L’histoire du climat avant 1850, jusqu’à la révolution industrielle et le début du réchauffement climatique actuel, est marquée par une alternance de phases de réchauffement et de glaciation ponctuant les changements climatiques successifs.

Historiographie

Les grands mythes de l’humanité ne sont pas exempts de références aux épisodes climatiques ; on peut citer par exemple, dans la Bible, la révélation de Noé, parabole d’un déluge dû à une fureur divine, qui, hors contexte des croyances, constituerait le souvenir d’une déstabilisante transgression marine ou plus vraisemblablement d’une crue fluviale exceptionnelle en Mésopotamie.

Dans son ouvrage De l’Esprit des lois, Montesquieu livre une théorie déterministe du climat^{1 tentant de corréler la chaleur ambiante au niveau de développement des autochtones : le froid serait incitateur de dynamisme, là où chaleur et humidité n’imposeraient à l’homme que peu d’efforts pour mettre en œuvre l’agriculture de subsistance2.}

Ces points illustrent l’intérêt des hommes pour relier, avec plus ou moins de bonheur, leurs observations à la téléologie historique. Le fait que l’on se base aujourd’hui sur la teneur de l’air pour assurer cette description, et non du sol comme auparavant (discipline de la stratigraphie, fouilles archéologiques), constitue une approche tout à fait novatrice.

Louis Agassiz en 1837 est le premier à émettre l’hypothèse d’une grande glaciation. Sa théorie est dite mono-glacialiste car elle affirmait qu’une seule glaciation avait eu lieu à la surface de la terre. Ses observations se basaient sur le déplacement de grands blocs erratiques loin de leurs substrats initiaux, sous l’action de la glace.

Albrecht Penck et Eduard Brückner, de 1901 à 1909, ont infirmé l’hypothèse mono-glacialiste pour émettre une hypothèse pluri-glacialiste. Ils décrivent et nomment les grandes glaciations alpines d’après les affluents du Danube, soit Günz, Mindel, Riss et Würm. Si elle a longtemps été employée comme référence pour l’hémisphère nord, il est désormais admis que cette classification n’est valable qu’à l’échelle régionale de l’arc alpin. Le développement des méthodes de datation basées sur la radioactivité et celui de la stratigraphie ont permis de prouver scientifiquement que plusieurs glaciations s’étaient succédé au Pléistocène.

L’astrophysicien Milutin Milankovitch va pousser plus loin les théories sur les glaciations en publiant une théorie astronomique des paléoclimats, qui ne sera admise qu’en 1976. Cette théorie affirme que les grandes glaciations sont enclenchées par des paramètres orbitaux et que la quantité de flux solaire qui frappe l’hémisphère nord est déterminante dans le développement d’inlandsis. Sa théorie a été prouvée par la stratigraphie et les datations radiométriques qui illustrent que les variations d’excentricité déclenchent cycliquement des glaciations^3.

La possibilité de reconstituer l’historique de la température du globe jusqu’à 650 000 ans avant le présent4 rend aujourd’hui possible un rapprochement entre science du climat et science historique qui ne relève ni de la mythologie eschatologique ni d’une idéologie humaniste.

PhasageParadoxe du soleil jeune et faible, il y a entre 4,0 et 3,0 milliards d’années

