Quaternaire, isotopes de l'oxygène et cycle du carbone
Dans les Alpes, la Mer de Glace recule d'année en année. Pourtant, il y a 20 000 ans, un immense glacier occupait la vallée du Rhône jusqu'à la région lyonnaise. Comment sait-on cela, et pourquoi le climat de la Terre a-t-il autant varié, bien avant toute activité humaine ?
Lire le climat dans les archives : δ¹⁸O, glaces, pollens
Personne n'a mesuré la température il y a 100 000 ans. On utilise des indicateurs (ou « proxies ») : des traces conservées dans les glaces, les sédiments ou les sols, qui dépendent du climat.
Le rapport isotopique δ¹⁸O
L'oxygène existe sous deux isotopes principaux : ¹⁶O (léger, très abondant) et ¹⁸O (plus lourd, rare). Les molécules d'eau $\mathrm{H_2^{16}O}$ s'évaporent un peu plus facilement que $\mathrm{H_2^{18}O}$. On mesure le rapport $^{18}\mathrm{O}/^{16}\mathrm{O}$ d'un échantillon par rapport à celui d'un standard :
$$\delta^{18}\mathrm{O} = \left(\frac{(^{18}\mathrm{O}/^{16}\mathrm{O})_{\text{échantillon}}}{(^{18}\mathrm{O}/^{16}\mathrm{O})_{\text{standard}}} - 1\right) \times 1\,000 \quad (\text{en } ‰)$$Un $\delta^{18}\mathrm{O}$ positif signifie un échantillon enrichi en ¹⁸O par rapport au standard ; un $\delta^{18}\mathrm{O}$ négatif, un échantillon appauvri.
Dans les glaces polaires
La vapeur d'eau issue de l'océan se refroidit en gagnant les pôles. À chaque précipitation, les molécules lourdes ($\mathrm{H_2^{18}O}$) retombent en premier. La neige qui arrive à très haute latitude est donc de plus en plus appauvrie en ¹⁸O, d'autant plus que l'air est froid.
Retiens : dans une carotte de glace, plus le $\delta^{18}\mathrm{O}$ est négatif, plus la température au moment de la chute de neige était basse.
Dans les sédiments marins
Les foraminifères (des organismes marins microscopiques) fabriquent leur coquille de calcaire $\mathrm{CaCO_3}$ avec l'oxygène de l'eau de mer. Leur coquille enregistre donc le $\delta^{18}\mathrm{O}$ de l'océan. En période glaciaire, l'eau légère ($\mathrm{H_2^{16}O}$), évaporée puis piégée dans les calottes, s'accumule sous forme de glace sur les continents. L'océan restant est donc enrichi en ¹⁸O, et le niveau marin baisse puisque de l'eau est stockée sur les continents.
| Période | Calottes | Océan | δ¹⁸O des foraminifères | Niveau marin |
|---|---|---|---|---|
| Glaciaire | très étendues | enrichi en ¹⁸O | élevé | bas |
| Interglaciaire | réduites | moins enrichi | plus faible | haut |
Les pollens
Les pollens se conservent dans les tourbières et les lacs, par exemple dans le Massif central. Chaque végétation correspond à un climat : herbacées et pins (toundra, steppe) pour un climat froid ; chênes et noisetiers pour un climat tempéré. En comptant les pollens par niveau de forage, on reconstitue l'évolution de la végétation, donc du climat. Limite : le pollen renseigne sur la végétation locale, dépend de la dispersion par le vent, de la conservation du pollen et d'un décalage possible entre climat et réponse de la végétation.
Définir le rapport isotopique $\delta^{18}O$ et expliquer pourquoi, dans les glaces polaires, une valeur plus négative indique une température plus basse.
Définir le rapport isotopique $\delta^{18}O$ et expliquer pourquoi, dans les glaces polaires, une valeur plus négative indique une température plus basse.
Des foraminifères benthiques d'une carotte marine indiquent un $\delta^{18}O$ de 5,0 ‰ en période glaciaire et de 3,5 ‰ en période interglaciaire. a) Calculer la…
Des foraminifères benthiques d'une carotte marine indiquent un $\delta^{18}O$ de 5,0 ‰ en période glaciaire et de 3,5 ‰ en période interglaciaire.
- a) Calculer la variation du $\delta^{18}O$.
- b) Expliquer pourquoi l'océan est enrichi en ¹⁸O en période glaciaire.
- c) En déduire l'évolution du niveau marin.
Un forage dans le Massif central permet d'identifier des pollens : pollens d'herbacées et de pins dominants à une profondeur A, de chênes et de noisetiers à une…
Un forage dans le Massif central permet d'identifier des pollens : pollens d'herbacées et de pins dominants à une profondeur A, de chênes et de noisetiers à une profondeur B.
- a) Dire quelle profondeur correspond au climat le plus froid. Justifier.
- b) Expliquer en quoi l'analyse pollinique est un indicateur climatique.
- c) Indiquer une limite de cette méthode.
