Les cycles de Milankovitch sont des variations cycliques des paramètres de l'orbite de la Terre (les paramètres de Milankovitch) qui engendrent des variations du climat terrestre en influençant la quantité de rayonnement solaire reçue par la Terre.

Présentation Les principaux cycles sont : le cycle de l'excentricité : il s'agit de la variation de la forme de l'orbite terrestre, qui oscille entre une forme plus circulaire et une forme plus elliptique. Le cycle principal a une période d'environ et des cycles secondaires de l'ordre de ; le cycle de l'obliquité : il s'agit de la variation de l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre par rapport à son orbite. Ce cycle a une période d'environ ; le cycle de la précession des équinoxes : il s'agit de la variation de l'orientation de l'axe de rotation de la Terre. Ce cycle a une période d'environ .

Ces principaux cycles provoquent l'alternance naturelle entre périodes glaciaires (ère glacée) et interglaciaires (périodes chaudes). Les scientifiques les étudient comme des phénomènes périodiques et cycliques — c'est la cyclostratigraphie — pour comprendre comment le climat a varié dans le passé. Les cycles de Milankovitch sont notamment utilisés dans le cadre de la théorie astronomique des paléoclimats.

Histoire

Si l'intuition d'un lien entre astronomie et climat remonte au XIXe siècle avec Joseph-Alphonse Adhémar (1797-1862) et James Croll (1821–1890), c'est Milutin Milanković (1879-1958) qui en mathématise les cycles (excentricité, obliquité et précession) dans les années 1920. Cependant, sa théorie est restée longtemps contestée, faute de preuves chronologiques précises dans les archives géologiques.

Le tournant décisif survient en 1976 avec la publication de l'article "Variations in the Earth's Orbit: Pacemaker of the Ice Ages" par , John Imbrie et Nicholas Shackleton.. En analysant des carottes de sédiments marins profonds dans l'océan Indien, les chercheurs ont réussi deux prouesses :

une datation précise : Grâce à l'analyse des isotopes de l'oxygène (révélant le volume global des glaces) et des microfossiles (indiquant la température de surface), ils ont reconstitué l'histoire du climat sur 450 000 ans ; la preuve par la fréquence : En utilisant l'analyse spectrale, ils ont démontré que les variations climatiques observées dans les sédiments suivaient exactement les mêmes rythmes (périodes de 100 000, 41 000 et 23 000 ans) que les cycles de l'orbite terrestre.

Avant 1976, on suspectait que la théorie de Milanković était correcte, mais les imprécisions des datations ne permettaient pas de confirmer cette corrélation. Cette découverte a démontré que les variations orbitales jouent le rôle de « stimulateur cardiaque » des périodes glaciaires, validant ainsi définitivement la théorie de Milanković et inaugurant l’ère moderne de la paléoclimatologie, en y apportant la rigueur statistique jusque-là absente.

Paramètres astronomiques de la Terre La théorie des paramètres de Milanković s'applique à toutes les planètes. Le climat de Mars a notamment été étudié ( la théorie astronomique des paléoclimats). Pour la suite, nous étudierons le cas de la Terre en utilisant un système de coordonnées écliptiques dans lequel le soleil sera fixe. Lorsque cela n'est pas précisé, l'hémisphère nord est pris en exemple pour les étés ou les hivers.

Excentricité

L'orbite de la Terre n’est pas un cercle parfait, mais plutôt une forme un peu allongée appelée ellipse, où le Soleil se trouve un peu décalé vers un côté. L’excentricité est simplement une façon de mesurer à quel point cette orbite est « étirée » ou différente d’un cercle parfait. La forme de l'orbite terrestre varie dans le temps entre :

une forme quasi circulaire (excentricité faible de 0,0034) ; et une forme plus elliptique (excentricité élevée de 0,058).

La principale composante de cette variation fluctue sur une période de . D'autres composants de cette variation fluctuent sur des périodes entre .

L'excentricité actuelle de l'orbite de la Terre est de 0,0167 et est décroissante.

