Dynamique externe de la Terre

Pour rendre un système dynamique, il faut lui donner de l’énergie. Sur Terre, il existe deux ensembles :

• Les enveloppes fluides externes : l'atmosphère et l'hydrosphère, toutes deux misent en mouvement par le Soleil ;
• Et les enveloppes internes de la Terre.

Dynamique externe de la Terre

Elle a pour origine la chaleur solaire. Le soleil envoie de l’énergie, produite par les réactions de fusion thermonucléaire et l’atmosphère terrestre reçoit une quantité d’énergie appelée la constante solaire. Cette quantité d’énergie est égale à 1 370Watt/m². C’est la quantité moyenne que reçoit la haute atmosphère en énergie solaire.

Ce qui arrive dans la haute atmosphère n'est pas réparti uniformément sur Terre car cette énergie arrive de façon oblique aux pôles et orthogonal à l’équateur. Elle sera donc plus importante en ce dernier endroit.

L’énergie reçue varie au court de l’année car l’axe de rotation de la Terre est incliné sur le plan de l’écliptique. Ce qui est reçu par la Terre à 6 mois d’intervalle est différent. Relativement peu d’énergie en janvier, plus en été. C’est à l’origine des saisons. Cette chaleur arrive de façon inégale autour de la Terre, il va falloir rééquilibrer tout ça, car les pressions seront différentes. Des vents vont donc circuler des hautes pressions vers les basses pressions.

Dans l’atmosphère : circulation et rééquilibrage : possible qu’au travers des précipitations et du cycle de l’eau.

Cyclones : naissent dans le Mexique et précipitent chez nous. Mais ce n’est possible que s’il y a de l’eau à  l’état liquide. Ce n’est possible sur Terre que parce qu’on a des températures qui règnes qui sont liées à l’effet de Serre. Sans effet de serre : pas de climat et pas de vie.

