimatologie sont les données de sédimentologie. L'étude des sédimentssédiments peut en effet apporter un nombre important d'information sur les conditions climatiques d'une époque. La présence d'évaporitesévaporites (sels, potasse, gypsegypse) est ainsi un indicateur d'un climat sec, la présence de morainesmoraines est associée à un environnement glaciaire, la présence de dunes éolienneséoliennes à un environnement désertique. L'étude des rythmes dans les séries sédimentaires a notamment montré que certains dépôts de sédiments sont dépendants des cycles orbitaux qui contrôlent le climat terrestre.

Paysage de la Mer Morte en Israël. L’observation de dépôts salifères dans les sédiments anciens est un indicateur climatique. © Redhead_Orti, Pixabay

Données géochimiques

L'apport de la géochimie est également très important dans toute étude paléoclimatique. Ces données reposent sur l'analyse des variations de certains éléments chimiqueséléments chimiques dans les dépôts sédimentaires. Les scientifiques se basent principalement sur les variations du rapport entre deux isotopesisotopes de l'oxygène : ¹⁸O/¹⁶O, qui est considéré comme étant un paléothermomètre. En effet, il y a naturellement un déséquilibre entre la quantité de l'isotope ¹⁸O par rapport à l'isotope ¹⁶O dans l'eau de mer. Le ¹⁸O est environ 500 fois moins abondant. Or, ce rapport varie légèrement en fonction des conditions de température du milieu.

Ainsi, lorsqu'un carbonate (CaCO₃) précipite dans l'océan ou lorsqu'un organisme marin fabrique sa coquillecoquille à partir des composants de l'eau de mer, un isotope d'oxygène sera choisi préférentiellement dans la réaction et ce choix sera dépendant de la température (on parle de fractionnement isotopique). En mesurant le rapport ¹⁸O/¹⁶O d'un échantillon de roche carbonatéeroche carbonatée ou d'un fossile (rostrerostre de bélemnite par exemple), il est possible de déterminer avec précision la température de l'eau à l'époque du dépôt. Une diminution du rapport isotopique indique ainsi un réchauffement alors qu'une augmentation indique un refroidissement.

Fossile de bélemnite entier (le rostre est la partie solide le plus souvent conservé) © Ra'ike, Wikimedia Commons, CC by-sa 3.0

Cette technique a notamment permis de détailler l'évolution climatique du QuaternaireQuaternaire (2 derniers millions d'années), en mettant en évidence de nombreuses fluctuations climatiques. La corrélation entre ces fluctuations de la température avec les fluctuations de l'orbiteorbite terrestre (cycles de Milankovitch) ont également permis de confirmer la théorie du forçage astronomique du climat.

Des interactions complexes

L'étude des paléoclimats révèle des interactions complexes entre les différentes enveloppes superficielles de la terreterre. Une variation de la température atmosphérique va ainsi induire des modifications au niveau de la biosphèrebiosphère mais également de la géosphère en provoquant des réactions chimiquesréactions chimiques complexes. Ainsi, la température et la fluctuation du volumevolume des calottes glaciairescalottes glaciaires (qui est, hors action anthropique, liée aux variations des paramètres orbitaux de la Terre), contrôlent les teneurs en CO₂ et CH₄ dans l'atmosphèreatmosphère par divers mécanismes : modification de la solubilité des gazgaz dans l'eau de mer, variations dans les circulations océaniques, influence sur la capacité de stockage du carbonecarbone dans les sédiments océaniques... Certaines réactions à la hausse des températures peuvent ainsi avoir une action de renforcement du changement climatique (positive feedback), comme l’émission de gaz à effet de serre, ou au contraire une action de contrebalance (negative feedback), comme la libération d'aérosolsaérosols organiques produits par les végétaux.