Les cycles de Milanković sont aujourd'hui au coeur de la paléoclimatologie, car ils expliquent une grande partie de l'alternance des périodes glaciaires et interglaciaires du Quaternaire. Plus largement, la théorie des cycles de Milanković représente  l'un des fondements de la climatologie moderne. Elle établit un lien direct entre la mécanique céleste et les grandes fluctuations climatiques de la Terre, tout en démontrant que les variations astronomiques n'agissent qu'en interaction avec les nombreux mécanismes de rétroaction du système climatique. 

Leur compréhension résulte de plusieurs siècles de progrès en mécanique céleste, en géologie, en géophysique et en climatologie. Les premières intuitions concernant une influence des paramètres astronomiques sur le climat apparaissent dès le XVIII^e siècle. Des savants comme Joseph Adhémar, James Croll puis d'autres astronomes et géophysiciens proposent que les variations de l'orbite terrestre puissent modifier les conditions climatiques. Toutefois, leurs modèles demeurent incomplets ou reposent sur des hypothèses insuffisamment développées. Au début du XX^e siècle, le mathématicien, ingénieur et géophysicien serbe Milutin Milanković entreprend une étude systématique des variations astronomiques de la Terre. En s'appuyant sur les travaux de mécanique céleste de Laplace, Lagrange, Le Verrier et d'autres spécialistes de la dynamique orbitale, il calcule avec une grande précision les variations de l'insolation terrestre sur plusieurs centaines de milliers d'années. Son ouvrage majeur, Canon of Insolation and the Ice-Age Problem, publié en 1941, établit les bases théoriques de ce qui deviendra la théorie astronomique des climats.

Le principe fondamental de cette théorie est que les modifications de l'orbite terrestre n'entraînent pratiquement aucune variation de l'énergie solaire totale interceptée par la planète. En revanche, elles modifient profondément la manière dont cette énergie est répartie selon les saisons et les latitudes. Ce point est essentiel : ce ne sont pas les changements du flux solaire global qui déclenchent les glaciations, mais les variations saisonnières de l'insolation dans certaines régions clés, en particulier aux hautes latitudes de l'hémisphère Nord où se développent les grandes calottes glaciaires. Lorsque les étés deviennent suffisamment frais, la neige accumulée durant l'hiver ne fond plus entièrement. Cette accumulation progressive conduit à la croissance des glaciers continentaux, qui modifient ensuite le climat mondial grâce à de puissantes rétroactions impliquant l'albédo, la circulation atmosphérique, les océans et les gaz à effet de serre.

Les cycles de Milanković ne constituent pas un déterminisme absolu du climat terrestre. Ils définissent plutôt des conditions orbitales favorables ou défavorables à certaines évolutions climatiques, mais les réponses effectives dépendent toujours des caractéristiques internes du système climatique. Les continents, les océans, les gaz à effet de serre, les volcans, la biosphère et les aérosols interagissent constamment avec le forçage astronomique. Ainsi, deux configurations orbitales similaires peuvent produire des réponses climatiques différentes selon le contexte géologique.

Les recherches contemporaines s'appuient sur des modèles numériques couplés du système Terre capables de simuler simultanément la dynamique atmosphérique, la circulation océanique, les calottes glaciaires, les cycles biogéochimiques et les variations orbitales. Ces simulations montrent que les paramètres astronomiques continuent d'exercer leur influence aujourd'hui. En l'absence d'influence anthropique, l'évolution naturelle des paramètres orbitaux aurait probablement conduit à une lente tendance au refroidissement sur plusieurs dizaines de milliers d'années. Toutefois, le forçage radiatif produit par l'augmentation rapide des gaz à effet de serre d'origine humaine dépasse largement, sur les siècles actuels, les faibles variations d'insolation induites par les cycles de Milanković. Le changements climatique contemporain ne peut donc être expliqués par les seules variations orbitales, dont les effets demeurent extrêmement progressifs à l'échelle historique.

Les déterminants astronomiques.
La théorie de Milanković repose sur trois paramètres astronomiques principaux : l'excentricité de l'orbite terrestre, l'obliquité de l'axe de rotation et la précession des équinoxes. Chacun possède sa propre périodicité, son amplitude et son influence climatique. Le climat résulte de leur combinaison permanente plutôt que de l'action isolée de chacun d'entre eux.

Le cycle de l'excentricité.
L'excentricité décrit la forme de l'orbite terrestre autour du Soleil. Contrairement à une représentation simplifiée couramment utilisée, l'orbite de la Terre n'est pas parfaitement circulaire ni toujours identique. Elle présente toujours une certaine ellipticité, dont l'intensité varie au cours du temps sous l'effet des perturbations gravitationnelles exercées principalement par Jupiter et Saturne. Lorsque l'excentricité est faible, l'orbite est presque circulaire. Lorsque l'excentricité augmente, l'ellipse devient davantage allongée, ce qui accroît la différence de distance entre le périhélie, point le plus proche du Soleil, et l'aphélie, point le plus éloigné.

