Ce long décalage a toujours intrigué les scientifiques : Pourquoi l’Antarctique s’est-il recouvert d’énormes couches de glace il y a 34 millions d’années, alors que l’océan Arctique n’a acquis sa calotte glaciaire qu’il y a environ 3 millions d’années ?

Depuis la fin de l’ère crétacée extrêmement chaude et dominée par les dinosaures il y a 65 millions d’années, les gaz à effet de serre qui piègent la chaleur dans l’atmosphère ont régulièrement diminué (à l’exception anormale du siècle dernier), et la planète dans son ensemble s’est régulièrement refroidie. Alors pourquoi les deux pôles n’ont-ils pas gelé en même temps ?

La réponse à ce paradoxe réside dans l’interaction complexe entre les continents, les océans et l’atmosphère. Comme les pièces d’un puzzle, les plaques tectoniques mobiles de la Terre se sont réarrangées à la surface du globe – modifiant les configurations des océans intermédiaires, altérant la circulation océanique et provoquant des changements climatiques.

Le développement des calottes glaciaires dans l’hémisphère sud, il y a environ 34 millions d’années, semble assez simple. Le supercontinent du Gondwana s’est disloqué, se séparant en sous-sections qui sont devenues l’Afrique, l’Inde, l’Australie, l’Amérique du Sud et l’Antarctique. Des passages se sont ouverts entre ces nouveaux continents, permettant aux océans de circuler entre eux.

Lorsque l’Antarctique a finalement été séparé de la pointe sud de l’Amérique du Sud pour créer le passage de Drake, l’Antarctique est devenu complètement entouré par l’océan Austral. Le puissant courant circumpolaire antarctique a commencé à balayer tout le continent, isolant effectivement l’Antarctique de la plupart de la chaleur des océans mondiaux et provoquant un refroidissement à grande échelle.

L’hémisphère nord est plus problématique. Grâce aux carottes sédimentaires et à d’autres données, nous savons que jusqu’à il y a environ 5 millions d’années, l’Amérique du Nord et l’Amérique du Sud n’étaient pas reliées. Une énorme brèche – la voie maritime d’Amérique centrale – permettait aux eaux tropicales de circuler entre les océans Atlantique et Pacifique.

Un nombre croissant de preuves suggère que la formation de l’isthme de Panama a cloisonné les océans Atlantique et Pacifique et a fondamentalement changé la circulation océanique mondiale. La fermeture de la voie maritime d’Amérique centrale a pu initialement réchauffer le climat de la Terre, mais a ensuite préparé le terrain pour la glaciation de l’hémisphère nord il y a 2,7 millions d’années.

Le convoyeur océanique

Un élément fondamental du système climatique actuel est un modèle de circulation océanique de type convoyeur qui distribue de vastes quantités de chaleur et d’humidité autour de notre planète. Cette circulation globale est propulsée par l’enfoncement des eaux océaniques froides et salées – et donc denses.

Dans l’océan actuel, les eaux de surface chaudes et salées des Caraïbes, du golfe du Mexique et de l’Atlantique équatorial s’écoulent vers le nord dans le Gulf Stream. Lorsque l’eau chaude atteint les hautes latitudes de l’Atlantique Nord, elle cède de la chaleur et de l’humidité à l’atmosphère, laissant une eau froide, salée et dense qui coule au fond de l’océan. Cette eau s’écoule en profondeur, vers le sud et sous le Gulf Stream, vers l’océan Austral, puis dans les océans Indien et Pacifique. Finalement, l’eau se mélange à des eaux plus chaudes et retourne dans l’Atlantique pour compléter la circulation.

Le principal moteur de cette circulation mondiale, souvent appelée le convoyeur océanique, est la différence de teneur en sel entre les océans Atlantique et Pacifique. Avant l’existence de l’isthme de Panama, les eaux de surface du Pacifique se déversaient dans l’Atlantique. Leurs eaux se mélangeaient, équilibrant grossièrement la salinité des deux océans.

