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Le scientifique serbe Milutin Milankovitch a mis en évidence dans la première moitié du XXème siècle (publications majeures en 1930* et 1941*) les corrélations entre les cycles climatiques longs de la Terre et les cycles astronomiques eux-mêmes longs qui affectent la planète du fait des caractéristiques de sa masse en rotation, de sa relation de gravité avec le Soleil, notre étoile et, dans une moindre mesure, de sa relation de gravité avec les planètes voisines. On a pu extrapoler que ces cycles existent aussi pour les autres planètes, soumises évidemment à la force de gravité de leur étoile et éventuellement d’autres astres, où ils induisent des évolutions planétologiques et climatiques comparables à celles qui nous concernent sur Terre. C’est le cas pour Mars. C’est pour cela que si Milankovitch a été considéré d’abord comme un des plus éminents spécialistes des « sciences de la Terre », il est également un des pères de la planétologie.
Il a identifié trois paramètres dont l’évolution détermine “ses” cycles :
Le premier est celui de l’inclinaison de l’axe de rotation de la planète par rapport au plan de l’écliptique, son « obliquité ». Il détermine l’intensité des variations saisonnières. Il ne s’agit pas ici du changement d’axe (« dérive vraie des pôles » ou « true polar wander ») qui consiste à un réalignement du plus grand axe d’inertie de la planète avec son axe de rotation du fait du changement de répartition des masses au sein du volume planétaire (par exemple sur Mars, à la suite de la formation du socle de Tharsis). Le changement d’obliquité est une simple inclinaison n’entrainant pas de changement dans la localisation géographique des pôles.
Le deuxième est celui de l’excentricité de l’orbite c’est-à-dire l’élongation de son ellipse, donc la variation de la distance du périhélie au Soleil par rapport à celle de l’aphélie au Soleil. Il a un effet sur la durée relative des saisons et sur les températures. A noter que la distance parcourue sur l’ellipse par la planète, reste inchangée et que c’est seulement le grand axe de l’ellipse qui est modifié. La variation de ce paramètre ne peut être dû qu’aux variations de l’influence gravitaire des planètes voisines.
Le troisième est celui de la précession climatique, c’est-à-dire de l’avance continue du point vernal (ou autre repère) sur l’orbite, du fait que la planète n’est pas homogène en quantité de matière selon la hauteur de son axe de rotation où s’exerce orthogonalement la force de gravité (le noyau est évidemment beaucoup plus dense que le manteau et la masse a tendance à tendre vers l’équateur du fait de la rotation). La force de gravité solaire, augmentée de celle de la Lune, ne s’appliquant pas à la même quantité de matière (plus à l’équateur, sur le « bourrelet équatorial », et beaucoup moins au pôles), un effet de couple est généré qui tend à entrainer l’excès de masse présent à l’équateur vers le plan de l’écliptique. Cet effet ne conduit toutefois pas à une inclinaison « définitive » puisque la masse est en rotation (de l’Ouest vers l’Est), mais à la définition par l’axe des pôles, avec le temps, d’un cône dans l’espace, par rapport à l’axe perpendiculaire au plan de l’écliptique. Le déplacement de l’axe des pôles vers l’Ouest (contraire à celui de la rotation « normale » des planètes), a pour effet d’avancer chaque année un peu (quelques 50 secondes pour la Terre) la succession des saisons.
L‘excentricité de l’orbite terrestre varie de 0,005 (donc quasi circulaire) à 0,058, sur 413.000 ans (actuellement 0,017) ; une autre influence qui s’exerce selon une périodicité de 9 millions d’années, décelée récemment, pourrait être due à l’influence gravitationnelle de Mars. Les planètes ont donc bien une influence les unes sur les autres, pourvu qu’elles ne soient pas trop éloignées (mais, attention, cette constatation des scientifiques, qui ressort de la seule gravité, est loin des divagations des astrologues).
L’obliquité de la Terre varie de 22,1° à 24,5° sur 41.000 ans (actuellement 23,44°).