L'excentricité varie principalement selon des cycles d'environ 100 000 ans et 405 000 ans, auxquels s'ajoutent plusieurs composantes secondaires de périodes plus longues. Son amplitude reste relativement modeste, comprise entre presque zéro et environ 0,06 au cours des derniers millions d'années, alors que sa valeur actuelle est proche de 0,0167. Cette variation modifie peu l'énergie annuelle totale reçue par la Terre, mais elle influence fortement l'efficacité de la précession en accentuant ou en réduisant les différences saisonnières d'insolation.

Lorsque l'excentricité est élevée, la différence entre le périhélie et l'aphélie devient importante. Les saisons correspondant au passage près du Soleil deviennent plus contrastées que celles se produisant lorsque la Terre est éloignée. En revanche, lorsque l'excentricité est faible, les effets de la précession deviennent beaucoup moins marqués puisque la distance Terre-Soleil varie peu au cours de l'année. Ce rôle de modulation explique pourquoi l'excentricité agit souvent comme un amplificateur des autres paramètres orbitaux plutôt que comme un forçage climatique direct.

Le cycle de l'obliquité.
L'obliquité correspond à l'inclinaison de l'axe de rotation terrestre par rapport au plan de l'écliptique. Aujourd'hui, cette inclinaison est d'environ 23,44°, mais elle oscille naturellement entre environ 22,1° et 24,5° selon un cycle principal de près de 41 000 ans. Cette variation est principalement provoquée par les interactions gravitationnelles entre la Terre, la Lune, le Soleil et les autres planètes.

L'obliquité contrôle directement le contraste saisonnier. Lorsque l'inclinaison augmente, les hautes latitudes reçoivent davantage de rayonnement solaire durant leur été et moins durant leur hiver. Les saisons deviennent donc plus marquées. Les étés plus chauds favorisent la fonte des glaciers tandis que les hivers plus froids n'ont qu'un effet relativement limité sur leur croissance, car l'accumulation neigeuse dépend davantage des précipitations que des températures extrêmement basses.

Lorsque l'obliquité diminue, les saisons deviennent moins contrastées. Les étés des hautes latitudes sont alors plus frais. Cette diminution de l'insolation estivale favorise la persistance de la neige hivernale, permettant progressivement la croissance des calottes glaciaires. Les études paléoclimatiques montrent que le cycle de 41 000 ans domine largement les variations climatiques entre environ trois et un million d'années avant le présent, période durant laquelle les glaciations suivent principalement cette périodicité.

Le cycle de la précession.
La précession correspond à la lente rotation de l'axe terrestre dans l'espace. Sous l'effet des forces gravitationnelles exercées principalement par le Soleil et la Lune sur le renflement équatorial de la Terre, l'axe décrit lentement un cône complet en environ 26 000 ans. À cette précession axiale s'ajoute la précession de l'ellipse orbitale elle-même, si bien que les cycles climatiques de précession présentent des périodes proches de 19 000 et 23 000 ans.

La précession détermine la position des saisons le long de l'orbite terrestre. Actuellement, le périhélie se produit durant l'hiver de l'hémisphère Nord, ce qui rend les hivers légèrement plus doux et les étés légèrement moins chauds dans cet hémisphère. Dans environ 11 000 ans, la situation sera inversée : le périhélie coïncidera avec l'été boréal, renforçant alors les contrastes saisonniers dans l'hémisphère Nord.

La précession n'agit efficacement que si l'excentricité est suffisamment élevée. Lorsque l'orbite est presque circulaire, déplacer les saisons le long de cette orbite modifie très peu les distances Terre-Soleil. En revanche, lorsque l'excentricité est importante, les effets saisonniers deviennent beaucoup plus prononcés.

Les cycles en action
L'influence climatique des cycles de Milanković résulte essentiellement de leur action sur les hautes latitudes de l'hémisphère Nord. Les grandes calottes glaciaires quaternaires se développent principalement sur l'Amérique du Nord, le Groenland et l'Eurasie septentrionale, où existent de vastes surfaces continentales. Les océans de l'hémisphère Sud limitent en revanche la croissance de calottes comparables. Les climatologues considèrent donc que l'insolation estivale autour de 65° de latitude nord constitue l'un des indicateurs les plus pertinents pour étudier les glaciations.

Lorsque les étés deviennent suffisamment frais, la neige accumulée durant l'hiver subsiste d'une année sur l'autre. Cette neige se compacte progressivement en névé puis en glace glaciaire. Les glaciers commencent alors à s'étendre. Leur croissance augmente l'albédo continental puisque la glace réfléchit davantage le rayonnement solaire que les sols nus ou les forêts. Cette augmentation de l'albédo provoque un refroidissement supplémentaire, favorisant une nouvelle extension glaciaire. Ce mécanisme constitue une rétroaction positive particulièrement puissante.

