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L’influence des causes physiques sur la variation des climats

Jean Mascart, La Nature N°2779 — 15 février 1928

Mis en ligne par Denis Blaizot le jeudi 12 mai 2016

En étudiant ici même les révolutions dont la Terre avait été l’objet au cours des siècles passés, nous avons vu les liens étroits entre la géographie et la météorologie, comme la nécessité de tenir compte de tous les vestiges de la faune et de la flore. Certes, dans les temps primitifs de son histoire, notre globe ne jouissait pas des conditions météorologiques actuelles, les périodes glaciaires traversées en font foi, et il est indispensable de renoncer à l’idée d’un climat invariable ; mais nous avons vu, également, que l’interprétation des vestiges du passé est chose particulièrement délicate, conduisant parfois à des résultats étranges ou contradictoires, et qu’il y faut apporter la critique la plus sévère [1].

Mais, si les sciences d’observation ont pensé mettre en évidence des alternances climatiques avec des retours quasi périodiques, aucune des diverses théories proposées, hypothèse diluvienne, hypothèse glaciaire, etc., n’explique exclusivement tous les faits expérimentaux. Quelle cause invoquer de ces retours ? et quelle durée leur assigner ? Se voyant impuissants à trouver le mot de l’énigme dans les lois de la météorologie actuelle, les géologues en ont appelé aux physiciens et aux astronomes pour leur demander une cause possible de refroidissement occasionnel du globe : perturbations que les corps célestes de notre système exercent sur le mouvement de la Terre, variation d’excentricité de l’orbite, précession des équinoxes, déplacement du périhélie, nuages cosmiques, radiation variable du Soleil, etc., dans les domaines les plus divers.

Certes, la cause astronomique est prépondérante : jusqu’ici elle s’est montrée insuffisante et tous les auteurs sont obligés d’y adjoindre de pures hypothèses, Et puisque, aucun phénomène mécanique à périodicité reconnue ne permet d’expliquer les alternances géologiques, il faut en revenir il l’histoire du Soleil lui-même, qui conditionne la météorologie terrestre : ainsi apparaît, de plus en plus, la nécessité de connaître avec plus de précision les variations de l’activité solaire, la nature même de ses radiations et la façon dont elles sont reçues par la Terre.

Ici donc, comme dans bien des chapitres de l’Astronomie moderne, le dernier mot doit être cherché dans le laboratoire du physicien. Car les progrès scientifiques permettent d’utiliser des éléments nouveaux, et la tendance moderne consiste à revenir plus en détail sur les explications de nature physique. L’étude de l’atmosphère elle-même passe au premier plan et les découvertes de la géologie l’imposent : il est certain, par exemple, que la grandeur des animaux capables de voler est limitée par ;la pression atmosphérique. Or l’existence d’animaux de cette nature, beaucoup plus grands que ceux d’aujourd’hui, pendant le crétacé et le carbonifère, est bien une preuve que leur vol était favorisé par une densité beaucoup plus élevée qu’elle ne l’est aujourd’hui (Harlé). Et ceci conduit à étudier le rôle de notre atmosphère à un double point de vue : propriétés actuelles, et variation de composition dans le temps.

Il y a un siècle déjà, Fourier et Pouillet indiquaient que la température du sol s’élève plus que si l’air n’existait pas ; jouant le rôle des vitres d’une couche de jardin, l’air formerait pour la chaleur une sorte de souricière, laissant passer la chaleur lumineuse du Soleil, mais absorbant à peu près complètement la chaleur obscure émise par le sol. Dans son ensemble, il est digne de remarquer que ce mécanisme ’est encore admis aujourd’hui et que c’est un des plus solides parmi les raisonnements sur lesquels on peut s’appuyer ; ce processus fut d’ailleurs exposé en détail ’et complété par des recherches ultérieures telles que celles de Carpenter, Aitken, etc ....