La précession des équinoxes dessine son cône sur une période de 25.760 ans et le point vernal va se retrouver au même endroit en termes de longitude solaire à l’issue de cette période, après être passé par tous les signes du zodiaque. C’est ce que les anciens (Hipparque de 147 à 127 avant JC) appelaient « La Grande année » ou « année platonique » (parce que Platon – 428 à 348 – a, le premier, spéculé sur sa durée) et si on a envisagé sa possibilité depuis très longtemps, c’est parce que c’était sans doute le seul cycle à pouvoir être déduit de l’observation de la voûte étoilée à l’oeil nu.
Le déroulement des cycles a une influence sur le climat et leurs interactions sur des échelles de temps différentes complexifient cette évolution.
En fait pour la Terre, les conséquences sont marquées mais elles ne sont pas catastrophiques (ou moins que pour d’autres) puisque notre planète est située (actuellement) dans le milieu de la zone d’habitabilité de notre système solaire (plage de températures où l’eau peut être liquide). Lorsque l’obliquité augmente au maximum (vers 24,5°), les différences saisonnières sont plus fortes (nous nous en éloignons mais en sommes encore proches). Lorsque l’excentricité augmente, l’irradiance varie davantage sur l’année et les saisons deviennent de plus en plus inégales en durée et selon l’hémisphère. Là aussi, pas de problème pour la Terre actuellement. Mais à son minimum (0,005), dans 27.000 ans, nous connaîtrons probablement une nouvelle glaciation (moindre insolation des pôles) avant de repartir vers une période plus chaude. Par ailleurs, si, du fait de la précession climatique, le passage au périhélie se fait aux solstices, les saisons seront accentuées, les étés seront plus chauds dans l’hémisphère Nord et les hivers plus froids dans l’hémisphère Sud.
C’est la combinaison de tous ces facteurs qui déterminent le climat selon des variations presque infinies à l’intérieur de tendances lourdes puisque les durées de cycles sont différentes. Bien entendu ces variations ne prennent pas en compte l’évolution de la composition de l’atmosphère ou l’évolution de la nucléosynthèse du Soleil, autres facteurs qui résultent de l’activité de la biosphère ou de celle de la planète (volcanisme, dérive des continents) ou encore du Soleil lui-même (nucléosynthèse à partir d’une ressource épuisable, l’hydrogène) mais qui, elles, ne sont pas cycliques. Comme on le sait bien maintenant, l’Univers est en évolution et notre petit coin de paradis, de l’état duquel nous sommes en partie responsable, n’est pas dans une bulle protégée vis à vis du temps qui passe !
Mars est comme la Terre, soumise à ces cycles, sur le long-terme (même s’il faut distinguer le long-terme et le très-long-terme, au-delà de plusieurs dizaines de millions d’années). La différence est que pour elle, tout est « exagéré ». Cela tient bien sûr à sa situation plus éloignée du Soleil mais également à la proximité, plus grande, de Jupiter. Cette dernière ne l’a pas seulement privée de « matière première » dans sa période d’accrétion, elle continue aujourd’hui à la bousculer gentiment et continument. Cela tient encore à l’absence d’astre stabilisateur de son obliquité, comme pour nous la Lune. Phobos et Deimos ne sont que des rochers (ou plus précisèment des astéroïdes captifs) dont la masse est absolument insuffisante pour contrebalancer les déstabilisations d’obliquité (la masse du plus gros, Phobos, deux fois celle de Deimos, n’est que de 1/50 millionième de celle de la Lune). Comme Mars se trouve à la limite de la zone habitable de notre système et que sa masse ne lui permet pas de garder une atmosphère substantielle sur le long terme, les variations cycliques ont pour elle des conséquences beaucoup plus graves lorsqu’elles la font sortir à un moment ou l’autre de cette zone.
La variation de son obliquité va en effet de 14,9° à 35,5° sur 124.000 ans (actuellement 25,19°) mais sur une période très-longue (au-delà de quelques 40 millions d’années), les fluctuations ont été beaucoup plus amples (jusqu’à 60°) et certains les ont même qualifiées de chaotiques. Son excentricité moyenne se situe à 0,066 mais le domaine de fluctuations est très important, de presque circulaire, 0,002, à 0,103 sur 100.000 ans (actuellement 0,0933 soit 207 millions de km pour le périhélie, à 249 millions de km pour l’aphélie). Sa précession climatique s’allonge, elle, sur une périodicité de 170.000 ans.