• La Grande Oxydation, il y a environ 2,4 milliards d’années et qui a probablement entraîné la glaciation huronienne
• Il y a entre 650 et 600 millions d’années, la terre boule de neige ou glaciation marinoenne de la fin du Néoprotérozoïque, précurseur de l’explosion cambrienne
• Extinction de masse de la fin du Botomien il y a 517 Ma, cette extinction de masse ainsi que les deux suivantes sont mal comprises
• Extinction du Dresbachien, il y a 502 Ma
• Extinction du Cambrien-Ordovicien, il y a 485,4 ± 1,9 Ma
• Extinction de l’Ordovicien-Silurien, il y entre 450 et 440 Ma causée par une importante glaciation^{5 possiblement due au mouvement des plaques tectoniques}
• Glaciation de l’Andéen-Saharien il y 450 Ma
• Extinction du Dévonien il y a entre 380 et 360 Ma⁶
• Glaciation du Karoo il y a entre 360 et 260 Ma
• Il y 305 Ma, un climat plus froid provoque la disparition des forêts du Carbonifère
• Extinction Permien-Trias, il y a 252,17 ± 0,06 Ma⁷
• Extinction du Trias-Jurassique ou extinction T-J il y a 200 Ma, les causes ne sont pas connues⁸
• Formation des trapps du Dekkan, il y a 66 Ma, peut-être suite à 30 000 années consécutives d’activité volcanique ou un impact important de météores.
• Extinction Crétacé-Tertiaire il y a 66 Ma (extinction des dinosaures non-aviens)⁹
• Maximum thermique du passage Paléocène-Éocène, il y a 55,8 Ma
• Optimum climatique de l’Éocène, il y a entre 54 et 49 Ma
• Événement Azolla il y a 49 Ma qui pourrait avoir mis fin à une longue période chaude
• Il y a entre 5,3 et 2,6 Ma, le climat du Pliocène est devenu plus froid et sec avec des saisons marquées, semblable au climat moderne.
• Depuis 2,5 Ma jusqu’aux glaciations récentes de l’Holocène, avec de la glace permanente sur les régions polaires

Préhistoire

Les phases antérieures à l’histoire humaine relèvent de la paléoclimatologie. Elles permettent de suivre, au fil des périodes de glaciations successives, les variations liées au changement climatique ayant affecté les sols et les espèces, selon leur nature. Le cycle du carbone en est désormais partie prenante ; la fréquence d’étude de cette phase est donc comparable à l’échelle des temps géologiques.

Le cycle des changements climatiques est rythmé par les sept dernières glaciations antérieures :

• jusque −450 000 ans : Interglaciaire de Waal
• jusque −400 000 ans : Glaciation de Günz ou Nébraskien
• jusque −350 000 ans : Interglaciaire de Cromer ou Aftonien
• jusque −320 000 ans : Glaciation de Mindel, ou Elster ou Kansien
• jusque −270 000 ans : Interglaciaire de Holstein ou Yamouthien
• jusque −200 000 ans : Glaciation de Riss, contemporaine du Saalien (Baltique) et de l’Illinoien (Amérique du Nord)
• jusque −125 000 ans : Interglaciaire de Eem ou Sangamonien ou Éémien
• jusque −70 000 ans : Glaciation de Würm, ou Weichsélien ou Wisconsinien
• jusque −11 625 ans AP : Optimum climatique de l’Holocène, parfois désigné comme « le nouveau réchauffement » de l’Holocène

Protohistoire

Les travaux archéologiques, sédimentologiques et palynologiquess sont les sources les plus fiables pour ces époques, mais les évolutions, graduelles ou subites, du climat peuvent aussi être documentées par la glaciologie, l’art rupestre ou par l’étude comparée des mythologies.

Historiographie météorologique

L’invention de l’écriture rend théoriquement possible l’enregistrement des variations climatiques par les chroniqueurs.

De l’Antiquité ancienne à l’an mille, des données historiques écrites ont existé dans plusieurs régions du monde. Des données météorologiques étaient par exemple présentes dans certaines archives (des prêtres romains par exemple), mais celles-ci ont presque toutes disparu jusqu’à l’époque carolingienne, hormis des exemples particuliers ou diffus que des historiens cherchent à rassembler en séries^11,12.

Exemples :

• 535–536 : Changement climatique de 535-536^{13, constaté par le byzantin Procope de Césarée}
• x^e siècle – xiv^e siècle : Optimum climatique du Moyen Âge^{14, un réchauffement qui semble localisé à une partie de l’hémisphère nord (Europe et au moins une partie de l’Amérique du Nord) ;}
• années 1550 – années 1850 : Petit âge glaciaire

Les sources historiques

Elles sont de deux types :

