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Pour des échelles de temps qui s’échelonnent au-delà du million d’années, on a peu d’archives directes du type calottes de glace, bulles d’air dans la glace ou pollens conservés par exemple. On essaie donc d’utiliser d’autres outils pour reconstituer les climats passés, lointains. Ces outils font appel à l’étude des roches et on recherche s’il y a des traces d’êtres vivants ou de modifications particulières climatiques.

 

I. Les outils

 

A. Les fossiles

On utilise d’abord les fossiles, notamment les fossiles de flore. On peut prendre en exemple les fougères arborescentes, très grandes fougères qui ont existé notamment pendant la période Carbonifère il y a 300 millions d’années. La présence de ces fougères atteste d’une végétation luxuriante, qui nécessitait beaucoup d’eau et donc renseigne sur un climat de type équatorial et humide.

Un autre exemple qui utilise les indices de flore est l'indice stomatique. Les stomates sont les petites cellules qui se trouvent sur l’épiderme inférieur des feuilles d’arbres et qui leur permettent les échanges gazeux (approvisionnement en dioxyde de carbone et libération d’oxygène). L’indice stomatique est le pourcentage de stomates que l’on trouve sur l’épiderme inférieur d’une feuille par rapport au nombre total de cellules sur cette feuille. On a démontré que pour un certain nombre de plantes, plus la quantité de dioxyde de carbone atmosphérique augmente, plus l’indice stomatique est faible. Il y a une difficulté moindre pour la plante à s’approvisionner en dioxyde de carbone. Par exemple, le ginkgo biloba est présent sur Terre depuis 260 millions d’années. En étudiant son indice stomatique tout au long de cette période, on peut reconstituer le contenu de l’atmosphère en dioxyde de carbone et obtenir des renseignements sur le climat.

On peut aussi utiliser les fossiles de faune. Par exemple, les récifs coralliens, lorsqu'ils sont présents, renseignent sur un climat plutôt chaud puisque les coraux constituent leur squelette carbonaté dans les eaux chaudes et peu profondes type eau équatoriale ou tropicale.

L'ensemble de ces outils s'appuient sur l'utilisation du principe d'actualisme qui dit que les phénomènes physico-chimiques qui régissaient la création des roches par le passé sont toujours les mêmes et sont maintenus aujourd'hui. Pour reprendre l'exemple du récif corallien, si les coraux se forment aujourd'hui dans les régions chaudes et dans les mers peu profondes, on considère que c'était la même chose par le passé.

 

B. Les roches sédimentaires

Le deuxième outil utilisé ne fait plus appel aux êtres vivants ni aux restes de ces êtres vivants mais aux roches sédimentaires. Plusieurs exemples peuvent être utilisés.

D'abord, les latérites et les bauxites sont des exemples de roches de type argile, roches rouges riches en fer et en aluminium, elles témoignent d'un climat chaud.

Les débris glacières et les moraines sont typiques de certaines régions du monde à certaines époques. Enfin, on travaille aussi sur l'importance de la sédimentation carbonatée puisque plus il fait chaud, plus la sédimentation carbonatée (c'est-à-dire la formation de roches carbonatées au fond des eaux océaniques) est importante.

 

II. Les causes

 

Avec ces différents outils et en s'appuyant sur le principe d'actualisme, on peut donc reconstituer des paléoclimats (des climats du passé à de très grandes échelles de temps, d’un million d'années à plusieurs milliards d'années). On peut aussi étudier les causes de ces variations paléoclimatiques.

Le facteur majeur qui a fait évoluer les climats au cours du temps dans l'histoire de la Terre est le contenu en dioxyde de carbone de l'atmosphère. Le dioxyde de carbone est un des principaux gaz à effet de serre donc plus il est présent, plus la température atmosphérique augmente. Actuellement, l'homme est un des acteurs majeurs de la variation du dioxyde de carbone de l'atmosphère mais par le passé, c’est le volcanisme qui influençait la teneur atmosphérique en dioxyde de carbone. En effet, lors des grandes éruptions volcaniques, un très grand nombre de gaz et de poussière sont rejetés dans l'atmosphère, dont une quantité particulièrement importante de dioxyde de carbone. Dans les périodes de fort volcanisme, on avait beaucoup de dioxyde de carbone rejeté donc un climat mondial qui avait tendance à se réchauffer.

Enfin, la dynamique lithosphérique globale correspond au mouvement des plaques lithosphériques à la surface de la Terre. Les différents continents et leur position actuelle n'ont pas été les mêmes depuis la formation de la Terre. Il y a eu notamment l'existence d'un très grand continent unique, la Pangée, il y a 250 millions d'années. La dynamique lithosphérique globale décrit les mouvements, la fracturation et le déplacement de continents les uns par rapport aux autres. En réalité, la dynamique lithosphérique globale correspond à l'activité des dorsales océaniques qui, lorsqu'elles fonctionnent, permettent l'éloignement de deux plaques de deux continents l'un par rapport à l'autre. Cette dynamique lithosphérique globale repose donc elle aussi sur du volcanisme, et en modifiant la position des continents les uns par rapport aux autres, elle les déplace aussi par rapport à l'équateur et par rapport aux pôles.

Concernant la sédimentation carbonatée, dans les périodes de fort volcanisme avec beaucoup de dioxyde de carbone dans l'atmosphère on a donc une augmentation de la température. Au niveau des continents, on a des eaux plus acides car il y a plus de dioxyde de carbone dissous et des eaux plus chaudes à cause de cet effet de serre important. Or, les eaux acides et chaudes favorisent l'altération de roches continentales qui donnent naissance à des débris et à des ions qui sont transportés et qui participent à la sédimentation carbonatée. Autrement dit, plus il fait chaud, plus il y a d'altération de roches en domaine continental, de transport des sédiments vers le domaine océanique et de formation par sédimentation de roche de nature carbonatée.