Lorsque l’obliquité s’accroit vers 35°, le gaz carbonique gelé aux pôles dans des calottes (actuellement surtout au Sud, plus froid en raison de l’excentricité), fond, l’atmosphère s’épaissit et des dépôts de glace d’eau se forment aux latitudes moyennes. C’est à cela que nous devons les inlandsis présents encore aujourd’hui un peu partout à la surface de Mars. L’excentricité lorsqu’elle est réduite empêche les étés boréals chauds et renforce la sécheresse. Tout cela concourt à une histoire climatique complexe avec un éventail très ouvert de conditions successives. Au-delà de la sécheresse générale et des périodes de densification de l’atmosphère causées par les épisodes volcaniques, cela explique la réapparition d’étendues d’eau liquide en surface au cours d’une histoire encore récente (quelques millions d’années), et de glace d’eau persistant aujourd’hui sous une protection légère de régolithe. La calotte polaire Nord actuelle ne daterait que de quelques 5 millions d’années.
Les Terriens ont de la chance (mais c’est peut-être pour cela qu’il y a des Terriens) car notre grande stabilité d’obliquité est très ancienne et elle va durer (et Mars ne perturbe que très peu notre excentricité). Certes la Lune s’éloigne (actuellement 3,82 cm par an) car elle est avec nous en orbite super-synchrone. Mais elle ne va pas disparaître de notre regard (même si dans 600 millions d’années ses éclipses ne pourront plus cacher le Soleil). Notre système deviendra stable lorsque par effet de marée réciproque, nos jours et ceux de la Lune seront devenus de même durée, 40 de nos jours actuels (durée qui sera aussi celle du mois lunaire). Nous serons alors en orbite « synchrone », comme, par exemple, Charon et Pluton dont la relation est asymptotiquement devenue stable, une « planète-double ». Ceci dit, en fin de compte, dans quelques 5 milliards d’années, nous serons rattrapés par l’évolution catastrophique du Soleil en fin de vie, lorsqu’il aura épuisé l’hydrogène de son cœur et qu’il sera obligé d’aller le chercher toujours plus haut dans ses couches supérieures. A ce moment, rouge et boursouflé mais toujours très chaud, il viendra nous absorber dans sa chaleur et tout ce qui n’aura pas été brûlé lors des milliards d’années précédents, sera définitivement détruit (ou presque car on a observé récemment les traces chimiques de croûtes de planètes telluriques, à la surface de naines blanches, vestiges d’étoiles de type solaire).
Pour terminer sur une comparaison que je trouve parlante, pour moi l’histoire géologique de la Terre pourrait se raconter sur une musique de Mozart, d’une très grande richesse (“beaucoup de notes”) mais merveilleusement équilibrée, celle de Mars, sur une musique de Vivaldi, baroque et exubérante.
Illustration de titre : les cycles de Milankovitch sur Mars au cours des derniers 10 millions d’années. La ligne noire est celle des variations de l’obliquité, la ligne rouge celle des variations de l’excentricité: « Elles mettent en évidence les périodes possibles d’habitabilité pendant lesquelles l’été boréal (Ls 90 – 180) coïncidait avec le périhélie, l’obliquité était au-dessus de 35° et l’excentricité au-dessus de 0,08, ou au-dessus de 0,1. Les nombres au-dessus des flèches indiquent la durée de la période si les conditions se sont reproduites continument pendant plus de 1000 ans (échelle minimum de Laskar, graphe établi en 2004) ».
NB : J’ai écrit cet article en partant d’une suggestion de Christophe de Reyff, Dr ès sciences, retraité de l’OFEN (Office Fédéral de l’Energie) où il a été l’un des responsables de la recherche, pendant plus de 20 ans. Mes fidèles lecteurs le connaissent bien pour ses contributions nombreuses et pertinentes à ce blog, dont je le remercie.
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Références * :
(1) Milutin Milanković, Mathematische Klimalehre und Astronomische Theorie der Klimaschwankungen, Handbuch der Klimalogie Band 1, Teil A Borntrager Berlin, 1930
(2) Milutin Milanković, Kanon der Erdbestrahlungen und seine Anwendung auf das Eiszeitenproblem, Belgrade, 1941.
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