Les cycles de Milankovitch EarthCache

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Les cycles de Milankovitch
Les glaciations du Pléistocène
La Terre est âgée de 4,5 milliards d’années, et tout porte à croire que son climat a beaucoup changé au cours de son existence. On sait par exemple qu’il y a 750 millions d’années, notre planète était totalement recouverte de glace des pôles à l’équateur ! C’est ce qu’on appelle la glaciation Varanger.
Il n’est pas forcément évident de trouver des traces du climat aussi loin dans le temps (la glaciation Varanger est un cas extrême), mais pour les périodes plus récentes, on a pu reconstituer une histoire climatique un peu plus précise : c’est le cas des glaciations du Pléistocène.
Le Pléistocène est une ère géologique ayant débuté il y a (seulement) 2,5 millions d’années, à peu près en même temps que l’apparition du genre Homo. Au cours de cette ère, la Terre a connu une demi-douzaine de glaciations, entrecoupées de périodes plus tempérées. Cette périodicité du climat a laissé de nombreuses traces géologiques, notamment dans les couches sédimentaires.


La théorie de Milankovitch
De nombreux facteurs peuvent a priori expliquer ce caractère variable et périodique du climat terrestre : une variation de l’activité solaire, ou une évolution de la quantité de poussières atmosphériques ou interstellaires, ou bien des modifications de la teneur en dioxyde de carbone, ou encore des évolutions de l’activité océanique, etc.
Entre 1920 et 1941, l’astronome serbe Milutin Milankovitch a formulé une théorie cherchant à expliquer les glaciations du Pléistocène par les variations périodiques subtiles que subit l’orbite terrestre. En effet à cause de l’influence des autres planètes, l’orbite de la Terre autour du Soleil n’est pas parfaitement régulière. Or de petites variations de cette orbite peuvent affecter la quantité et la répartition de l’énergie solaire reçue par la Terre, et donc son climat.
La première cause de variation vient du fait que la Terre ne décrit pas autour du Soleil une orbite parfaitement circulaire, mais très légèrement elliptique. Le degré d’ellipticité de la trajectoire se mesure par une quantité géométrique appelée excentricité. Pour une trajectoire circulaire, l’excentricité vaut 0, pour une trajectoire très elliptique, elle est proche de 1.
Celle de la Terre est très proche d’être circulaire, mais son excentricité varie périodiquement entre 0,005 et 0,058. Ca n’est pas grand-chose mais cela change légèrement la distance entre la Terre et le Soleil aux différentes saisons pour les deux hémisphères. Milankovitch avait calculé que cette variation se produisait avec des cycles d’oscillation d’environ 100 000 ans.

Second facteur : comme vous le savez certainement, l’axe de rotation de la Terre sur elle-même n’est pas perpendiculaire au plan de l’orbite autour du Soleil (ci-dessous à gauche). Cette inclinaison est la cause de l’existence des saisons. Or l’angle d’inclinaison n’est pas toujours le même et varie périodiquement entre 22.1° et 24.5°, et ceci avec un cycle de 41 000 ans.
Enfin dernière subtilité, cet axe de rotation est certes incliné, mais la direction de cette inclinaison change au cours du temps (ci-dessous à droite) : c’est ce qu’on appelle la précession. Ce phénomène se produit avec une périodicité d’environ 21 000 à 25 000 ans .
En somme Milankovitch a identifié trois phénomènes astronomiques périodiques pouvant influer sur le climat, et calculé les périodes correspondantes : 100 000, 41 000 et 25 000 ans.

