Les variations climatiques passées

Reconstituer et comprendre les variations climatiques passées

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Quelles sont les séries d’indices qui permettent de reconstituer les climats passés ?

I – Les indices fournis par la chimie

« La scène se situe en 1965, non loin de la base Dumont d’Urville de Terre Adélie. Au soir d’une journée de carottage particulièrement ratée et pénible, nous prenons l’apéritif […]. Ce jour-là, tentés par le sacrilège, nous glissons dans nos verres des morceaux prélevés au fond de ce maudit forage à une centaine de mètres de profondeur ; ils doivent avoir des milliers d’années… Or les glaçons de profondeur, très compressés, sont particulièrement pétillants […]. Et là, en regardant dans mon verre éclater les bulles d’air libérées de leur pression, j’ai la brusque intuition que la glace pourrait contenir les archives de l’atmosphère. »

Les calottes glaciaires, épaisses de plusieurs kilomètres de glace renferment des informations importantes concernant les climats du passé. Les forages qui ont été effectués, en particulier en Antarctique, ont permis de reconstituer des carottes de plus de 3000 m de glace représentant près de 800 000 années d’archives glaciaires.

Les glaces renferment deux types d’informations :

• des données isotopiques qui constituent des thermomètres indirects et qui permettent de mesurer la température au moment de la formation de la glace.
• de l’air emprisonné au moment de la chute de neige et progressivement transformée en glace et qui témoigne de la composition de l’atmosphère au moment de la formation de la glace.

TP1 – Les thermomètres isotopiques et les climats du passé

Outils : le dosage isotopiques de l’oxygène

Les mesures de composition isotopique de l’oxygène (¹⁶O et ¹⁸O) montrent que la proportion de ¹⁸O dans les eaux de pluie et les précipitations neigeuses actuelles diminue avec la température.

Les valeurs mesurées du rapport ¹⁸O / ¹⁶O dans la glace sont comparées à une valeur de référence connue (le SMOW : eau de l’océan actuel). Le δ ¹⁸O (lire delta 18 O) est un outil utilisé par les géologues pour comprendre l’évolution passée du climat ; la notation du δ ¹⁸O s’écrit :

Plus il fait froid et plus le δ¹⁸O est négatif.

Un autre rapport isotopique est couramment utilisé comme thermomètre isotopique. Il s’agit du rapport (D/H) noté δD. Le deutérium (D) est l’isotope lourd de l’hydrogène de masse atomique 2 (2H). Pour des raisons similaires à celles évoquées pour les isotopes de l’oxygène, on n’utilise pas ce rapport directement mais l’écart δD (en ‰) par rapport à un standard de référence de composition proche de celle de l’océan mondial. Le δD est d’autant plus négatif que la température de formation de la neige est faible.

Le δ¹⁸O et le δD sont proportionnels à la température. Les températures dont témoignent ces deux rapports sont celles estimées au niveau des pôles. L’estimation de ces rapports fournit donc des informations sur les températures et leurs variations qui montrent une alternance de périodes glaciaires et interglaciaires avec des cycles de 100 000 ans.

L’analyse des bulles d’air emprisonnées dans la glace permet de corréler ces variations de températures à des variations du CO2 et CH4 atmosphériques. On observe une très bonne concordance de ces variations au Groenland et en Antarctique.

Comment expliquer ces cycles de température ?

Dans les années 1940, le mathématicien serbe Milutin Milankovitch (1879-1958) avance l’hypothèse de l’existence d’une relation entre les variations climatiques et les modifications de l’orbite terrestre. Selon lui, la distance séparant la Terre du Soleil est déterminante puisque l’énergie solaire conditionne les climats terrestres (vu en Enseignement Scientifique de 1^re).

La théorie de Milankovitch (ou théorie astronomique des changements climatiques) permet d’expliquer l’alternance cyclique de périodes glaciaires et interglaciaires. Milankovitch montra qu’une combinaison de trois paramètres orbitaux de la Terre varie de façon cyclique avec une période de 100 000 ans très marquée :

• l’angle d’inclinaison de la Terre, c’est-à-dire l’obliquité, varie avec une période de l’ordre de 41 000 ans.

• la précession des équinoxes. Elle est la lente modification de direction de l’axe de rotation de la Terre. Elle change avec une période de 23 000 ans.

• L’excentricité. C’est la forme de l’ellipse qui varie avec une période de 100 000 ans. L’excentricité correspond au degré d’aplatissement de l’orbite terrestre : elle varie de 0 (orbite circulaire) à 0,06 (ellipse), la valeur actuelle étant de 0,017.

Ces variations cycliques des paramètres orbitaux modifient la quantité d’énergie solaire reçue à la surface du globe. Ces variations ont été amplifiées par des rétroactions positives et négatives –vues en enseignement scientifique– impliquant :

• la variation de la concentration en vapeur d’eau dans l’atmosphère
• le dégel partiel du pergélisol
• l’albédo et la décroissance de la surface couverte par les glaces
• la solubilité du CO2 dans les océans

D’une façon plus générale, ces rétroactions sont à l’origine des entrées et sorties de glaciation.

Outils : suivi des rapports isotopiques dans les sédiments marins

On mesure des rapports isotopiques de divers isotopes présents dans les sédiments marins :

– le rapport ¹⁰B/¹¹B enregistré dans les carbonates permet de connaître le pH de l’eau qui est proportionnel au taux de CO2 dissous donc au taux de CO2 atmosphérique

– La mesure du rapport des isotopes de l’oxygène δ ¹⁸O (¹⁸O/¹⁶O) dans les coquilles (= tests) calcaires de certains fossiles océaniques (foraminifères par exemple). Les foraminifères sont des organismes unicellulaires planctoniques ou benthiques qui élaborent leur squelette externe calcaire, ou test, à partir des constituants (ions carbonate et calcium) permet également de déterminer indirectement la température au moment de la mort de l’organisme. Pour faire simple, une augmentation du δ¹⁸O des carbonates est corrélée à une diminution des températures de l’eau (donc attention, ici δ ¹⁸O élevé = eau froide, c’est le contraire de ce que nous avons dit pour δ ¹⁸O dans les glaces polaires !).

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Ou ici en PDF (moins bien) : http://mai68.org/spip2/IMG/pdf/vari…