Aussi bien, depuis lors, tous les physiciens, Marié-Davy, Desains, etc. , insistent alors sur le rôle régulateur général de l’atmosphère, tendant à augmenter la température terrestre ; Bureau recherche l’action combinée de la vapeur d’eau et de l’acide carbonique ; Sterry-Hunt se préoccupe déjà d’étudier la variation en teneur d’acide carbonique depuis les époques géologiques, mais commet une erreur manifeste en recherchant pour ce gaz une origine extraterrestre. On approche l’appréciation quantitative de cet écran régulateur et l’on est frappé de son importance : ainsi, en plein soleil, la température de la terre est d’environ 15°, tandis que Langley la fixe à -200° si l’atmosphère n’existait pas ; cette atmosphère a donc un rôle régulateur essentiel dans la température superficielle, tout comme la vapeur d’eau selon Tyndall, de sorte que l’on ne peut comparer la Terre avec la Lune, où les mesures de Langley et de Véry indiquent des températures de 50 ou 100° vers la pleine lune.

Les gaz de l’atmosphère ont assurément un pouvoir absorbant sensible. Mais Langley montre qu’en tenant compte des principaux, azote, oxygène, argon, vapeur d’eau et acide carbonique, il parvient encore à la surface du sol environ les soixante-centièmes du rayonnement solaire. Mais les deux derniers gaz exercent une toute autre influence sur le rayonnement terrestre, composé de radiations de grande longueur d’onde, et, par analogie avec ses mesures du rayonnement lunaire qui parvient à la Terre, Langley conclut que l’atmosphère ne laisserait passer au maximum que trente-huit centièmes du rayonnement terrestre ; les inégales absorptions du rayonnement reçu et du rayonnement transmis comporteraient une élévation superficielle de température de 20°, et l’influence de l’absorption sélective de l’atmosphère, signalée par Fourier et Pouillet, paraît hors de doute.

W. Spring, à la suite de nombreuses analyses, avait déjà signalé le rôle très important que paraissait devoir jouer l’acide carbonique dans la climatologie générale, spécifiant que comme la vapeur d’eau, il « retient aussi les rayons calorifiques et contribue puissamment à l’emmagasinage de la chaleur en un lieu donné ».

Les variations de composition de l’atmosphère au cours des âges géologiques ; Le rôle de l’acide carbonique

Il reste à savoir dans quelle mesure, au cours des temps, a pu varier la composition de l’atmosphère, soit en oxygène, soit en acide carbonique. On connaît bien, à I’heure actuelle, les causes qui enrichissent l’air en acide carbonique et celles qui tendent à l’appauvrir en oxygène, Mais, d’autre part, avant la formation de la masse immense des calcaires que renferme l’écorce terrestre, l’anhydride carbonique qui s’y trouve fixé n’était-il pas répandu dans l’atmosphère ? Puis les géologues considèrent comme certain que le carbone des charbons fossiles provient d’acide carbonique, libre dans l’atmosphère ou dissous dans les eaux de l’Océan. On reste alors étonné des masses énormes d’acide carbonique qui, aux époques anciennes, se trouvaient libérées dans l’atmosphère terrestre : et si tout cet acide carbonique a été présent à la t’ois dans l’atmosphère, celle-ci était beaucoup plus riche en acide carbonique qu’elle ne l’est aujourd’hui. Enfin, il est évident que la décomposition de l’acide carbonique par les végétaux a dû mettre en liberté une quantité d’oxygène correspondant à la quantité de carbone libre de tous nos dépôts de combustibles ; et, par là, l’atmosphère devait s’enrichir très sensiblement en oxygène. C’est presque un problème de chimie que d’étudier toutes ces causes agissant en sens inverse, pour savoir comment elles se compensent ou s’équilibrent, et à quel degré.