La réponse est dans la carotte
Jusqu’en 1976, la théorie de Milankovitch n’était qu’une des nombreuses théories pouvant en principe expliquer la périodicité des glaciations du Pléistocène. Mais cette année là, un papier de J. D. Hays et ses collaborateurs dans Science prouva la pertinence des calculs de Milankovitch.
Les auteurs ont analysé des carottes d’une dizaine de mètres, constituées de sédiments couvrant environ les 450 000 dernières années du Pléistocène. Plusieurs marqueurs géologiques contenus dans ces carottes permettent d’obtenir une courbe représentative des évolutions du climat au cours de cette période.
La figure ci-contre tirée de l’article montre l’évolution de trois de ces marqueurs pour une des carottes analysées. On voit bien intuitivement qu’une périodicité existe.
Le résultat spectaculaire est qu’en analysant mathématiquement les périodicités de ces courbes, les auteurs ont pu montrer que les variations climatiques se sont faites selon 3 oscillations caractéristiques : environ 100 000, 42 000 et 23 000 ans.
Presque exactement les périodes des cycles calculées par Milankovitch !
Ce dernier avait raison : les glaciations du Pléistocène ont bien leur origine dans les infimes variations périodiques de l’orbite terrestre.

Des manifestations variées mais spectaculaires
Les conséquences géologiques des cycles de Milankovitch ne s’expriment pas de manière identique partout. Suivant la latitude, la situation, etc. Certaines périodicités peuvent être plus apparentes que d’autres. On sait également qu’une périodicité supplémentaire de 400 000 ans existe pour la variation de l’excentricité.
Une des plus belles manifestations géologiques des cycles de Milankovitch est visible sur la photo ci-dessous. Les alternances de strates peuvent être mises en relation avec la périodicité des cycles de Milankovitch.

Les strates des Euzes
Géologie
La couche ou strate géologique correspond à un ensemble sédimentaire plus ou moins homogène compris entre deux surfaces approximativement parallèles. Ces surfaces correspondent à des discontinuités, de rapides variations pétrographiques (faciès) permettant de définir un ensemble des terrains voisins.
Dans le cas d'une roche plus dure, on utilise également banc (ex. un banc calcaire correspondant à un calcaire récifal, généralement dur).

L'épaisseur, la forme et la nature des strates empilées les unes au-dessus des autres sont des indices de l'action des forces de la nature (compression, contraction, enfoncement, affleurement, etc.).
Certaines couches homogènes peuvent représenter des centaines de milliers de kilomètres carrés de la surface de la Terre.
Visuellement, on peut souvent distinguer des couches par des couleurs, textures et grains différents, notamment au niveau des flancs de falaises, des ruptures de chemins et autre tranchées, des carrières, etc.
L'épaisseur des couches varie fortement, de quelques millimètres à un kilomètre ou plus. Elle est un indice du temps géologique qui a été nécessaire à l'accumulation d'un matériau.
Chacune d'entre elles se distingue par un mode spécifique de dépôt (du dépôt sédimentaire, éventuellement déformé par les plissements, à la coulée de lave).
Les géologues étudient les couches de roches et les catégorisent selon leurs composantes.
Chaque couche ainsi distinguée est généralement rapprochée d'une formation géologique caractéristique, dite stratotype de référence, qui porte le nom d'une ville, d'une rivière, d'une montagne ou encore d'une région où la formation a été exposée pour la première fois et reste visible.


La carrière des Euzes
Son exploitation visait à concurrencer celle importée d’Allemagne pour répondre aux besoins de la lithographie. La carrière des Euzes, à Gorniès, était très réputée.
Après la 2ème guerre, de nouvelles matières moins fragiles supplantèrent l’activité et les carrières furent abandonnées.

La lithographie
Définition
La lithographie est un procédé d'impression à plat : "Litho" vient du grec et signifie pierre.
L'invention de la lithographie par Aloys Senefelder date de 1796 en Allemagne.
Il n’avait pas les moyens d’acheter du cuivre pour graver ses partitions musicales. Jusque là, les procédés de gravure étaient soit en creux, soit en relief.

La lithographie repose sur le principe de répulsion de l'eau et de la graisse.
On dessine sur une pierre calcaire (environ 15 cm d’épaisseur), à l'aide d'un crayon ou d'une encre grasse dite lithographique (composés d'un mélange de savon, de cire et de noir de fumée).

