Les causes des changements passés et les boucles de rétroactions
Le climat de la Terre a été influencé par plusieurs facteurs au cours des derniers milliards d’années. La composition de l’atmosphère, en particulier la concentration de gaz à effet de serre, a varié sous l’effet du volcanisme et de l’apparition de la vie. Les déplacements des continents ont aussi joué un rôle important, causant des changements de circulation atmosphériques et océaniques, et donc des variations du climat. Les variations de l’orbite terrestre autour du Soleil ou de l’axe de rotation de la Terre, qui ont influencé le rayonnement solaire reçu, sont aussi une cause majeure de ces changements climatiques passés.
Une composante importante de ces changements est ce que l’on appelle les boucles de rétroactions. Prenons l’exemple des périodes glaciaires « récentes » (dans le dernier million d’années). Elles sont causées au départ par une diminution de l’énergie solaire reçue en raison d'une variation de l’orbite de la Terre autour du Soleil. Cependant, cette baisse du rayonnement ne permet pas à elle seule d’expliquer l’amplitude du refroidissement de la Terre. Cela s’explique par les boucles de rétroaction : le rayonnement solaire diminue, la Terre se refroidit, les calottes polaires grandissent, une plus grande partie du rayonnement solaire incident est réfléchi, car les calottes polaires réfléchissent très bien la lumière, donc la Terre se refroidit davantage, etc. jusqu’à atteindre un nouvel état d’équilibre. Une boucle similaire existe pour le dioxyde de carbone : plus les océans sont froids, plus ils peuvent absorber de dioxyde de carbone, plus l’atmosphère se refroidit, plus les océans peuvent absorber de dioxyde de carbone, etc. A noter que dans le cas du réchauffement actuel, c’est le contraire qui se produit.
En résumé, les bouleversements climatiques majeurs que la Terre a connu ont pour cause des éléments qui, à eux seuls, ne peuvent pas expliquer l’ampleur du changement, mais ces causes initient un changement, qui est ensuite amplifié par des boucles de rétroaction.
Une possible « planète boule de neige »
Commençons notre histoire climatique il y a 2.5 milliards d’années, époque à laquelle la vie était déjà bien installée sur la Terre. Entre 2.5 et 2.2 milliards d’années avant notre ère, la Terre a connu une succession de périodes de glaciation sévères. Il est possible que la Terre ait été complétement recouverte de glace durant une période prolongée. L’hypothèse principale pour expliquer ce refroidissement est la « grande oxydation ». Sous l’effet de la vie photosynthétique dans les océans, de grandes quantités d’oxygène ont été libérées dans l’atmosphère. Cet oxygène aurait réagi avec le méthane présent en quantité dans l’atmosphère pour le transformer en gaz carbonique, dont l’effet de serre est moins fort que celui du méthane. Cette diminution de l’effet de serre a eu pour conséquence une nette baisse des températures. Cet événement est d’ailleurs probablement aussi le premier événement d’extinction de masse de la vie sur Terre.