1Les variations passées du climat ont laissé leur signature dans les milieux naturels, sur les continents comme dans les océans, à travers des modifications géomorphologiques*, physiques, chimiques et biologiques. À partir de techniques de carottages* ou de forages, ces archives naturelles du climat peuvent être collectées, et les empreintes laissées par les variations climatiques passées peuvent y être déchiffrées et quantifiées par un ensemble de méthodes de reconstructions. La compréhension des indicateurs indirects du climat (proxies*) repose sur les observations et l’analyse de la manière dont se fait cet enregistrement aujourd’hui, en établissant des fonctions de transfert (cf. IV-1). Les incertitudes sur ces reconstructions proviennent de la mesure des indicateurs et des datations, des incertitudes sur les stabilités des relations indicateur-climat au cours du temps (e.g. la saison qui influence l’indicateur peut fluctuer au cours du temps…), de l’influence complexe d’un ensemble de paramètres climatiques (e.g. les impacts conjoints de la température et du stress hydrique). Pour quantifier ces incertitudes et obtenir des reconstructions robustes, il est nécessaire de confronter différents indicateurs et différentes archives (par exemple les enregistrements marins et continentaux) dans une même région.

Archives, indicateurs et paramètres climatiques

2Les continents – dans les sols, les lœss*, les lacs, les tourbières*, la végétation, les glaces continentales et polaires, les nappes phréatiques et les zones côtières – offrent une large variété d’archives climatiques donnant accès à des indicateurs qualitatifs ou quantitatifs. Les marques laissées par les variations d’extension des glaciers et les modifications des cours d’eau ou de niveaux des mers permettent également de caractériser l’évolution au cours du temps des surfaces continentales.

3Les variations climatiques passées à la surface des continents affectent le profil vertical de température dans les sols ou les glaces polaires, et peuvent être reconstruites par l’inversion de données mesurées dans les trous de forages. De nombreuses méthodes indirectes ont été développées pour caractériser les changements de température (de l’air ou de l’eau en surface), ou du cycle de l’eau (bilan précipitation moins évaporation, accumulation de neige…) à partir de mesures de paramètres biologiques et physico-chimiques sur les différentes archives disponibles. Certains indicateurs reflètent plusieurs variables climatiques, comme la température et le bilan hydrologique. Par exemple, les compositions isotopiques de l’hydrogène et de l’oxygène des précipitations sont contrôlées par la perte des isotopes* lourds lors du transport atmosphérique de l’eau. Cette distillation* dépend de la température dans les régions tempérées et polaires et de la quantité des précipitations dans les régions tropicales. Ces compositions isotopiques sont archivées directement dans les glaciers ou indirectement à travers la composition isotopique de la calcite* de spéléothèmes*, de carbonates lacustres et de la cellulose de cernes d’arbres.

4La confrontation de différents indicateurs sur une même archive et de multiples archives dans une même région permet d’améliorer les reconstructions, de quantifier leurs incertitudes et d’estimer les biais propres à chaque méthode et chaque archive. Des bases de données d’indicateurs paléoclimatiques sont compilées à grande échelle (continent, hémisphère) et leur analyse spatio-temporelle a été utilisée pour reconstruire la dynamique de l’atmosphère, comme les déplacements de la Zone de Convergence Intertropicale* au cours du temps. Les variations interannuelles d’indices de pression caractéristiques de certains modes de la circulation atmosphérique (El Niño*-Oscillation Australe, l’Oscillation Nord Atlantique…) ont également été estimées à l’échelle de plusieurs siècles/millénaires. Par ailleurs, la reconstitution des directions des vents dominants a été rendue possible par l’étude des dunes et des dépôts de lœss. Et les changements de concentrations ou de distribution de taille des poussières ont permis de caractériser les modifications d’aridité des régions sources et l’efficacité de leur transport dans l’atmosphère.

5Les archives continentales permettent enfin de caractériser la fréquence et/ou l’intensité d’événements extrêmes : extension/intensité des sécheresses passées à partir de bases de données dendrochronologiques*, feux de biomasse à partir de l’analyse des charbons, fréquence de crues à partir de marqueurs sédimentaires et géochimiques de sédiments* lacustres, fortes précipitations liées aux tempêtes tropicales dans les compositions isotopiques de cernes d’arbres ou de lamines* de spéléothèmes, occurrence de submersions marines grâce aux sédiments de lagunes.

6L’océan génère quant à lui des archives sédimentaires ou coralliennes qui permettent de reconstruire des paramètres hydrologiques (température, salinité, acidité des eaux marines…) ou biologiques (notamment la productivité* marine). La température de surface des océans est un paramètre essentiel du climat, car elle contrôle les échanges d’eau et de chaleur avec l’atmosphère. Elle module aussi la solubilité des gaz et leur taux d’échange avec l’atmosphère. C’est aussi le paramètre le plus largement reconstruit à partir de différents indicateurs : la distribution géographique des assemblages de différents groupes constituant l’écosystème marin a fait l’objet d’études systématiques depuis le XIX^e siècle qui ont permis d’établir les relations entre climat et abondance de certaines espèces. Depuis, les progrès instrumentaux ont permis la découverte de nouveaux indicateurs, fondés par exemple sur l’étude de molécules organiques (dans les algues marines par exemple) ou sur les compositions chimiques et isotopiques des squelettes coralliens et des coquilles carbonatées (foraminifères*). La température des eaux profondes est également quantifiée.