1. Sources narratives annales, chroniques répertoriant ou évoquant des saisons inhabituellement chaudes, froides, sèches ou humides, des tempêtes inondations. Des descriptions ou comptes concernant l’agriculture peuvent contenir des données phénologiques intéressantes, par exemple quand les chroniqueurs signalent des floraisons précoces ou tardives (ex : fraises en hiver, seconde floraison de la vigne…), des maturations de fruits précoces, de mauvaises récoltes, ou des récoltes exceptionnelles, qui renseignent aussi sur des « anomalies climatiques » plus saisonnières.
   Les dates de vendanges ou de moissons sont parfois soigneusement notées sur des séries assez longues pour en dégager des tendances. Cependant ce sont plutôt les faits « frappants » qui sont notés, et non les changements lents lissés sur plusieurs décennies et siècles.
   Concernant la vérifiabilité, l’incertitude et leurs relations avec la traçabilité des données. P. Alexandre distingue les notices originales (« rapportées par un témoin des faits »), probablement originales, ou encore copiées de sources connues (inintéressantes, mieux vaut se référer à la source originelle), ainsi que celles copiées de sources perdues (qui doit être identifiable pour être intéressante). Certaines séries et annales seigneuriales ou monastiques sont un travail fait par plusieurs auteurs, souvent inconnus, certains de ces auteurs pouvant parfois rapporter des faits dont ils n’ont pas été témoins (époque ou lieu différent ; Le lieu de rédaction est donc aussi une donnée importante).
2. Documents et séries météorologiques. Ce sont notamment des séries d’observations géoréférencées et soigneusement datées (ex dans les archives anglaises, sur près de 250 ans, pour les années 1209 à 1450, dans les rôles de comptabilité de l’évêché de Winchester^{15,16, ou encore dans les archives d’Anvers pour les xve et xvie siècles17.
   Ce type de document est très rare pour le Moyen Âge.}

Analyse critique des sources

Les sources annalistiques anciennes doivent être finement analysées pour relever, et si possible comprendre ou corriger, les incohérences, et notamment les erreurs chronologiques, fréquentes dans le passé, en raison d’erreurs de copies et de changements de calendriers ou référentiels et « styles » (les chroniqueurs médiévaux débutent rarement l’année en janvier ou à Pâques ; on parle de « style de Pâques » dans ce dernier cas, mais existaient aussi le « style de l’Annonciation », ou le « style de Noël »). De même on datait le début des saisons un mois plus tôt qu’aujourd’hui, avec le printemps commençant le 22 février (Chaire de Saint-Pierre), l’été commençant le 22 mai (à la Saint Urbain). L’automne commençait à la Saint Bartélémy, le 24 août et l’hiver le 19 novembre à la Sainte-Élisabeth). Il y a aussi plusieurs jours de différences entre le calendrier grégorien et celui de Julien. Ainsi une date de vendange signalée au 24 août^{18 correspond en fait à une vendange faite en fin du mois. La correction grégorienne implique d’ajouter + 6 jours pour les dates situées de 1000 à 1100 ; + 7 jours pour 1100 à 1300 et + 8 jours pour 1300 à 140019. Des erreurs dues à ces différences calendaires et saisonnières ont été relevées chez de nombreux météorologistes compilateurs de donnés anciennes (Norlind, Britton, Easton, etc. selon Pierre Alexandre11). Ces erreurs se retrouvent dans les diagrammes réalisés d’après ces données par R. Scherhag20, A. Wagner21, D.J Schove22 et H. Flohn23
Des nombreuses lacunes restent à combler. Par exemple Les annales mentionnent clairement l’inondation de Paris de 1286, mais une autre – accompagnée d’une famine – en 1407 (selon le manuscrit Munich Clm 11067 de perscrutator) est plus rarement citée, oubliée par l’historien du Climat, Pierre Alexandre note Emmanuel Poulle12 à propos des éphémérides météorologiques24, chroniques et autres annales d’intérêt climatologique.}

Des refroidissements ponctuels peuvent être expliqués par des éruptions volcaniques qui ont augmenté la nébulosité et la pluviométrie et non par une tendance climatique générale.

Les famines sont souvent attribuables à des guerres ou à des épidémies (peste noire) et ne sont pas un indice suffisant pour établir une anomalie climatique.

Des affabulations, exagérations ou témoignages suspects existent aussi, notamment dans les sources secondaires, les vies de saints ou histoires de miracles ou les témoignages de troisième mains. Il faut les détecter en croisant les sources et les indices conservés par les sols ou les cernes de croissance des arbres utilisés dans le passé.