Moyenne des températures sur Terre aujourd’hui : 15°C. Si il n’y avait pas d’effet de Serre : -18°C en moyenne. On a un système de rééquilibrage tridimensionnel dans l’atmosphère qu’on va appeler cellules de convection, qui vont essayer de rétablir les pressions.
Les cellules de Hadley : les premières qu’on a en partant de l’équateur, puis au-dessus, les cellules de Ferrel, et le plus au nord et au sud : les cellules polaires. Ces cellules sont symétriques de part et d’autre de la zone de convergence tropicale car du fait de la rotation terrestre, ces cellules subissent la force de Coriolis qui les font tourner entre l’hémisphère nord et l’hémisphère sud.
La zone qui reçoit le plus de chaleur sur Terre : l’équateur thermique. Du fait de la force de Coriolis et de la convergence des grands vents, on appelle cette zone : zone de convergence intertropicale.
Le globe est un système dynamique, il lui faut donc une source d’énergie. Une énergie double : une qui lui vient du soleil, de la partie externe, et qui va permettre la mobilité de toutes les enveloppes externes fluides du globe, et une source d’énergie thermique interne.
Cette énergie solaire met en mouvement les masses atmosphériques. Il y a un couplage entre atmosphère et hydrosphère. Les eaux océaniques de surfaces vont être couplées avec l’atmosphère. Les masses atmosphériques entrainent des mouvements océaniques, des grandes gires qui vont régir les mouvements océaniques de surface, afin d’équilibrer des différences de température à la surface de l’océan.
L’océan (profondeur de 0 à 11 000m) profond est animé de courant, mais les courants profonds ont un mouvement généré par le différentiel entre les eaux froides aux pôles et les eaux chaudes que l’on trouve à l’équateur.
Les eaux froides plongent et forment de grand courants marins qui plongent jusqu’à 4-5000 m de profondeur. On a des formations de courant profonds dans certaines eaux chaudes aussi parce que l’eau s’évapore, plus de sels, donc plus dense. Cette circulation profonde est la circulation thermohaline.
Là où la circulation est plus intense, c’est l’océan Atlantique, car c’est le seul ouvert du Sud jusqu’au Nord. Cela transmet les eaux froides vers les eaux chaudes et vice versa. Plusieurs grandes masses d’eau de plusieurs centaines de mètres d’épaisseur : courants. Le temps de résidence (temps que met une particule pour plonger et remonter à la surface pour aller dans l’atmosphère) est moins long dans l’Atlantique et moins long dans le Pacifique.
La circulation thermohaline est essentielle pour maintenir nos climats actuels, mais ce courant n’a pas toujours existé, ou n’a pas toujours été le même.
Les glaciations Plioquaternaire correspondent aux cycles glaciaires interglaciaires. Pas de glaciation au Quaternaire. Pour qu’il y ait une glaciation, il faut qu’il y ait une masse continentale en position polaire. Aujourd’hui, c’est l’Antarctique (Sud). Glaciation : baisse de la température moyenne, de 3, 4, 5°… et c’est ce qui change tout.
Les six grandes glaciations : mises en évidence en étudiant les terrasses fluviatiles. Glaciation : eau en stockage au niveau des pôles, et le niveau marin s’abaisse. Les fleuves ont donc tendance à creuser leur lit, faisant des terrasses, ce qui a permis de mettre en évidence les six grandes glaciations.
Glaces s’étendant dans en Amérique du nord et en Europe du nord : 2500m de glace il y a 20 000 ans. Englacement complet du Canada. Ça a enfoncé les continents, et aujourd’hui encore, la lithosphère continue à remonter car la glace a fondu très rapidement.
Ces glaciations : géochimie isotopique en mesurant deux isotopes de l’oxygène : 18O et 16O. Où mesure-t-on ces isotopes ? Dans les coquilles des organismes qui contiennent du carbonate de calcium. Le calcaire : CaCO3, et le O est soit le lourd, soit le léger. Le plus souvent, ce sont de foraminifères, mais ça peut être d’autres organismes. Lorsqu’ils fabriquent leurs coquilles : ils intègrent de l’oxygène.
16O = oxygène léger. Il s’évapore plus facilement. 16O s’évapore et retombe sous forme de précipitation. En glaciation, 16O retombe sous forme de neige et se transforme en glace, il est donc stocké sous forme de glace. Pendant les périodes de déglaciations ou interglaciaires : retourne dans les océans, et donc constituent de nouveaux les coquilles de foraminifères. Périodes glaciaires : + de 18O dans les foraminifères.
On va donc faire des carottes, faires des analyses et on va avoir une teneur de l’oxygène lourd en fonction de l’oxygène élevé. On va avoir un rapport Δ18O élevé en période glaciaire.
En 1941 : Milankovitch a mis en évidence que les paramètres qui régissent l’orbite de la Terre changent de façon cyclique. Donc l’insolation va varier au court du temps de façon cyclique, d’où le fait qu’on passe cycliquement de phases glaciaires à des phases interglaciaires.
Premier paramètre : excentricité : forme de l’orbite de la Terre autour du Soleil : une de 400 000ans et une de 95 000ans.
Second paramètre : obliquité : varie avec une périodicité de 41 000 ans. Elle est faible sur la Terre grâce à la présence de la Lune, mais sur Mars, cette obliquité peut aller jusqu’à 60°.
Troisième paramètre : précession des équinoxes : axe bascule mais a en plus une forme conique. Il y a deux périodes : 19 000 et 23 000 ans.
Pour comprendre la quantité d’énergie reçue à la surface de la Terre, il faut donc additionner l’excentricité, l’obliquité et la précession des équinoxes, ce qui nous donne une énergie reçue variant de près de 20 à 25%. Quand on reçoit peu d’énergie : période glaciaire.
La mesure du Δ18O va permettre reconstruire les paléoclimats de la Terre. Le climat sur Terre aujourd’hui a une incidence sur la circulation océanique et sur la formation des roches sédimentaires.