Parallèlement, les océans refroidissent progressivement et dissolvent davantage de dioxyde de carbone (CO2). La concentration atmosphérique en CO2 diminue, ce qui réduit l'effet de serre et accentue encore le refroidissement. Les changements de végétation, de poussières atmosphériques, de banquise et de circulation océanique renforcent également ces évolutions. Ainsi, une variation relativement faible de l'insolation saisonnière peut être amplifiée jusqu'à produire des différences globales de température de plusieurs degrés entre une période glaciaire et une période interglaciaire.

Inversement, lorsque les paramètres orbitaux favorisent des étés plus chauds aux hautes latitudes, les glaciers fondent progressivement. L'albédo diminue, les océans relarguent davantage de dioxyde de carbone, la végétation colonise les régions libérées par les glaces et les rétroactions positives favorisent l'installation d'un climat interglaciaire.

Les cycles de Milanković et la paléoclimatologie.
Les archives paléoclimatiques ont permis de vérifier avec une précision remarquable les prédictions de Milanković. Les carottes glaciaires du Groenland et de l'Antarctique enregistrent les variations de température, de dioxyde de carbone, de méthane et de poussières sur plusieurs centaines de milliers d'années. Les sédiments océaniques conservent les coquilles calcaires des foraminifères, dont la composition isotopique en oxygène reflète le volume global des glaces continentales et la température des océans. Les dépôts lacustres, les spéléothèmes, les pollens fossiles et les terrasses marines complètent ces archives.

L'un des résultats majeurs de la paléoclimatologie est la mise en évidence des signatures spectrales correspondant précisément aux périodes orbitales de 23 000, 41 000 et environ 100 000 ans. Les analyses statistiques montrent que ces fréquences dominent effectivement les enregistrements climatiques du Quaternaire. Cette confirmation, obtenue notamment à partir des années 1970 grâce au programme international CLIMAP puis aux nombreuses campagnes océanographiques ultérieures, constitue l'une des validations les plus spectaculaires d'une théorie géophysique.

Toutefois, plusieurs difficultés demeurent. La plus célèbre est le problème des 100 000 ans. Les variations d'excentricité produisent un forçage radiatif relativement faible, pourtant les glaciations des derniers 800 000 ans présentent principalement une périodicité proche de 100 000 ans. Ce paradoxe suggère que les calottes glaciaires, les océans et le cycle du carbone possèdent leurs propres mécanismes internes capables d'amplifier ou de sélectionner certaines fréquences orbitales. De nombreux modèles mettent en évidence l'existence de seuils d'instabilité : les calottes peuvent croître progressivement pendant plusieurs dizaines de milliers d'années avant de s'effondrer relativement rapidement lorsque certaines conditions critiques sont atteintes.

Depuis environ un million d'années, la Terre connaît ce que les climatologues appellent la transition du Pléistocène moyen. Avant cette période, les glaciations étaient dominées par le cycle d'obliquité de 41 000 ans. Après cette transition, elles deviennent beaucoup plus longues, plus intenses et principalement espacées d'environ 100 000 ans. Les causes exactes de cette réorganisation demeurent activement étudiées. Elles impliquent probablement une évolution de la dynamique des calottes glaciaires, de la circulation océanique, de la teneur atmosphérique en dioxyde de carbone et de la topographie glaciaire.

Leur influence directe des cycles de Milanković sur le climat actuel (c'est-à-dire sur le réchauffement climatique observé depuis la révolution industrielle) est très limitée, et irait d'ailleurs plutôt dans le sens d'un refroidissement. En effet, les variations de forçage solaire induites par les cycles de Milanković sont de l'ordre de 0,1 à 0,2 W/m², alors que le forçage radiatif dû aux gaz à effet de serre anthropiques est estimé à environ +3,3 W/m² depuis 1750 (soit environ 20 fois plus). Ainsi, le réchauffement rapide et sans précédent des dernières décennies est principalement attribuable aux activités humaines, et non aux cycles naturels de Milanković, même s'ils continuent  d'agir en arrière-plan. Leur effet (mineur) est masqué par l'ampleur et la rapidité des changements anthropiques. Selon les calculs astronomiques, la Terre devrait lentement se diriger vers une nouvelle période glaciaire dans quelques dizaines de milliers d'années, mais l'influence humaine sur le climat pourrait retarder ou même annuler ce processus naturel.

Les éffets de cycles de Milanković interviennent également avant le Quaternaire. Des signatures orbitales sont observées dans de nombreuses séries sédimentaires du Mésozoïque, du Paléozoïque et même du Protérozoïque. Les géologues utilisent ces périodicités pour établir des chronologies de haute précision grâce à l'astrochronologie, discipline qui combine la mécanique céleste et la stratigraphie afin de dater les formations géologiques avec une résolution parfois inférieure à quelques dizaines de milliers d'années sur des périodes vieilles de plusieurs centaines de millions d'années.