On a ainsi pu croiser les données historiques et géographiques et montrer en Europe un réchauffement au xiii^e siècle, puis d’un refroidissement au xiv^e siècle, avec des variations régionales et chronologiques qui restent à affiner.

Pour les auteurs qui dressent des tableaux et graphes par années, une difficulté méthodologique est le choix de l’année à retenir pour dater une famineou un évènement durant quelques mois et s’étendant sur la fin d’une année et le début de la suivante. P Alexandre choisit^{25 dans ce cas de retenir la seconde année pour éviter un effet doublon.}

Des données scientifiquement plus faciles à exploiter apparaissent au xviii^e siècle à la suite de l’apparition d’instruments scientifiques de mesure de la température et de la pression atmosphérique. Les observations météorologiques qualitatives ne datent que du xviii^e siècle.

Avant le travail de « véritables » historiens sur ces questions, des compilations ont été réalisées par des météorologistes non formés à l’analyse historique critique et pluridisciplinaire des sources. Selon E. Leroy Ladurie « les seuls spécialistes qui pouvaient prendre en main la recherche – les historiens médiévistes et modernistes – se sont dérobés ; et s’occuper des phénomènes naturels, en tant que tels, leur paraissait implicitement indigne de leur vocation d’humaniste »^{26. Pierre Alexandre a ainsi refait le travail d’Émile Vanderlinden27, pour en retirer les informations non faites par des « témoins dignes de foi ».}

Effets du climat sur les espèces

Pour survivre durant une phase glaciaire, les espèces soumises à un froid trop important doivent migrer vers les plaines ou se rapprocher de l’équateur. Elles doivent le faire d’autant plus qu’elles sont sensibles au froid, ou survivre en populations moins nombreuses et parfois moins denses dans des régions refuges moins touchées par le froid.

Une théorie relie l’extinction des dinosaures à une brusque glaciation correspondant à la fin du Crétacé^3.

Reconstitution des paléoclimatsDatations radiométriques

Les méthodes de datation radiométrique utilisent la décroissance régulière de la radioactivité de certains isotopes dont la période radioactive est connue. Ces méthodes ne permettent pas d’accéder directement à des informations sur les climats mais elles constituent des sources d’information fondamentales dans la reconstitution historique des paléoclimats^28.

La méthode de datation à l’uranium-thorium fournit des résultats avec des écarts-types importants, mais elle permet de dater des échantillons très anciens. À l’inverse, la datation par le carbone 14 est relativement précise mais elle ne peut concerner que des matériaux organiques relativement récents, pour les 45 000 dernières années^{29. Comme le carbone 14 est présent dans le cycle du carbone notamment sous forme de CO₂, son utilisation est très fréquente et peut renseigner sur la quantité de CO₂ présente à une année donnée, ce qui est très pertinent dans l’analyse de l’histoire du climat28.}

Lacs varvés

Aux latitudes moyennes, les sédiments des lacs sont une source d’information, notamment dans les lacs dimictiques, c’est-à-dire qui se mélangent à deux reprises dans l’année. De simples carottages permettent d’y étudier les strates varvées (une varve est un « couplet » représentant un an de sédimentation). Au printemps, les sédiments sont pâles et proviennent des rivières qui se déversent dans le lac, alors qu’en hiver, des particules foncées et plus fines y décantent. Les variations d’épaisseur des varves indiquent ainsi par exemple des étés longs ou un hiver plus froid. Si la séquence varvée se dirige davantage vers une varve prédominante, c’est que le lac se dirige davantage vers un côté amictique, c’est-à-dire couvert de glace à l’année longue et un seul mélange des eaux annuel.

