Pour la première fois, les climatologues ont compilé un enregistrement haute fidélité des variations du climat de la Terre s'étendant sur 66 millions d'années dans le passé. Le dossier révèle quatre états climatiques distincts, que les chercheurs ont surnommé Hothouse, Chaudière, Maison sympa, et Glacière.

Ces grands états climatiques ont persisté pendant des millions et parfois des dizaines de millions d'années, et à l'intérieur de chacun, le climat présente des variations rythmiques correspondant aux changements de l'orbite de la Terre autour du soleil. Mais chaque état climatique a une réponse distincte aux variations orbitales, qui entraînent des changements relativement faibles des températures mondiales par rapport aux changements spectaculaires entre les différents états climatiques.

Les nouvelles découvertes, publié le 10 septembre dans Science , sont le résultat de décennies de travail et d'une large collaboration internationale. Le défi était de déterminer les variations climatiques passées sur une échelle de temps suffisamment fine pour voir la variabilité attribuable aux variations orbitales (dans l'excentricité de l'orbite terrestre autour du soleil et la précession et l'inclinaison de son axe de rotation).

"Nous savons depuis longtemps que les cycles glaciaires-interglaciaires sont rythmés par des changements dans l'orbite de la Terre, qui modifient la quantité d'énergie solaire atteignant la surface de la Terre, et les astronomes ont calculé ces variations orbitales dans le temps, " a expliqué le coauteur James Zachos, professeur distingué des sciences de la Terre et des planètes et professeur Ida Benson Lynn de la santé des océans à l'UC Santa Cruz.

"Comme nous avons reconstruit les climats passés, nous pourrions très bien voir des changements de cap à long terme. Nous savions également qu'il devrait y avoir une variabilité rythmique à plus petite échelle due aux variations orbitales, mais pendant longtemps, il a été considéré comme impossible de récupérer ce signal, " a déclaré Zachos. " Maintenant que nous avons réussi à capturer la variabilité naturelle du climat, nous pouvons voir que le réchauffement anthropique projeté sera bien plus important que cela."

Depuis 3 millions d'années, Le climat de la Terre a été dans un état de glacière caractérisé par une alternance de périodes glaciaires et interglaciaires. Les humains modernes ont évolué pendant cette période, mais les émissions de gaz à effet de serre et d'autres activités humaines conduisent maintenant la planète vers les états climatiques Warmhouse et Hothouse jamais vus depuis l'époque éocène, qui a pris fin il y a environ 34 millions d'années. Au début de l'Eocène, il n'y avait pas de calotte glaciaire polaire, et les températures mondiales moyennes étaient de 9 à 14 degrés Celsius plus élevées qu'aujourd'hui.

"Les projections du GIEC pour 2300 dans le scénario du statu quo amèneront potentiellement la température mondiale à un niveau que la planète n'a pas vu depuis 50 millions d'années, " dit Zacho.

L'obtention de carottes de sédiments de haute qualité des bassins océaniques profonds par le biais du programme international de forage océanique (ODP, plus tard le programme intégré de forage océanique, IODP, remplacé en 2013 par l'International Ocean Discovery Program). Les signatures des climats passés sont enregistrées dans les coquilles de plancton microscopique (appelées foraminifères) conservées dans les sédiments du fond marin. Après analyse des carottes de sédiments, les chercheurs ont alors dû développer une « astrochronologie » en faisant correspondre les variations climatiques enregistrées dans les couches sédimentaires avec les variations de l'orbite terrestre (appelées cycles de Milankovitch).

"La communauté a trouvé comment étendre cette stratégie à des intervalles de temps plus anciens au milieu des années 1990, " dit Zachos, qui a dirigé une étude publiée en 2001 dans Science qui a montré la réponse climatique aux variations orbitales pour une période de 5 millions d'années couvrant la transition de l'époque Oligocène au Miocène, il y a environ 25 millions d'années.

« Cela a tout changé, parce que si nous pouvions le faire, nous savions que nous pouvions remonter jusqu'à il y a peut-être 66 millions d'années et placer ces événements transitoires et ces transitions majeures du climat terrestre dans le contexte des variations à l'échelle orbitale, " il a dit.

Zachos a collaboré pendant des années avec l'auteur principal Thomas Westerhold au Centre des sciences de l'environnement marin de l'Université de Brême (MARUM) en Allemagne, qui abrite un vaste dépôt de carottes de sédiments. Le laboratoire de Brême et le groupe de Zachos à l'UCSC ont généré une grande partie des nouvelles données pour la partie la plus ancienne du dossier.

Westerhold a supervisé une étape critique, rassemblant des segments qui se chevauchent des données climatiques obtenues à partir de carottes de sédiments de différentes parties du monde. "C'est un processus fastidieux d'assembler cette longue mégasplice de records climatiques, et nous voulions également reproduire les enregistrements avec des carottes de sédiments séparées pour vérifier les signaux, il s'agissait donc d'un gros effort de la communauté internationale travaillant ensemble, " dit Zacho.

Maintenant qu'ils ont compilé un continu, enregistrement climatique astronomiquement daté des 66 derniers millions d'années, les chercheurs peuvent voir que la réponse du climat aux variations orbitales dépend de facteurs tels que les niveaux de gaz à effet de serre et l'étendue des calottes glaciaires polaires.

"Dans un monde à effet de serre extrême sans glace, il n'y aura pas de retours concernant les calottes glaciaires, et qui change la dynamique du climat, " expliqua Zacho.

La plupart des grandes transitions climatiques au cours des 66 derniers millions d'années ont été associées à des changements dans les niveaux de gaz à effet de serre. Zachos a effectué des recherches approfondies sur le maximum thermique paléocène-éocène (PETM), par exemple, montrant que cet épisode de réchauffement climatique rapide, qui a conduit le climat dans un état de serre, a été associée à une libération massive de carbone dans l'atmosphère. De la même manière, à la fin de l'Éocène, alors que les niveaux de dioxyde de carbone dans l'atmosphère diminuaient, Les calottes glaciaires ont commencé à se former en Antarctique et le climat est passé à un état Coolhouse.

"Le climat peut devenir instable à l'approche d'une de ces transitions, et nous voyons des réponses moins prévisibles au forçage orbital, c'est donc quelque chose que nous aimerions mieux comprendre, " dit Zacho.

Le nouveau bilan climatique fournit un cadre précieux pour de nombreux domaines de recherche, il ajouta. Il n'est pas seulement utile pour tester les modèles climatiques, mais aussi pour les géophysiciens qui étudient différents aspects de la dynamique de la Terre et les paléontologues qui étudient comment les environnements changeants entraînent l'évolution des espèces.

"C'est une avancée significative dans les sciences de la Terre, et un héritage majeur du programme international de forage océanique, " dit Zacho.