D'abord les temps les plus anciens : de -4 milliards d'années à -600 millions d'années

Pour les temps très anciens, on ne peut pas vraiment parler de "climat" car nos mesures sont trop espacées et incertaines. Pendant cette vaste période nous ne pouvons avoir que quelques données sur la composition de l'atmosphère et ses variations.

Ce constat nous amène à déduire que l'oxygène présent dans l'atmosphère doit être produit en continu car il est en permanence "pompé" par tous les processus d'oxydation. 

L'oxygène est intimement lié à la photosynthèse, qui s'exprime ainsi : 6 CO2 + 6 H2O --> C6H12O6 (glucose ou C6(H2O)6) + 6 O2, l'énergie nécessaire à la transformation étant fournie par la lumière du soleil. Ainsi les plantes produisent de l'oxygène en même temps que leur glucose mais... l'oxygène ne s'accumule pas dans l'atmosphère pour autant ! car la plante utilise ensuite son glucose qui se trouve réduit via la respiration exactement à l'inverse : C6H12O6 (glucose ou C6(H2O)6) + 6 O2 --> 6 CO2 + 6 H2O. En fin de compte seul le glucose qui a servi à la croissance de la plante pourrait avoir libéré réellement de l'oxygène sauf que... les plantes ne sont immortelles ! et quand elle va mourir, l'intégralité de ses tissus seront dégradés par des bactéries, champignons etc. et... oxydées. Ainsi le bilan de production net sur la vie d'une plante est nul. 

Toute cette démonstration ne visant ici qu'à vous montrer que ce qui a été pendant admis : à savoir que l'Amazonie est le poumon de la planète, et que les forêts produisent de l'oxygène, est tout simplement faux.

Le seul évènement qui permettrait réellement de laisser un éxédent d'oxygène dans l'atmosphère serait que les tissus de végétaux morts se trouvent dans l'impossibilité d'être oxydés. Et comme il y a de l'oxygène dans l'atmosphère, cet évènement doit se produire : en effet l'O2 de l'atmosphère est en fait issu de la matière organique seulement quand celle ci n'a pas été respirée et métabolisée. Le seul processus qui empêche cette métabolisation de la matière organique, c'est sa fossilisation (sous forme de kérosène, de matière organique dispersée, de charbon, de pétrole ...). A chaque fois qu'il se synthétise de la matière organique et que cette matière organique se fossilise, l'O2 libéré n'est pas réutilisé et s'accumule dans l'atmosphère.
Nous respirons donc un O2 libéré par des végétaux anciens devenus matière organique fossile.

Puisqu'il y a continuellement sédimentation de matière organique, la teneur en O2 devrait augmenter, ce que l'on ne constate pas, il existe en fait des processus géologiques qui "absorbent" certaines quantités d'O2 :
- les chaînes de montagnes où l'érosion met à jour des roches sédimentaires riches en matière organique, ou des roches contenant des minéraux très anciens non oxydés. Ces matières se retrouvent finalement exposées à l'oxygène qui s'empresse de les oxyder enfin. C'est ce phénomène qui donne la couleur particulière de certaines régions désertiques : la roche mère est grise, composée en majorité de matières non oxydées, l'érosion arrache une partie de la matière à ces roches mais le sable qui en est issu n'est pas gris, il devient jaune suit à l'oxydation des silicates qu'il contient.
-les dorsales où l'O2 dissout dans l'eau de mer s'infiltre avec elle dans la lithosphère océanique et y oxyde des minéraux. L'eau qui ressort est totalement dépourvue d'O2.

Comment a évoluée la teneur en O2 depuis 4,5 milliards d'année ?
Avant 2,5 milliards d'années, pas d'O2 dans l'atmosphère.

Après le dioxygène, le dioxyde de carbone
Maintenant que nous avons parlé de l'oxygène, regardons de plus près le second gaz le plus important pour la Vie : le CO2.

Pour pouvoir étudier les variations de CO2, il faut les mesurer alors comment s'y prend-t-on ?
- pour estimer le taux de CO2 au début de l'histoire de la Terre, on transforme toutes les roches carbonatées en CO2 et on applique à la Terre, connaissant la quantité d'H20, le rapport CO2/H2O des chondrites (les météorites qui ont participé à la formation des planètes par accrétion, . C'est cela qui permet la comparaison dans la partie 2 entre les proportions planétaires de carbone sur Mars et Venus. Ce qui nous donne une pression initiale de CO2 100 000 fois plus importante que l'actuelle.

- Pour les temps très anciens, on utilise des modèles indirects... en connaissant par exemple la température à un moment donné (grâce aux informations déduites des signaux sédimentaires), les astronomes nous indiquant le rayonnement solaire à cette époque (il y a 4 milliards d'années, plus faible de 40% par rapport à l'actuel), on peut estimer le taux de CO2 atmosphérique nécessaire pour avoir une température d'équilibre donnée.

La baisse considérable de la teneur en CO2 pendant le Dévonien et le Carbonifère (de 400 à 300 millions d'années) est mise en relation avec la colonisation du milieu continental par les plantes vasculaires. Globalement, à l'échelle du millions d'années, il y a donc transfert de carbone de l'atmosphère vers les roches carbonatées.