Stratigraphie

La succession des couches de substrats est un indicateur climatique relatif^{30. Il offre par exemple (par les carottages) des indices de transition d’un milieu forestier vers un milieu plus aride ou plus froid. Imaginons un cours d’eau en perte de vitesse et en voie d’épuisement : en premier lieu, sa zone marécageuse s’étend et est colonisée par la forêt qui lui est subjacente. Ensuite, la zone marécageuse est de plus en plus colonisée par la forêt. Cependant, un assèchement du climat conduit la forêt à devenir plus arbustive et sous forme de lichen et à se transformer davantage en tourbière, lieu de décomposition des éléments végétaux. La coupe stratigraphique pourra illustrer cette transition. Au départ, on retrouve les argiles, témoins de la période plus chaude et humide. Ensuite, on retrouvera des alluvions de terrasses fluviales, avec des débris végétaux. Viendront ensuite le bois et la tourbe, témoins de la période plus froide, mélangés à du lichen.}

Dans le cas, d’un lieu sous influence d’inlandsis, ces vestiges pourraient être recouverts de till, c’est-à-dire des roches arrachées, concassées en fines granules et très compactes, érigées sous l’action de la glace. Les moraines sont aussi des faciès qui se retrouvent au front des inlandsis et sont souvent composées de till. Cependant, l’érosion d’une couche mise à nu, sous l’action du vent ou de la glace peut biaiser les résultats. Il est aussi possible de dater les éléments végétaux comme le bois et la tourbe pour découvrir à quelle date les conditions ambiantes du climat étaient présentes. Il est également possible de comparer deux strates, d’obtenir des datations absolues pour chacune d’elles et de déterminer en combien de temps la transition s’est effectuée.

Carottage glaciaire et carottage marin

Les forages des grandes calottes de glace présentes aux pôles sont de très bonnes sources d’indications climatiques, puisque les inlandsis polaires sont en place depuis des milliers d’années. C’est donc une incroyable banque de données climatique qui se trouve piégée dans la glace. Les forages EPICA et Vostok en Antarctique ou au Groenland sont principalement effectués dans le but de reconstituer les paléoclimats. Il est aussi possible de faire du carottage océanique, pour comparer les résultats issus du carottage glaciaire et océanique.

Les proportions entre les deux isotopes naturels de l’oxygène ¹⁶O et ¹⁸O sont également très intéressantes à étudier. L’oxygène 16 représente 99,76 % de l’oxygène terrestre, tandis que l’oxygène 18 en représente 0,2 %. Durant une glaciation le rapport ¹⁸O/¹⁶O est plus faible dans les glaciers et plus élevé dans les océans. L’isotope ¹⁶O est prisonnier dans la glace et s’évapore des océans, étant le plus léger. Comme l’eau des précipitations est immobilisée sous forme de glace au cours d’une période glaciaire, le niveau des mers baisse et les inlandsis augmentent leur volume. Lors d’un réchauffement du climat, le processus s’inverse. Les glaciers fondent et l’oxygène 16, plus léger que le 18, s’écoule vers l’océan faisant augmenter le rapport ¹⁸O/¹⁶O. Dans l’océan l’effet y est inverse, l’ajout d’oxygène 16 dû à la fonte des glaciers, fait diminuer le rapport ¹⁸O/¹⁶O et fait augmenter le niveau marin.

La teneur en méthane et en dioxyde de carbone de l’océan et des glaciers est également intéressante. Lors d’une glaciation, la teneur en CO₂ est faible dans l’atmosphère et dans les glaciers. Cependant, l’eau froide incorpore des tonnes de CO₂, par sa pompe thermodynamique et par la pompe biologique. La teneur en CO₂ est donc très élevée dans l’océan. Dans le cas d’un réchauffement, l’eau libère du CO₂ vers l’atmosphère, faisant baisser la teneur océanique mais augmenter la teneur atmosphérique. L’eau est alors moins productive et moins riche en sels minéraux. L’activité du méthane est semblable : lorsqu’il fait plus chaud, la teneur en méthane est très élevée dans l’atmosphère, vue la plus forte décomposition. Dans l’océan, c’est l’inverse : comme la biomasse y est plus élevée durant une période glaciaire, la décomposition y est plus intense aussi.

Il est possible de faire des datations isotopiques dans une strate de glace ou dans une carotte océanique. Les bulles d’airs présentes à l’intérieur de la glace peuvent être datées par l’utilisation des isotopes. Même chose, dans les océans les organismes planctoniques, comme les foraminifères à coquille calcaire et les diatomées à coquille de silice peuvent être datées.