7Le cycle hydrologique (par exemple la variabilité du bilan évaporation/précipitation) affecte la salinité de l’océan dont dépend, avec la température, la densité de l’eau de mer. Les variations de cette densité sont responsables de la circulation profonde de l’océan (cf. I-5). La détermination de la salinité des masses d’eau océaniques dans le passé est donc nécessaire pour comprendre pourquoi et comment les circulations océaniques ont changé lorsque les conditions climatiques étaient différentes de celles d’aujourd’hui. Les reconstructions de salinité sont fondées sur la géochimie des carbonates ou des eaux interstitielles des sédiments marins.

8La circulation océanique de surface est quant à elle gouvernée par les vents et la position des continents. Son évolution ainsi que la répartition des échanges d’énergie sont donc influencées par ces différents paramètres. Ces changements de circulation et de température vont à leur tour agir sur le cycle du carbone océanique et la chimie de l’océan à travers son alcalinité*. Là encore, divers indicateurs servent de base à la reconstruction de ces différents paramètres : la composition isotopique du bore, celle du carbone dans les coquilles carbonatées de différents organismes (coraux, mollusques) ou micro-organismes (foraminifères) marins (figure 1), les isotopes radiogéniques* et leur affinité spécifique à l’égard des particules en suspension dans la colonne d’eau.

9Enfin, pour que notre vision du système climatique* dans le passé soit complète, il est indispensable de croiser les archives et comparer les résultats continentaux et océaniques. Cela implique que toutes ces archives climatiques soient datées mais aussi rassemblées sur une échelle de temps commune et absolue. Les méthodes de datation peuvent être relatives (synchronisation entre différents enregistrements par l’utilisation d’horizons repères identifiés, ou calage par rapport au forçage orbital*), mais aussi absolues grâce à la mise en œuvre des méthodes isotopiques de mesure de différents radioéléments (méthodes carbone 14, Uranium/Thorium ou Potassium/Argon par exemple) ou encore naturalistes par comptage de couches annuelles (cernes d’arbres, lamines sédimentaires annuelles, cycles saisonniers des propriétés physiques, chimiques et isotopiques de carottes* de glace – figure 2).

Des capteurs à la dynamique du climat

10La connaissance de l’histoire du climat à partir des archives naturelles progresse grâce à l’échantillonnage de nouvelles archives, aux progrès des méthodes de forage et de carottage, et à la mise en œuvre dans certains cas de moyens lourds (navires océanographiques, comme le Marion Dufresne ; bases et forages polaires ; forages continentaux). Avec l’amélioration des méthodes d’analyses géochimiques nous avons également accès aujourd’hui à des mesures en continu, à très haute résolution (saisonnière) et très précises (ce qui améliore le rapport signal sur bruit), qui permettent de construire des échelles d’âge plus précises (méthodes combinant datations absolues et identification de repères chronologiques). Enfin, les connaissances sur l’histoire du climat ont progressé grâce à une meilleure compréhension des indicateurs et à la quantification des incertitudes sur les reconstructions, ce qui est important pour l’intégration régionale à globale des informations paléoclimatiques, ainsi que pour la confrontation aux simulations paléoclimatiques.

11La compréhension de la dynamique du climat est construite par l’analyse des relations entre forçages externes* (orbite terrestre, activité solaire, activité volcanique) et variabilité climatique* passée, et par l’analyse des causes internes de variabilité du climat (comme la sensibilité de la circulation thermohaline* à un apport brutal d’eau douce). Elles reposent à la fois sur des méthodes statistiques d’analyse des données paléoclimatiques, et sur l’utilisation d’une hiérarchie de modèles de climat permettant de quantifier théoriquement l’impact des forçages externes* ou des rétroactions internes du Système Terre et de les confronter aux reconstructions. Plusieurs méthodes de confrontation sont déployées : reconstruction de paramètres climatiques et comparaison aux mêmes paramètres simulés ; ou modélisation des indicateurs (comme la composition isotopique des précipitations ou la représentation du plancton marin) dans les modèles de climat, directement comparables aux paramètres mesurés sur les archives naturelles. Ces confrontations entre modèles et données permettent de comprendre les mécanismes des changements de climat, les relations entre une information locale et les mécanismes de plus grande échelle des changements et les sources d’incertitude sur les reconstructions indirectes. Enfin, elles fournissent un banc d’essai sur la capacité des modèles de climat à représenter correctement l’amplitude, la vitesse et la structure spatiale des changements climatiques passés.