Les parties non dessinées sont recouvertes d'une solution de gomme arabique légèrement diluée d'acide nitrique.
On laisse agir jusqu'à ce que la pierre n'émette plus de bouillonnements, on essuie et on passe une solution de gomme neutre.
La graisse du crayon lithographique et le calcaire se sont combinés, formant une pellicule très adhérente délimitant les zones imprimées.
Les pores de la pierre s'ouvrent sous l'action de l'acide fixant la gomme neutre qui retiendra l'eau.
Après avoir laissé reposer la pierre, on lave à l'eau l'excès de gomme et à l'essence l'excès de graisse, on laisse sécher.
La pierre est alors mate dans les blancs gommés et brillante dans les gras.
L’encre grasse est alors déposée au moyen d’un rouleau en caoutchouc.
À l'origine on utilisait des rouleaux en cuir, plus difficiles à nettoyer.
Elle reste sur la pierre aux endroits imprégnés du gras du dessin tandis qu'elle est repoussée par l’humidité partout ailleurs (répulsion de deux produits antagonistes). Lorsque la pierre est assez encrée, on pose le papier et on passe sous presse.
Une lithographie en couleurs nécessite autant de pierres (ou de zinc) qu'il y a de couleurs dans la composition.

The cycles of Milankovitch
The Pleistocene glaciations
The Earth is 4.5 billion years old, and everything suggests that its climate has changed a lot during its lifetime. We know, for example, that 750 million years ago, our planet was completely covered with ice from the poles at the equator! This is called the Varanger glaciation.
It is not necessarily obvious to find traces of the climate so far in time (the Varanger glaciation is an extreme case), but for the more recent periods, it was possible to reconstitute a more precise climate history: it is the case of Pleistocene glaciations.
The Pleistocene is a geological era that began only 2.5 million years ago, at about the same time as the appearance of the genus Homo. During this era, the Earth experienced half a dozen glaciations, interspersed with more temperate periods. This periodicity of the climate has left many geological traces, especially in the sedimentary layers.


Milankovitch's Theory
Many factors may a priori explain this variable and periodic character of the terrestrial climate: a change in solar activity, or a change in the amount of atmospheric or interstellar dust, or changes in carbon dioxide content, or changes in oceanic activity, etc.
Between 1920 and 1941, the Serbian astronomer Milutin Milankovich formulated a theory seeking to explain the glaciations of the Pleistocene through the subtle periodic variations in the earth's orbit. Because of the influence of other planets, the orbit of the Earth around the Sun is not perfectly regular. Small variations of this orbit can affect the amount and distribution of the solar energy received by the Earth, and therefore its climate.
La première cause de variation vient du fait que la Terre ne décrit pas autour du Soleil une orbite parfaitement circulaire, mais très légèrement elliptique. The degree of ellipticity of the trajectory is measured by a geometric quantity called eccentricity. For a circular trajectory, the eccentricity is 0, for a very elliptic trajectory, it is close to 1.
That of the Earth is very close to being circular, but its eccentricity varies periodically between 0.005 and 0.058. This is not much but it slightly changes the distance between the Earth and the Sun at different seasons for both hemispheres. Milankovich had calculated that this variation occurred with cycles of oscillation of about 100,000 years.

Second factor: as you are aware, the axis of rotation of the Earth on itself is not perpendicular to the plane of the orbit around the Sun (below left). This inclination is the cause of the existence of the seasons. However, the angle of inclination is not always the same and varies periodically between 22.1 ° and 24.5 °, and this with a cycle of 41 000 years.
Last, but not least, this axis of rotation is inclined, but the direction of this inclination changes over time (below right): this is called precession. This phenomenon occurs with a periodicity of about 21,000 to 25,000 years.
In sum, Milankovich identified three periodic astronomical phenomena that could influence the climate and calculated the corresponding periods: 100 000, 41 000, and 25 000 years.

