Le climat sur Terre depuis sa formation

01·Ce que signifient les couleurs et les motifs

La bande du haut représente la température moyenne du globe par son écart à la moyenne des années 1850-1900, période que le GIEC, le groupe d’experts sur le climat réuni par les Nations unies, retient pour représenter le climat d’avant l’industrie. Un écart nul correspond à environ 14 °C, d’après les chiffres publiés par Jones et ses collègues en 1999 1. La bande du bas représente la quantité de CO₂ dans l’atmosphère, en multiples de son niveau de 1850-1900.

Les bleus désignent un globe plus froid qu’en 1850-1900, les orangés un globe plus chaud, et le noir, au milieu de la barre, un écart nul. Les couleurs changent davantage par degré quand l’écart est faible : une variation d’un degré à notre époque se distingue ainsi aussi nettement qu’une variation de dix degrés au Crétacé, il y a 143 à 66 millions d’années.

Dans la légende de la frise, la barre du CO₂ est graduée en multiples du niveau de 1850-1900 : l’air contenait alors en moyenne 289 molécules de CO₂ pour un million de molécules d’air, d’après l’air piégé dans les glaces de l’Antarctique 10. L’échelle est logarithmique : de × 1 à × 10, la distance est la même que de × 10 à × 100. Ses repères et ses couleurs s’étendent du niveau de CO₂ le plus bas au plus haut de la partie de la frise à l’écran : une même couleur désigne donc une quantité différente d’une vue à l’autre, alors que les couleurs des températures ne changent pas. Avant 539 millions d’années, le multiple s’applique à la pression du CO₂, comparée à celle de 1850-1900 ; les deux multiples ne coïncident que si l’atmosphère de ces temps-là exerçait, comme aujourd’hui, une pression d’environ 1 bar (voir « Deux unités pour le CO₂ »).

02·D’où viennent les valeurs

Sur chaque tronçon de la frise, les bandes s’appuient sur une étude, ou sur deux, l’une au-dessus de l’autre, quand deux études couvrent les mêmes dates. Au raccord de deux tronçons, la couleur change d’un coup : chaque étude garde ses propres valeurs. Le GIEC procède de même dans une figure de son sixième rapport, paru en 2021, qui représente l’évolution passée de la température du globe. Les températures publiées en degrés Celsius sont converties en écart à la moyenne de 1850-1900, et la modélisation de Krissansen-Totton et ses collègues a été exécutée pour cette frise (voir « Il y a plus de 539 millions d’années »).

Les tableaux distinguent deux façons d’obtenir une valeur. Une reconstitution part d’indices mesurés dans des archives naturelles, roches, fossiles, sédiments ou glace, dont la composition dépend de la température ou du CO₂ de leur époque ; certaines, comme celles d’Osman et de Judd, combinent ces indices avec une modélisation du climat pour passer de quelques lieux à la moyenne du globe. Une modélisation mathématique calcule au contraire la température et le CO₂ à partir d’équations qui décrivent les échanges de carbone entre l’air, l’océan et les roches, là où les indices manquent. C’est une modélisation, celle de Berner et Kothavala 11, qui fournit le CO₂ de 539 à 420 millions d’années, faute d’estimations tirées des fossiles pour cette période. Les études de chaque tronçon sont nommées dans les tableaux qui suivent, du plus ancien au plus récent, puis celles qui datent les glaciations.

03·Il y a plus de 539 millions d’années

Les reconstitutions de la température moyenne du globe retenues pour la frise s’arrêtent au début du Cambrien, il y a 539 millions d’années. Pour les temps plus anciens, les deux bandes représentent d’abord l’état de la surface tel que des études le décrivent, puis les résultats de deux modélisations mathématiques, qui calculent les échanges de carbone entre l’air, l’océan et les roches. La pluie décompose lentement les roches, et cette altération retire du CO₂ de l’air, tandis que les volcans en rejettent. Le CO₂ retient une partie de la chaleur que la Terre rayonne vers l’espace : plus l’air en contient, plus la surface est chaude.

Pendant la formation de la Terre, la surface fond à chaque grand impact 12. Ensuite, la jeune Terre entre en collision avec une autre jeune planète, et les débris de ce choc forment la Lune. La collision fait fondre toute la surface, couverte pendant 2 à 10 millions d’années d’un océan de magma ^{13, 14} ; la bande des températures représente ces deux états en rouge-orangé uni.

Une fois l’océan de magma solidifié, la surface reste entre 200 et 230 °C ^{13, 15}. L’atmosphère est alors faite surtout de CO₂, à une pression d’environ 100 bar, cent fois la pression de l’air au sol aujourd’hui 13 ; la bande du CO₂ commence avec cet état. La surface se refroidit ensuite à mesure que le CO₂ de l’air se dissout dans l’océan et se fixe dans les roches du fond : en 10 millions d’années si le fond des océans entraîne presque tout ce carbone en profondeur, en plusieurs dizaines de millions d’années sinon ^{13, 15}. Faute de durée établie, les deux bandes représentent ce refroidissement par un dégradé jusqu’aux premières valeurs calculées.

D’il y a 4,4 à 4 milliards d’années, les bandes représentent les résultats publiés par Kadoya et ses collègues en 2020 15. Leur modélisation mathématique ajoute aux mécanismes précédents l’altération des débris projetés par les impacts de météorites, qui retire elle aussi du CO₂ de l’air. D’il y a 4 milliards à 539 millions d’années, les bandes représentent les résultats de la modélisation mathématique de Krissansen-Totton et ses collègues 7, exécutée 10 000 fois pour cette frise avec le programme écrit par ses auteurs. À chaque calcul, les 22 réglages de cette modélisation, des grandeurs mal connues dont dépend le résultat, ont été tirés au sort entre les limites fixées par les auteurs. À chaque date, les bandes représentent la valeur centrale de ces 10 000 résultats, leur médiane : la moitié des résultats sont plus élevés, l’autre moitié plus bas.

04·Deux unités pour le CO₂

Pour les 539 derniers millions d’années, le panneau qui s’ouvre sur la bande attribue au CO₂ une unité en ppm, ou parties par million : le nombre de molécules de CO₂ pour un million de molécules d’air, la grandeur que mesurent ou estiment les études portant sur cette période. Pour les temps plus anciens, il lui attribue une unité de pression, le bar, pour exprimer la pression qu’exercerait le CO₂ s’il était seul dans l’atmosphère, la grandeur que calculent les modélisations mathématiques des temps plus anciens. Passer du bar aux ppm demanderait de diviser la pression du CO₂ par celle de toute l’atmosphère, puis de multiplier par un million ; or la pression de l’atmosphère de ces temps-là est mal connue, et a pu être bien plus forte qu’aujourd’hui.