Arrhenius s’est demandé, notamment, si l’absorption sélective des éléments importants, acide carbonique, oxygène et vapeur d’eau, n’a pas varié avec le temps, et si cette circonstance ne suffirait pas à expliquer les variations séculaires de la température dont il nous reste des. traces géologiques, par exemple la température plus élevée de l’époque tertiaire : si l’on explique que l’atmosphère était alors plus riche en acide carbonique, il ne serait pas nécessaire d’admettre des périodes de chaleur plus élevées que les chaleurs actuelles, et nous venons de voir que les masses houillères et calcaires imposent précisément cette conclusion. Or, une teneur de 2 à 3 fois plus élevée en acide carbonique entraînerait une élévation de température moyenne de 8 à 9°C, suffisante pour légitimer la faune et la flore tertiaires. Alors, les éruptions volcaniques, insuffisantes par elles-mêmes, peuvent concourir à cette augmentation d’acide carbonique, et l’on peut y adjoindre le rôle de la vapeur d’eau, que précise Eckholm, mais sans admettre trop facilement, comme cet auteur, des variations du climat sur des périodes récentes très courtes.

Rien ne permet de supposer qu’il y ait eu variation dans la teneur de l’atmosphère en azote, ce gaz n’étant pas notablement absorbé par le sol. Pour l’oxygène, la situation est identique : si même les combustions actuelles en empruntent pour faire de l’acide carbonique, les végétaux se chargeront de la transformation inverse ; ainsi, les végétaux constituaient le grand régulateur de l’appauvrissement de l’oxygène et, en y regardant de près, on ne voit aucune raison pour que, depuis la période éocène, la composition de l’air’ en azote et oxygène se soit modifiée, de sorte que la transparence de l’air peur les rayons solaires n’aurait pas subi de variation notable.

Les choses se passeraient tout autrement, en ce qui concerne le rayonnement calorifique, si l’on introduisait une certaine quantité d’acide carbonique dans l’atmosphère, issu par exemple des volcans : une partie se dissoudrait dans la mer ; d’après les expériences de Schlœsing, et en vertu de phénomènes analogues à ceux de la dissociation, il existe un rapport nécessaire entre la quantité de bicarbonate de chaux dissous dans l’eau de mer et la proportion d’acide carbonique mélangé à l’atmosphère. Dans un article fort intéressant, R. Legendre [2] étudie les conséquences de la dissociation du bicarbonate et du rôle régulateur qu’apporte ainsi la mer pour l’acide carbonique de l’air : il précise très utilement les conditions de ce problème difficile. pour les diverses formes du carbone dans la nature, et s’efforce d’indiquer les multiples échanges entre les trois phases de la croûte terrestre, atmosphère, hydrosphère, et lithosphère.

Ainsi, l’on a estimé que, par suite d’une éruption volcanique, il ne resterait dans l’air qu’un sixième environ de l’acide carbonique libéré, qui viendrait diminuer la déperdition de chaleur du sol sans influencer l’apport de chaleur solaire.

L’équilibre antérieur serait rompu : sol et atmosphère s’échaufferaient, et le rayonnement augmenterait très rapidement selon la 4e puissance de la température absolue (Stéfan), un nouvel état d’équilibre s’établirait bientôt à une température un peu plus élevée que la première et comportant, elle aussi, une augmentation de la vapeur d’eau.

Les variations de température résultant d’un tel mécanisme seraient générales et de même sens sur tout le globe : l’effet serait maximum vers 25° de latitude, minimum aux pôles et à l’équateur - cet effet étant de 20 % moins élevé Sur mer que sur terre ; si l’acide carbonique augmente, toutes les différences de température diminuent, soit de l’hiver, à l’été, soit du jour à la nuit. Sur les données expérimentales de Langley, Arrhenius calcule qu’une diminution de 57 % dans la teneur en acide carbonique ramènerait la période glaciaire (baisse d’environ 4,5°C), tandis qu’une augmentation de 2,5 à 3 fois nous ramènerait au climat de l’époque éocène, avec un accroissement de température de 8 à 9°C des régions arctiques ....