Le Quaternaire : glaciations et cycles de Milankovitch
Le Quaternaire (depuis environ 2,6 Ma) est marqué par une alternance de périodes glaciaires et interglaciaires. Sur les 800 000 dernières années, les carottes de glace antarctiques (Dôme C) montrent des cycles d'environ 100 000 ans : de longues périodes froides entrecoupées de courts épisodes chauds. Le dernier maximum glaciaire date d'environ −20 000 ans, et la glaciation s'est terminée vers −11 000 ans.
En Antarctique, les températures varient de 8 °C environ entre les extrêmes et le CO₂ de 190 ppm (glaciaire) à 280 ppm (interglaciaire). Dans les carottes, CO₂ et température varient dans le même sens : la corrélation est positive. Mais une corrélation ne dit pas laquelle des deux grandeurs est la cause : on verra qu'elles s'influencent mutuellement.
Trois paramètres orbitaux
La Terre ne reçoit pas toujours la même énergie aux hautes latitudes de l'hémisphère nord. Trois paramètres orbitaux varient lentement : ce sont les paramètres de Milankovitch.
| Paramètre | Ce qui varie | Période approximative |
|---|---|---|
| Excentricité | forme de l'orbite (plus ou moins elliptique) | ≈ 100 000 ans |
| Obliquité | inclinaison de l'axe de rotation (de 22° à 24,5°) | ≈ 41 000 ans |
| Précession | direction de l'axe, donc saisons au périhélie | ≈ 23 000 ans |
Ces variations modifient très peu l'énergie reçue en moyenne sur l'année, mais changent sa répartition selon les latitudes et les saisons. Quand les étés du nord sont frais, la neige de l'hiver ne fond pas entièrement : les calottes s'étendent.
Les rétroactions amplifient le signal
L'effet direct de l'insolation est faible. Il est amplifié par des rétroactions positives :
-
Albédo : plus de glace et de neige, donc plus de rayonnement réfléchi, donc refroidissement supplémentaire, donc encore plus de glace.
-
CO₂ océanique : un océan froid dissout davantage de CO₂ (la solubilité augmente quand la température baisse). Le CO₂ atmosphérique diminue, l'effet de serre aussi, et le refroidissement s'accentue.
Dans l'autre sens, le réchauffement fait fondre les glaces (albédo plus faible) et dégazer l'océan (plus de CO₂) : il s'amplifie lui aussi. Ainsi, une petite cause orbitale produit un grand effet.
Confirmation : l'analyse des fréquences du δ¹⁸O sur des centaines de milliers d'années montre des pics à ≈ 100 000, 41 000 et 23 000 ans, précisément les périodes des paramètres orbitaux.
Citer les trois paramètres de Milankovitch (excentricité, obliquité, précession) et donner pour chacun la période approximative de variation (environ 100 000, 41 000 et…
Citer les trois paramètres de Milankovitch (excentricité, obliquité, précession) et donner pour chacun la période approximative de variation (environ 100 000, 41 000 et 23 000 ans).
Dans une carotte de glace de l'Antarctique, la teneur en CO₂ passe de 190 ppm en période glaciaire à 280 ppm en période interglaciaire, et la température de −8 °C à 0 °C…
Dans une carotte de glace de l'Antarctique, la teneur en CO₂ passe de 190 ppm en période glaciaire à 280 ppm en période interglaciaire, et la température de −8 °C à 0 °C par rapport à l'actuel.
- a) Calculer l'augmentation relative de CO₂ en pourcentage.
- b) Décrire la corrélation entre CO₂ et température.
- c) Expliquer pourquoi cette corrélation ne prouve pas à elle seule une causalité et décrire une rétroaction possible.
Sur les 800 000 dernières années, les glaciations alternent avec une périodicité d'environ 100 000 ans, alors que la variation d'insolation liée à l'excentricité est…
Sur les 800 000 dernières années, les glaciations alternent avec une périodicité d'environ 100 000 ans, alors que la variation d'insolation liée à l'excentricité est faible.
- a) Expliquer comment les variations orbitales déclenchent les changements climatiques.
- b) Décrire deux rétroactions positives (albédo, CO₂ océanique) qui amplifient le signal.
- c) Discuter pourquoi une faible variation d'insolation peut entraîner un changement climatique important.
- d) Expliquer en quoi les spectres des fréquences de $\delta^{18}O$ confirment la théorie de Milankovitch.
Le cycle géologique du carbone
Sur des millions d'années, le climat dépend du carbone échangé entre l'atmosphère, l'océan, la biosphère et les roches. Tu connais déjà le cycle court ; voici le cycle géologique, lent. Pour reconstituer un climat ancien, un seul indice ne suffit pas : on cherche la convergence d'indices (δ¹⁸O, pollens, charbons, tillites, fossiles) et des paléoceintures (zones de climat reconnues par leurs roches, comme les dépôts glaciaires ou les récifs, qui renseignent sur la latitude de l'époque), puis on teste la cohérence avec une modélisation de la teneur en CO₂. Attention à ne pas confondre corrélation et causalité.
Réservoirs : atmosphère (CO₂), océan (carbone dissous), biosphère, roches carbonatées (calcaires), matière organique enfouie (charbon, pétrole), manteau.