The answer is in the core
Until 1976, Milankovitch's theory was only one of many theories that could in principle explain the periodicity of the Pleistocene glaciations. But that year, a paper by J. D. Hays and his colleagues in Science proved the relevance of Milankovitch's calculations.
The authors analyzed 10-meter sediment cores covering approximately the last 450,000 years of the Pleistocene. Several geological markers contained in these cores allow to obtain a curve representative of the evolutions of the climate during this period.
The figure opposite from the article shows the evolution of three of these markers for one of the cores analyzed. We can see intuitively that a periodicity exists.
The spectacular result is that by mathematically analyzing the periodicities of these curves, the authors were able to show that the climatic variations were made according to 3 characteristic oscillations: about 100 000, 42 000 and 23 000 years ago.
Almost exactly the cycle periods calculated by Milankovitch!
The latter was right: the glaciations of the Pleistocene have their origin in the minute periodic variations of the Earth's orbit.

Various but spectacular events
The geological consequences of the Milankovich cycles are not expressed in the same way everywhere. Depending on latitude, situation, etc. Some periodicities may be more apparent than others. It is also known that an additional period of 400 000 years exists for the variation of the eccentricity.
One of the most beautiful geological manifestations of Milankovitch cycles is shown in the photo below. The alternations of strata can be related to the periodicity of Milankovitch cycles.

The strata of the Euzes
Geology
The layer or geological stratum corresponds to a more or less homogeneous sedimentary assembly comprised between two approximately parallel surfaces. These surfaces correspond to discontinuities, rapid petrographic variations (facies) making it possible to define a set of neighboring lands.
In the case of a harder rock, one also uses bank (ex. a limestone bank corresponding to a reef limestone, generally hard).

The thickness, shape and nature of the strata stacked one above the other are indications of the action of the forces of nature (compression, contraction, sinking, outcrop, etc.).
Some homogeneous layers can represent hundreds of thousands of square kilometers of the earth's surface.
Visually, layers can often be distinguished by different colors, textures and grains, notably in the sides of cliffs, roads and other trenches, quarries, etc.
The thickness of the layers varies greatly, from a few millimeters to one kilometer or more. It is an indication of the geological time which was necessary for the accumulation of a material.
Each of them is distinguished by a specific mode of deposit (from the sedimentary deposit, possibly deformed by the folds, to the lava flow).
Geologists study rock layers and categorize them according to their components.
Each layer thus distinguished is generally close to a characteristic geological formation, known as the reference stratotype, which bears the name of a city, a river, a mountain or a region where training has been exposed for the first time and remains visible.


The career of the Euzes
Its operation was aimed at competing with that imported from Germany to meet the needs of lithography. The career of the Euzes at Gornies was very well known.
After the Second World War, new materials less fragile supplanted the activity and the career were abandoned.

Lithography
Definition
Lithography is a flat printing process: "Litho" comes from Greek and means stone.
The invention of lithography by Aloys Senefelder dates from 1796 in Germany.
He could not afford to buy copper to engrave his musical scores. Until then, the engraving processes were either hollow or embossed.

Lithography is based on the repulsion of water and grease.
It is drawn on a limestone (about 15 cm thick), using a pencil or a greasy ink called lithographic (composed of a mixture of soap, wax and carbon black).

The undrawn parts are covered with a solution of slightly diluted gum arabic of nitric acid.
It is left to act until the stone no longer emits bubbles, and a solution of neutral gum is wiped off.
The grease of the lithographic pencil and the limestone combined, forming a very adherent film delimiting the printed areas.
The pores of the stone open under the action of the acid fixing the neutral gum which will retain the water.
After letting the stone rest, the excess gum is washed with water and the excess fat is allowed to dry, and the mixture is allowed to dry.
The stone is then dull in the gummed whites and shiny in the bold.
The fat ink is then deposited by means of a rubber roller.
Originally, leather rollers were used, which were more difficult to clean.
It remains on the stone in places impregnated with the fat of the drawing while it is repelled by the moisture everywhere else (repulsion of two antagonistic products). When the stone is sufficiently inked, the paper is placed and pressed.
Color lithography requires as many stones (or zinc) as there are colors in the composition.