Cette variation de l'excentricité est due aux attractions gravitationnelles exercées entre la Terre et les autres planètes du Système solaire ainsi que le Soleil, selon les lois de Newton.

En 2015, une nouvelle étude. montre un autre facteur orbital de longue durée agissant sur l'excentricité de l'orbite terrestre tous les d'années, probablement causé par l'interaction avec la planète Mars.

Obliquité

L'obliquité de la Terre, aussi appelée inclinaison terrestre, correspond à l'angle entre son axe de rotation et un axe perpendiculaire au plan de son orbite. L'obliquité terrestre varie entre 22,1° et 24,5° sur une période d'environ . Quand l'obliquité croît, chaque hémisphère reçoit plus de radiation du soleil en été et moins en hiver. Cette obliquité est due elle aussi aux interactions gravitationnelles exercées sur la Terre par les autres planètes du système solaire. Cette variation est faible par rapport à la variation de l'obliquité martienne qui varie entre 14,9° et 35,5°. Actuellement, la Terre possède une obliquité de 23,44°, ce qui correspond à une valeur moyenne entre les deux extrema. L'obliquité est dans une phase descendante et atteindra son minimum dans environ . En prenant comme seul paramètre d'influence l'obliquité, les étés deviendraient moins chauds et les hivers moins froids.

Précession La Terre ne tourne pas sur elle-même comme un ballon parfaitement sphérique mais plutôt comme une toupie car elle est soumise à la précession. Cette précession est due au fait que les forces d'attraction du Soleil et de la Lune ne sont pas constantes sur Terre, en raison du bourrelet équatorial de la Terre. Elle exerce une pression plus intense sur ce renflement, un peu comme si on tirait doucement sur une partie bombée d’un objet.

Cela a deux conséquences différentes :

d'un côté, cela influence l’indication du pôle Nord céleste, c’est‑à‑dire l’étoile qui nous indique la direction du nord. Reprenons pour cela notre toupie : la toupie tourne bien droit, mais en perdant de la vitesse, sa tige commence à dessiner un cercle, ou plutôt un cône. Cette tige sur Terre est en réalité l'axe nord-sud (passant par les deux pôles géographiques), cet axe dessine dans l'espace un cône par rapport à l'axe perpendiculaire au plan de l'écliptique. L'axe nord-sud effectue un tour complet en . Aujourd'hui, α Ursæ Minoris, appelée étoile polaire, se situe à 0,8° du pôle Nord céleste ; d'un autre côté, ce balancement de l’axe modifie aussi l’orientation de la Terre par rapport au Soleil au fil du temps. Il décale l’endroit exact où le Soleil traverse l’équateur terrestre lors des équinoxes — ce phénomène s’appelle la précession des équinoxes (ce qui détermine les « changements de saisons » astronomiquement parlant).

Nutation La précession de l'axe de rotation terrestre dessine un cercle sur la sphère céleste. Cependant, ce cercle n'est pas parfait. L'attraction de la Lune, et dans une moindre mesure du Soleil, entraîne ce qu'on appelle la nutation. En effet, la Lune attire la Terre (nous pouvons d'ailleurs le voir avec le phénomène des marées) et cette attraction se remarque par une légère oscillation de l'axe de rotation terrestre. Cette oscillation parcourt un cycle complet en .

Le phénomène résulte du fait que l'influence de la Lune n'est pas toujours identique au cours du temps : elle est minimale lorsque la distance angulaire entre la Lune et l'équateur est la plus petite, elle est maximale lorsque la distance est la plus grande. Comme ce phénomène a peu d'influence sur le sujet traité ici, nous allons l'ignorer pour les conséquences des paramètres de Milanković.

Effets des paramètres vignette|upright=1.5|Les variations de tous les paramètres.