Il y a environ 5 millions d’années, les plaques nord-américaine, sud-américaine et caraïbe ont commencé à converger. L’enfoncement progressif de la voie maritime d’Amérique centrale a commencé à restreindre les échanges d’eau entre le Pacifique et l’Atlantique, et leurs salinités ont divergé.

L’évaporation dans l’Atlantique tropical et les Caraïbes a laissé les eaux océaniques y être plus salées et a mis de la vapeur d’eau fraîche dans l’atmosphère. Les vents alizés ont transporté la vapeur d’eau d’est en ouest à travers l’isthme de Panama, de faible altitude, et ont déposé de l’eau douce dans le Pacifique par le biais des précipitations. En conséquence, le Pacifique est devenu relativement plus frais, tandis que la salinité augmentait lentement et régulièrement dans l’Atlantique.

En raison de la fermeture de la voie maritime, le Gulf Stream s’est intensifié. Il a transporté davantage de masses d’eau chaude et salée vers les hautes latitudes nord, où les vents arctiques les ont refroidies jusqu’à ce qu’elles deviennent suffisamment denses pour couler au fond de l’océan. Le convoyeur océanique roulait, attirant encore plus d’eaux du Gulf Stream vers le nord.

Revirement du Gulf Stream

Comment cela fait-il de la glace dans le Nord ? « 

Peter Weyl a émis l’hypothèse en 1968 que la fermeture de la voie maritime d’Amérique centrale et l’intensification du Gulf Stream auraient apporté un ingrédient critique pour la croissance de la calotte glaciaire dans l’hémisphère nord – l’humidité. La théorie de Weyl supposait que la fermeture de la voie maritime d’Amérique centrale et l’accumulation de sel dans l’Atlantique coïncidaient avec la croissance des inlandsis nordiques entre 3,1 et 2,7 millions d’années.

Mais des doutes sur cette hypothèse ont fait surface en 1982, lorsque Lloyd Keigwin a trouvé des preuves dans les sédiments océaniques que la fermeture de l’isthme de Panama avait influencé la circulation océanique plus d’un million d’années auparavant. Il a démontré que le contraste de salinité entre l’Atlantique et le Pacifique avait déjà commencé à se développer il y a 4,2 millions d’années.

En 1998, Gerald Haug et Ralf Tiedemann ont confirmé les recherches de Keigwin avec des données à plus haute résolution provenant de carottes de sédiments. Si la salinité avait déjà changé il y a 4,2 millions d’années, pourquoi la glaciation n’a-t-elle pas commencé avant 2,7 millions d’années ? Au contraire, la Terre a connu une vague de chaleur entre 4,5 millions et 2,7 millions d’années.

Cette vague de chaleur mondiale, appelée période chaude du Pliocène moyen, pourrait également être liée à la fermeture de la voie maritime d’Amérique centrale et au réarrangement consécutif de la circulation océanique mondiale. Un convoyeur océanique revigoré aurait pu entraîner un flux plus important d’eaux profondes de l’Atlantique vers l’océan Pacifique Nord, qui est le point final de la circulation océanique profonde.

Lors de leur voyage vers le Pacifique Nord, ces eaux profondes se sont enrichies en nutriments et en dioxyde de carbone. Dans le Pacifique subarctique, ces eaux profondes ont pu remonter à la surface éclairée par le soleil et fournir les ingrédients nécessaires pour déclencher d’énormes efflorescences de phytoplancton. Les grandes abondances de silice et d’opale (la matière préservée des coquilles de phytoplancton) dans les sédiments des fonds marins témoignent à la fois des efflorescences et de la forte remontée d’eau.

La remontée d’eau a pu être si forte, cependant, que le phytoplancton n’a pas suivi le rythme de la remontée d’eau – c’est-à-dire que la quantité de dioxyde de carbone remontée était supérieure à celle utilisée par le phytoplancton. Par conséquent, l’excès de dioxyde de carbone a « fui » dans l’atmosphère, ajoutant un gaz à effet de serre qui a réchauffé la planète.

Court-circuit du convoyeur

Qu’est-ce qui a mis fin à la période chaude du Pliocène moyen il y a environ 2,7 millions d’années ? Et qu’est-ce qui a finalement provoqué la glaciation de l’hémisphère nord à peu près au même moment – mais près de 2 millions d’années après la formation de l’isthme de Panama ?