Il resterait à expliquer comment, en des temps aussi courts géologiquement parlant, la proportion d’acide carbonique a pu subir des variations aussi importantes et, pour cela, il faut examiner le rôle des phénomènes actuels pour en apprécier l’ordre de grandeur. L’océan et les végétaux jouent le rôle de régulateurs de la masse d’acide carbonique ; cet acide est détruit par les phénomènes d’érosion ; il est accru par les phénomènes volcaniques et par la mise en liberté du gaz occlus dans des minéraux désagrégés par ailleurs : érosion et végétation sont d’autant plus actives que l’atmosphère est plus riche en acide carbonique. Enfin, les données météorologiques viennent encore compliquer légèrement le problème et montrer qu’il faut être très prudent pour conclure à partir des analyses de l’air, car celles qui ont été faites à Montsouris (Marié-Davy et Albert Lévy) révèlent que la proportion d’acide carbonique n’est pas constante mais en correspondance directe avec le mode de circulation de l’atmosphère [3].

Ainsi, il y a plus de cinquante ans, les géologues ont ’été conduits à supposer que le climat chaud et uniforme de certaines périodes géologiques était dû à la présence, dans l’atmosphère, d’une grande quantité d’acide carbonique, hypothèse qui ne reposait guère alors que sur des considérations d’ordre physique, ou d’ordre mécanique, quand on voulait faire descendre les oiseaux des reptiles, entraînés dans les grands courants d’une atmosphère très dense et contraints à lutter par ;adaptation contre des vents violents : on supposait alors au gaz carbonique de très fortes pressions, inadmissibles il faut le reconnaître aujourd’hui. Peut-on même admettre de très grandes variations dans les proportions de l’acide carbonique atmosphérique ? alors que l’océan, qui, en dissolution et à l’état de bicarbonates, en renferme dix-huit fois plus que l’atmosphère, interviendra constamment comme régulateur ; alors que les puits forés, les sources chaudes, les volcans, en émettent régulièrement en quantités considérables.

Si l’on s’en tenait à la théorie d’Arrhenius, l’acide carbonique tendrait à adoucir le climat, et surtout à le régulariser en atténuant les contrastes entre les diverses saisons. Or telle n’est pas l’impression d’Eckholm lorsqu’il étudie les températures de la Suède, leur distribution régulière et leurs variations : il tend plutôt à rechercher les origines climatiques dans le régime du Gulf-Stream, puis dans l’état de l’insolation, et, en définitive, dans le cycle des taches solaires, nous écartant du point de vue présent vers des sujets que nous aurons à envisager bientôt.

La combustion intensive du charbon, des changements au régime volcanique peuvent modifier en peu de temps la température du globe

Admettons cependant que tous ces phénomènes se compensent dans la période historique, puisque, depuis lors, il n’y eut certainement pas de variation de température notable.

Certainement, il n’en saurait être de même aujourd’hui : en effet, au siècle dernier, la combustion artificielle du charbon a détruit l’équilibre, d’autant plus que la consommation du charbon s’est accrue dans des proportions fantastiques. Van Hise en a conclu, dès 1904, à l’élévation de la température du globe : aujourd’hui on brûle par an plus d’un milliard de tonnes de charbon, d’où environ 6 milliards de tonnes d’acide carbonique ; en dix siècles pareils, l’homme produirait une quantité d’acide carbonique égale à celle que renferme l’atmosphère ; à cause de l’absorption de l’Océan, il faudrait 3000 ans pour augmenter la teneur de l’atmosphère de 50 %, et par suite la température de 4 à 5°C.

Allons-nous revenir au climat éocène ? question qui en soulève d’autres : la consommation foudroyante du charbon depuis 1900 va-t-elle s’accroître encore ? en aura-t-on toujours ? les autres forces motrices ne pourront-elles suppléer à cette combustion barbare comme moyen d’utilisation des ressources de la houille ? ... et qui consiste surtout à chauffer la brise qui passe...

Quoi qu’il en soit, la consommation actuelle du charbon entraînerait donc une élévation de température de 0,001°C par an, affaiblie par les phénomènes d’érosion et de végétation ; et cette consommation croissante, s’attaquant à tous les dépôts, houille et tourbe, nous entraînerait vers une période plus chaude, plus favorable aux êtres vivants.

Si l’homme a une action en si peu de temps en vertu d’un tel mécanisme, que dire d’une légère modification au régime des volcans au cours de périodes qui se comptent par millions de siècles ! On trouvera donc là une origine très suffisante pour les variations de l’acide carbonique et, par conséquent, pour les changements de température que nous révèle la géologie.

