Le forçage orbital dû aux cycles de l'orbite terrestre autour du Soleil a, pendant les deux mille dernières années, provoqué une tendance au refroidissement dans l'hémisphère Nord à long terme qui s'est poursuivie pendant la période médiévale et le Petit Âge glaciaire.

La vitesse de refroidissement de l'Arctique est d'environ 0,02 degré Celsius par siècle. Cette tendance aurait pu être amenée à se poursuivre dans l'avenir conduisant à un véritable âge glaciaire, mais les relevés de température à partir du XXe siècle montrent une inversion soudaine de cette tendance, avec une hausse de températures mondiales.

Activité volcanique
Plusieurs théories ont été avancées pour expliquer l'existence et surtout la persistance du Petit Âge glaciaire. La première, fondée sur les découvertes réalisées en stratigraphie, relie le Petit Âge glaciaire des années 1800 à l'éruption très violente de plusieurs volcans, dont le Tambora. Il est en effet connu que les aérosols expulsés par un certain type de volcan peuvent nettement diminuer l'efficacité du rayonnement solaire. Le début du Petit Âge glaciaire au XIIIe siècle pourrait ainsi être lié, en partie, à un phénomène de forçage volcanique. 

En 2013, une équipe scientifique française dirigée par Franck Lavigne estime, au regard des éléments analysés, que cette période de refroidissement serait causée par l'activité volcanique du volcan indonésien Samalas qui serait entré en éruption en 1257 lors d'une explosion qualifiée de méga-colossale.

Diminution de l'activité solaire
Une seconde explication, sans être nécessairement contradictoire, serait à trouver dans l'effet de l'activité du Soleil. Il semble qu'elle ait été particulièrement faible pendant une bonne partie de la période du Petit Âge glaciaire. Au cours de la période 1645-1715, dans le milieu du Petit Âge glaciaire, il y a eu une période de faible activité solaire connue sous le nom de minimum de Maunder. Le minimum de Spörer a également été identifié avec une période de refroidissement significatif entre 1460 et 1550. D'autres indicateurs de la faible activité solaire durant cette période sont les niveaux d'isotopes du carbone 14 et du béryllium 10. Dans une étude de Miller et al. (2012), ils lient le Petit Âge glaciaire à « une longue période inhabituelle d'activité volcanique avec 4 grandes éruptions volcaniques tropicales riches en soufre explosif, chacune avec une charge globale de sulfate supérieure à 60 GT » et notent que « des changements importants dans l'irradiance solaire ne sont pas nécessaires ». 

Dérive nord-Atlantique
Une altération du Gulf Stream est parfois évoquée comme cause possible du Petit Âge glaciaire. Cette hypothèse n'est cependant pas probante.

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