Effets de l'excentricité L'excentricité est l'un des facteurs les plus importants dans les changements climatiques naturels puisque, lorsqu'elle est maximale, la Terre au périhélie peut recevoir du Soleil jusqu'à 26 % d'énergie de plus qu'à l'aphélieLa distance Terre-Soleil varie, entre l'aphélie et le périhélie, dans un rapport de , où désigne l'excentricité de l'orbite. L'énergie que reçoit la Terre du Soleil est inversement proportionnelle au carré de la distance les séparant. Par conséquent, quand la Terre se trouve au périhélie, l'énergie qu'elle reçoit se trouve multipliée par (par rapport à l'énergie reçue à l'aphélie), soit précisément 1,262 quand atteint sa valeur maximale, 0,058. Actuellement, avec une excentricité de 0,0167, ce facteur est seulement de 1,069.

Effets de l'obliquité L'obliquité possède une influence sur les saisons. En effet, si la Terre est dans une période de forte inclinaison par rapport au Soleil, alors les saisons seront très marquées (différences importantes entre été et hiver) et à l'inverse une faible inclinaison homogénéise les saisons (peu de différences entre l'été et l'hiver).

Cependant, il faut préciser que ces différences se sentent seulement lorsque l'on s'éloigne de l'équateur, où l'obliquité a peu d'influence (dans un climat équatorial on trouve très chaudes et très humides aux équinoxes et relativement fraîches et sèches aux solstices, dont l'intensité varie avec l'obliquité).

Effets de la précession La précession a deux conséquences : le pôle nord céleste se déplace avec le temps. En effet, sa position coïncide pratiquement avec celle de l'étoile α Ursæ Minoris mais dans , il se situera à proximité de Véga ; l'année tropique correspond au cycle des saisons, tandis que l'année anomalistique correspond au temps entre deux passages successifs de la Terre au plus proche du Soleil (le périhélie). Quand le périhélie coïncide avec un solstice, cela crée un effet sur les saisons : dans l’hémisphère où c’est l'été au périhélie, l’été sera plus chaud ; dans l’autre hémisphère où c’est l'hiver au périhélie, l’hiver sera plus doux. Six mois plus tard, au passage à l'aphélie (le point le plus éloigné du Soleil), l’hiver sera plus froid dans le premier hémisphère et l’été plus frais dans l’autre. Ainsi, les saisons seront accentuées dans un hémisphère et atténuées dans l'autre.

Combinaison des trois facteurs

Ces trois facteurs combinés ont donc différentes conséquences : la variation d'énergie solaire reçue sous les hautes latitudes au cours de l'année ; les différences de température entre les continents et les océans à cause de l'albédo ; les variations sur les changements de saison (plus élevées aux hautes latitudes) ; les différences de température entre les hémisphères dues à l'inclinaison ; par contre, ces paramètres n'ont aucune influence sur la quantité totale annuelle d'énergie solaire reçue par la TerreSite /osur.univ-rennes1.fr, page « La fossilisation des cycles astronomiques : un outil de datation des roches sédimentaires », consulté le ..

Confirmations À la suite de forages réalisés à la base du lac Vostok, les chercheurs ont pu étudier le rapport O/ O (qui est noté ) dans la glace extraite......

Ils se sont aperçus que la courbe représentant le rapport O/ O avait des similitudes avec la courbe issue des cycles de Milanković. Étant donné que la correspondance température / δ O est fermement établie, on peut alors penser que les paramètres de Milanković peuvent être la cause des changements climatiques naturels.

Depuis que ces variations orbitales sont établies, les scientifiques tentent de trouver un modèle capable de relier insolation à 65° et δO marqueur des variations passées du climat. Ce n'est pas évident à trouver car la fonte d'un inlandsis est mal cernée. Dans le passé récent (), la périodicité est de l'ordre de avec environ d'englacement et de dégel ; mais au-delà, le forçage orbital est plutôt à une période de (c'est la transition du Pléistocène moyen), correspondant à un forçage plus direct par l'obliquité. Les forages benthiques permettent de remonter jusqu'au Néogène, ce qui a permis de fonder la nouvelle échelle de temps géologique ().