Par ailleurs, ces données permettent de confirmer la corrélation entre la teneur en CO2 atmosphérique et le climat. La baisse dévonienne de la teneur en CO2 a été suivie par l'importante glaciation Permo-Carbonifère (-300 millions d'années). De la même manière, cette corrélation existe à la fin du Cénozoïque. Au début du Paléozoïque et pendant le Mésozoïque (entre -200 et -100 millions d'années), les fortes teneurs en CO2 atmosphérique correspondent à un climat bien plus chaud qu'actuellement.

Et pour finir le méthane
Le méthane, corps composé de carbone réduit (formule CH4), ne peut pas coexister longtemps avec de l'O2. En effet, en présence d'O2, le méthane est transformé en CO2 + H2O. La réaction peut même être explosive... A faible dose, cette oxydation est plus lente (heureusement), mais spontanée.

Tant qu'il n'y avait pas d'O2, le méthane pouvait exister dans l'atmosphere. Il était sans doute produit par des fermentations bactériennes diverses, et peut être aussi rejeté par quelques volcans. On ne dispose d'aucune donnée indiquant sa teneur dans le passé lointain. Depuis 2,5 milliards d'année, la photosynthèse, associée à la sédimentation de matière organique a progressivement libérée de l'O2. Ce dioxygène s'est accumulé petit à petit tout en oxydant progressivement tout ce qui peut l'être. A partir de ce moment le méthane "primitif" de l'atmosphère a disparu.

Actuellement, il y a un peu de méthane dans l'atmosphère, coexistant avec O2 : c'est parce que la Vie et les activités humaines en produisent en permanence (rappel, le méthane est naturellement issu des processus de fermentation et tout particulièrement quand ils sont anaérobie (sans oxygène), comme par exemple : les décharges de déchets, le rizières et marécages, la digestion animale).

Plus récent, les variations de l'atmosphère sur les 400 000 dernières années

Sur les 400 000 dernières années, nous pouvons mesurer de nombreux paramètres avec une bonne précision grâce aux calottes polaires. Les cristaux de neige qui tombent chaque année aux pôles emprisonnent des bulles d'air entre eux quand ils se transforment glace. Petit à petit, la glace s'accumule et comme la calotte polaire antarctique fait au maximum quelques kilomètres, la période de temps couverte par cet "enregistrement" s'étend sur environ 400 000 ans. Il faut quand même savoir que plus on remonte loin dans le temps et moins les mesures sont fiables. Une fois les carottes de glace extraites et analysées, que constatons-nous ?

Note : ces graphiques se lisent de droite à gauche avec la période la plus récente à gauche.

D'abord une période très marquée de 100 000 ans. Tous les 100 000 ans, la planète se réchauffe brièvement (pendant 10 000 ou 20 000 ans) puis se refroidit de plusieurs degrés pendant la plus grande partie du temps avant de se réchauffer de nouveau. Ensuite on constate une corrélation très étroite entre les concentrations de gaz à effet de serre (CO2 et CH4), la température du globe et le niveau de la mer. Tous ces éléments sont liés.

Comment explique-t-on les périodes glacières régulières ? Vous savez que la Terre tourne sur elle-même selon un axe et autour du Soleil également, mais ce mouvement n'est pas invariable. En effet, la Terre connaît au moins trois variations possibles de sa course astronomique connus sous le nom de paramètres de Milankovitch :

Note : ces graphiques se lisent de droite à gauche avec la période la plus récente à gauche.

                    Les autres facteurs qui peuvent intervenir sur le climat ne sont pas prépondérants dans les 400 000 dernières années mais ont joué un rôle majeur dans le passé :
- La position des continents. En effet, depuis que le continent antarctique se trouve au pôle sud, la circulation de courants marins circumpolaire est possible ce qui modifie les échanges de chaleur. De plus, la glace présente sur le continent a un albédo élevé et donc contribue à refroidir la planète en réfléchissant l'énergie solaire.
- L'activité volcanique et tectonique. Une intensification de cette activité provoque d'abord une refroidissement à cause des émissions d'aérosols qui réfléchissent le rayonnement solaire. Mais comme le volcan peut aussi émettre certains gaz à effet de serre, en cas d'activité de grande ampleur, le refroidissement peut être suivi d'un réchauffement par rapport à la température avant le phénomène.
Ces deux paramètres n'ont aucune incidence sur les variations du climat sur de courtes périodes, mais expliquent celles qui sont intervenues depuis les temps très anciens.

Vers la période contemporaine

L'augmentation brusque de la température depuis 1900 est très nette alors que la courbe générale était plutôt à la baisse. Cette augmentation est due au forçage radiatif positif, c'est à dire à l'augmentation de l'effet de serre

. La zone gris clair montre l'amplitude possible de la température, et la courbe bleue la moyenne des incertitudes et indique la tendance. A partir de 1860 nous disposons de données obtenues à l'aide de thermomètres, et dans la dernière moitiée du XXème siècles ces données sont reparties sur toute la planète, c'est pourquoi la zone grise d'incertitude disparaît. Ci-dessous, toujours du GIEC, l'évolution de la température depuis 1860.

Les deux périodes de réchauffement, de 1910 à 1945 et de 1975 à actuellement sont très clairement visibles. Comment peut-on être sûr que cette augmentation est bien une conséquence des activités humaines ?

Pour de nombreux gaz (voir le chapitre suivant) le doute n'est pas possible car ils n'existent pas à l'état naturel. Les concentrations que nous mesurons dans l'atmosphère aujourd'hui sont donc entièrement liées au développement humain. Pour les autres gaz qui sont naturellement présents, comme le CO2 ou le CH4, il faut procéder différement.