Dans cet ordre d’idées, et à la suite de lord Kelvin, Stevenson s’est demandé quelle est la quantité totale des combustibles carbonés contenus dans l’écorce du globe et quel rapport il peut y avoir entre la masse d’oxygène correspondante et celle qui existe effectivement, à l’heure actuelle, clans notre atmosphère. Déjà, on peut remarquer que l’incomplète oxydation des roches primitives est difficilement compatible avec l’existence d’une atmosphère aussi riche en oxygène que la nôtre ; les météorites, avec des densités analogues à la nôtre, et des orbites voisines, vinrent confirmer ce point de vue, puisqu’elles ne renferment pas d’oxygène dans les gaz occlus et sont aussi formées de matières très incomplètement oxydées. Les calculs de Stevenson sont très concordants et il n’est pas absurde d’imaginer qu’à l’époque où se sont formés les plus anciens sédiments. l’atmosphère terrestre ne renfermait pas, ou renfermait très peu d’oxygène et que la provision actuelle de ce gaz, emmagasinée dans l’atmosphère, provient uniquement de l’action du Soleil sur les parties vertes des anciens végétaux, dont la décomposition a produit la houille et les autres dépôts combustibles : ce processus serait un peu restrictif, mais ne condamne nullement le grand rôle régulateur de l’acide carbonique.

Ici, d’ailleurs, on touche à un problème botanique fort complexe. Il est certain, d’une part, que la teneur d’acide carbonique près du sol est extrêmement variable suivant la distance au sol, la température, le vent, la luminosité, les saisons et, d’autre part, que l’atmosphère libre contient beau coup moins d’acide carbonique que l’optimum utile aux végétaux, remarque qui. fut utilisée pour augmenter les rendements. Ainsi, acide de l’air entourant les parties vertes des végétaux qui l’assimilent à la lumière, acide dégagé par le sol et provenant de l’activité des micro-organismes [4]. voilà encore deux éléments délicats de·s problèmes généraux de l’équilibre atmosphérique.

On paraît bien approcher ainsi de la solution, surtout par la combinaison de tels effets avec les causes astronomiques réelles, mais il ne faut pas non plus se fier aveuglément à des théories aussi simples que séduisantes. car les idées des météorologistes ont bien évolué, .dans ces dernières années, au sujet des échanges thermiques entre le sol et l’atmosphère. Sans doute, on continue de penser, par exemple, que la vapeur d’eau joue le rôle d’un mante au sur la Terre et tempère grandement son refroidissement par radiation ; mais Teisserenc de Bort disait déjà : « On voit combien nous sommes loin de cette idée très répandue que les variations de température de l’air sont dues presque exclusivement à l’effet du sol : à côté de l’influence évidente de l’échauffement et du rayonnement de la surface terrestre, il existe toute une autre série de causes de variation dans la température de l’air qui se rattache aux phénomènes thermo- dynamiques » , Dechevrens a également montré que la radiation terrestre est fort loin d’être la cause unique, peut-être même pas la principale, du refroidissement de l’air par ciel découvert : il est indispensable de recourir à la dispersion des vents et à des actions dynamiques qui se font sentir jusqu’à une altitude de 5000 m , la radiation ne ferait alors qu’ajouter son action refroidissante à l’effet pré pondérant et normal de la divergence des courants.

Il faudrait donc, on le voit, pouvoir tenir compte des grandes lois de la Météorologie ; mais, hélas ! celles de la circulation atmosphérique actuelle sont déjà si peu connues...

Jean Mascart


[1Cf, La Nature. 26 juillet et 13 décembre 1924, 7 février 1925, 27 février et 31 juillet 1926.

[2L’équilibre acide carbonique-carbonates, La Nature, 29 août 1925, p. 138.

[3On pourra se reporter à d’intéressants articles de Stanislas Meunier sur les origines de l’acide carbonique et les variations de teneur de l’atmosphère.

[4La Nature, 7 mars 1925.