La théorie originale de Weyl d’un Gulf Stream plus fort et chargé d’humidité a soulevé une autre question épineuse : Comment le Gulf Stream – qui transporte non seulement de l’humidité mais aussi de la chaleur vers l’Atlantique Nord – pourrait-il entraîner un refroidissement majeur de l’hémisphère Nord et la formation de glace ?

Neal Driscoll et Gerald Haug ont proposé une solution. Ils ont postulé que l’humidité portée vers le nord par le Gulf Stream était transportée par les vents d’ouest dominants vers l’Eurasie. Elle est tombée sous forme de pluie ou de neige, déposant finalement plus d’eau douce dans l’océan Arctique – soit directement, soit via les grands fleuves sibériens qui se jettent dans l’océan Arctique.

L’eau douce ajoutée aurait facilité la formation de la glace de mer, qui réfléchirait la lumière du soleil et la chaleur dans l’espace. Elle aurait également agi comme une barrière empêchant la chaleur stockée dans l’océan de s’échapper vers l’atmosphère au-dessus de l’Arctique. Ces deux phénomènes contribueraient à refroidir davantage les hautes latitudes. En outre, les eaux arctiques refluant dans l’Atlantique Nord seraient devenues moins froides et moins salées – court-circuitant l’efficacité de l’Ocean Conveyor belt en tant que pompe à chaleur mondiale vers les régions de l’Atlantique Nord.

L’inclinaison vers la glaciation

Ces conditions préalables – humidité plus un noyau arctique pour le refroidissement – auraient rendu le système climatique très sensible à la croissance des couches de glace. Même des changements modestes dans l’environnement global auraient été suffisants pour faire pencher la balance et conduire au début d’une glaciation majeure de l’hémisphère nord.

Ce changement s’est justement produit entre 3,1 et 2,5 millions d’années, lorsque l’axe de la Terre a fluctué de sorte que l’inclinaison de la planète vers le soleil était inférieure à l’angle actuel de 23,45 degrés. Une moindre inclinaison de la Terre aurait réduit la quantité et l’intensité du rayonnement solaire frappant l’hémisphère nord, entraînant des étés plus froids et une moindre fonte des neiges hivernales.

Le début de la glaciation de l’hémisphère nord a également affecté le Pacifique subarctique. Elle a conduit à la formation, il y a environ 2,7 millions d’années, d’un couvercle d’eau douce à la surface de l’océan, appelé halocline. Cette halocline arctique aurait créé une barrière aux remontées d’eau, ce qui aurait empêché les eaux profondes riches en dioxyde de carbone de remonter à la surface. La « fuite » de dioxyde de carbone piégeant la chaleur dans l’atmosphère a été endiguée, refroidissant davantage la planète.

De nombreux autres mécanismes de rétroaction océan-atmosphère, résultant de l’ouverture et de la fermeture des portes océaniques, restent imparfaitement compris. Et les scientifiques explorent également les ramifications d’autres portes océaniques.

Mark Cane et Peter Molnar, par exemple, ont suggéré que le soulèvement et le mouvement des îles indonésiennes entre 5 et 3 millions d’années auraient fondamentalement redirigé les eaux moins chaudes du Pacifique Sud et les eaux plus froides du Pacifique Nord à travers la voie maritime indonésienne. La conséquence aurait pu être que le Pacifique passe de conditions plus permanentes de type El Niño (qui déplacent la chaleur des tropiques vers les hautes latitudes) à un état plus proche de La Niña (qui aurait freiné le transfert de chaleur et refroidi l’hémisphère nord).

Les leçons de ces vastes changements géologiques et géographiques sont à la fois élégamment simples et atrocement complexes. L’ouverture et la fermeture des voies maritimes ont une profonde influence sur la distribution de l’eau douce, des nutriments et de l’énergie dans l’océan mondial. Le couplage de ces océans changeants avec une atmosphère changeante signifie inévitablement un climat changeant.