Flux entrant dans l'atmosphère : volcanisme et dorsales (dégazage du CO₂), métamorphisme des carbonates en zone de subduction, respiration et décomposition de la matière organique.
Flux sortants : altération des silicates (consommation de CO₂) puis précipitation de carbonates (calcaire) dans l'océan, enfouissement de matière organique (futur charbon ou pétrole).
Altération des silicates : un thermostat
L'altération des roches silicatées consomme du CO₂ :
$$\mathrm{CaSiO_3 + 2\,CO_2 + 3\,H_2O \rightarrow Ca^{2+} + 2\,HCO_3^- + H_4SiO_4}$$Les ions bicarbonate gagnent l'océan, où ils précipitent en calcaire : le carbone est stocké dans les roches. Plus il fait chaud et humide, plus l'altération est rapide, donc plus de CO₂ est retiré : c'est une rétroaction négative, stabilisatrice à l'échelle de millions d'années.
Exemples de climats anciens
-
Crétacé (−90 Ma) : climat plus chaud de 6 à 10 °C qu'aujourd'hui, pas de calottes polaires. Dorsales très actives, volcanisme intense, donc CO₂ élevé et fort effet de serre. Indices : fossiles tropicaux à hautes latitudes, craie du Bassin parisien (falaises d'Étretat).
-
Carbonifère-Permien (≈ −300 Ma) : glaciation. Forêts marécageuses (houille de Montceau-les-Mines) : un fort enfouissement de matière organique retire du CO₂ de l'atmosphère, d'où un refroidissement. Indices : tillites (dépôts glaciaires), charbons.
-
Cénozoïque : refroidissement progressif. L'orogenèse (Himalaya) expose de grandes surfaces de roches fraîches, relief et pluies de mousson accélèrent l'altération des silicates, ce qui consomme du CO₂ et refroidit le climat.
Temps de réponse
L'altération des silicates agit sur des millions d'années. Les émissions humaines libèrent en quelques siècles le carbone stocké en millions d'années : le thermostat naturel est bien trop lent pour compenser.
Schématiser par un texte le cycle géologique du carbone : citer deux réservoirs, deux flux entrant dans l'atmosphère et deux flux sortants.
Schématiser par un texte le cycle géologique du carbone : citer deux réservoirs, deux flux entrant dans l'atmosphère et deux flux sortants.
Au Crétacé, il y a 90 Ma, le climat était plus chaud de 6 à 10 °C qu'actuellement, sans calottes polaires, et la teneur en CO₂ était élevée. À l'inverse, au…
Au Crétacé, il y a 90 Ma, le climat était plus chaud de 6 à 10 °C qu'actuellement, sans calottes polaires, et la teneur en CO₂ était élevée. À l'inverse, au Carbonifère-Permien, un refroidissement important est associé à un fort enfouissement de matière organique.
- a) Expliquer le lien entre activité volcanique, CO₂ et climat au Crétacé.
- b) Expliquer comment l'enfouissement de matière organique a pu refroidir le climat.
- c) Comparer les deux situations par leur effet sur le cycle du carbone.
- d) Citer des indices géologiques (charbons, paléoceintures, fossiles) utilisés pour reconstituer ces climats.
Au Cénozoïque, la collision Inde-Asie a élevé l'Himalaya. L'altération des silicates consomme du CO₂ selon :…
Au Cénozoïque, la collision Inde-Asie a élevé l'Himalaya. L'altération des silicates consomme du CO₂ selon : $\mathrm{CaSiO_3 + 2\,CO_2 + 3\,H_2O \rightarrow Ca^{2+} + 2\,HCO_3^- + H_4SiO_4}$, les bicarbonates précipitant ensuite en carbonates dans l'océan.
- a) Expliquer comment l'orogenèse a pu accentuer l'altération des silicates.
- b) En déduire l'effet sur la teneur atmosphérique en CO₂ et sur le climat.
- c) Expliquer pourquoi cette boucle de rétroaction est dite stabilisatrice à l'échelle de millions d'années.
- d) Comparer les temps de réponse de ce processus et des émissions humaines actuelles.
Pour revenir à la question initiale : la Mer de Glace a reculé parce que le climat se réchauffe, mais les glaciations passées s'expliquent par les cycles orbitaux amplifiés par l'albédo et le CO₂.
L'essentiel
-
Les climats passés se lisent dans des indicateurs : δ¹⁸O des glaces (plus négatif = plus froid), δ¹⁸O des foraminifères (plus élevé = glaciaire, niveau marin bas), pollens.
-
Au Quaternaire, glaciaires et interglaciaires alternent (≈ 100 000 ans sur 800 000 ans).
-
Les paramètres de Milankovitch (excentricité ≈ 100 000 ans, obliquité ≈ 41 000 ans, précession ≈ 23 000 ans) déclenchent les changements.
-
Les rétroactions positives (albédo, CO₂ océanique) amplifient le signal.
-
Sur des millions d'années, le cycle géologique du carbone régule le climat (volcanisme, altération des silicates, enfouissement de matière organique).
-
Corrélation n'est pas causalité : il faut croiser les indices.