Figure 12 : circulation océanique de sulrface, d’après le cours de T. Mudler, Licence 1 2011
Roches sédimentaires : plusieurs phases : rendre disponible du matériel, donc éroder des roches préexistantes.
Erosion de deux types :
?    Mécanique : casser des roches préexistantes ;
?    Chimique : dissoudre des roches préexistantes.
Dans les deux cas : eau facteur d’érosion principal.
L’érosion mécanique se fait dans des climats tempérés principalement. Ça va être l’eau sous forme liquide ou solide, notamment sous forme de glace. Le différentiel de température est plus important et cela entraine un cassage des roches. On va avoir formation de particules physiques, solides, qui seront transportées.
Exemple : arénisation : formation d’un sable à partir d’un granite. Formation d’arène.
L’érosion chimique : on va avoir de la dissolution, et cela ne se fait que sous un climat plus agressif sur la roche : tropical : forte pluviosité et forte température. Climat chaud et humide. Les roches vont se dissoudre dans un certain ordre : on va avoir une séquence d’altérabilité : les silicates ne vont pas dissoudre dans n’importe quel ordre : les tétraèdres isolés : les plus simples à casser, quartz, feldspath, mica… pas de pyroxène, ni d’amphibole.
L’altérabilité est une séquence de Goldish qui dit qu’on altère d’abord les roches dans l’ordre de la complexification des composés silicatés. Dans les milieux tropicaux, tout est altéré. Les silicates peuvent se transformer en d’autres silicates et il ne reste que des éléments qui ne peuvent pas être dissous. L’eau transporte ensuite ces roches cassées et dissoutes. En quelques millions d’années l’eau est suffisante pour altérer complètement une chaine de montagne.
Erosion mécanique : transport particulaire, et érosion chimique : transport en solution, sous forme dissoute ionique dans l’eau.
Le vent : moins important que l’eau, et la glace : deux autres agents de transport. Il peut transporter des particules très loin, et notamment au milieu des océans, contrairement aux rivières et fleuves qui laissent les particules sur les bords des continents. Mais les particules transportées sont généralement de petite taille : silts, sables… Les blocs erratiques : blocs transportés par les glaciers. L’eau transporte les particules en suspension, et pour une part moindre, en solution.
Erosion côtière : ce qui est dans le système naturel relativement faible, mais pour l’homme, c’est important. Quand on parle de risque : érosion côtière plus importante que les autres érosions.
Par charriage : taille des particules importe : plus la particule est grosse, plus elle est simple à transporter. Transport en suspension : les particules fines ont des forces de cohésions qui permettent à ces particules de s’agréger entre elles. Phénomène d’agrégation des particules lié aux forces de cohésion et électrostatique. La taille des particules détritiques : les sables : moins de deux millimètres, visibles à l’œil nu.
Voir différentes tailles des sédiments détritiques sur le diaporama.
Ces particules sédimentaires vont former des accumulations détritiques ou terrigènes. Ça peut être des dépôts fluviatiles, des deltas, des grands édifices ressemblant à des deltas, des dunes sous-marines, éoliennes…
Les éléments qui sont en solution vont précipiter et former des roches qui seront d’origine chimique ou biochimique. La principale roche qui en résulte ce sont les calcaires, et en particulier les calcaires construits. La précipitation de ces carbonates se fait dans l’eau et dépend de la pression partielle du gaz carbonique. Ce qui veut dire que dans l’eau, si cette pression partielle est à une valeur seuil donnée, on va avoir une réaction dans un sens ou dans l’autre : soit se dissocie en ion hydrogénocarbonate, soit se forme du carbonate de calcium.
C’est un équilibre, c’est-à-dire que si la pression de CO2 est trop importante, l’eau va s’acidifier et les carbonates vont avoir tendance à se re-dissoudre.
Le carbonate de calcium : important : contient du carbone, réservoir le plus important de carbone sur Terre ; c’est par cette réaction que se forment les coquilles des êtres vivants. C’est donc là qu’on va pouvoir reconstituer les paléoclimats.
L’essentiel des carbonates de calcium est autour des îles océaniques, des atolls coralliens s’y mettent en place.
Les évaporites : importantes géologiquement. Elles forment une suite qui résulte de l’évaporation de l’eau d’une zone salée. Dans cette eau : suite de réaction de précipitation qui dépend de l’ordre inverse du produit de solubilité de produit en solution. Plus le seuil est faible, plus la précipitation va intervenir rapidement.
Forme d’abord le calcaire, puis le sulfate de calcium hydraté : le gypse, puis le sodium et le chlore réagissent pour former du sel gemme que l’on appelle de la halite et le dernier est le potassium qui va former du sel de potassium : potasse.
Ces minéraux sont important géologiquement et importants en tant que substance utile : on les utilise tous les jours : le calcaire sert à faire de la chaux ou du ciment. Le gypse, quand on le déshydrate : du plâtre. Halite : déneiger les routes. Potasse : engrais utilisé dans l’agriculture. Ce sont des roches non silicatées mais qui sont importantes dans la vie de tous les jours.
Les sédiments, avant de se transformer en roches, subissent un phénomène de diagénèse qui se produit parce qu’ils vont être enfouis sous les sédiments plus récent. Cela fait partir l’eau et cimenter naturellement ces roches, ce qui va caractériser la transformation du sédiment en roche sédimentaire. Les argiles sont les roches les plus importantes. Mélangé au grès ou au calcaire, et plus fréquent sur les continents et dans les océans que les autres.