Climats passés : isotopes et carottes de glace
En Antarctique, des scientifiques forent la glace sur plus de 3 000 m de profondeur. Cette glace s'est formée à partir de neige tombée il y a des centaines de milliers d'années. Comment peut-on y lire la température et l'air d'une époque que personne n'a mesurée ?
La carotte de glace, une archive du climat
Dans les régions polaires, la neige ne fond presque jamais. La neige s'accumule année après année, se tasse et se transforme en glace. Chaque année forme une couche, et les couches les plus récentes recouvrent les plus anciennes.
Lors de cette transformation, de petites bulles d'air restent piégées. Elles contiennent un échantillon de l'atmosphère de l'époque : on peut y mesurer la concentration en $\mathrm{CO_2}$ et en méthane.
On prélève un cylindre de glace, la carotte, que l'on analyse couche par couche.
Pour dater une couche, on peut compter les couches annuelles quand elles sont visibles, ou repérer un événement connu (un niveau de cendres d'une éruption volcanique, par exemple).
Une carotte de glace prélevée en Antarctique est forée sur $3\,200\ \text{m}$ de profondeur. Elle contient des bulles d'air piégées lors de la formation de la glace. a)…
Une carotte de glace prélevée en Antarctique est forée sur $3\,200\ \text{m}$ de profondeur. Elle contient des bulles d'air piégées lors de la formation de la glace.
- a) Expliquer ce que permet d'étudier l'air contenu dans ces bulles.
- b) Expliquer pourquoi la glace la plus profonde est la plus ancienne.
- c) Calculer la profondeur moyenne par millier d'années si la carotte couvre $800\,000$ ans (en $\text{m}$ par millier d'années).
Sur une carotte, une couche de neige annuelle a une épaisseur moyenne de $2{,}5\ \text{cm}$ de glace à $500\ \text{m}$ de profondeur. Un niveau de cendres volcaniques se…
Sur une carotte, une couche de neige annuelle a une épaisseur moyenne de $2{,}5\ \text{cm}$ de glace à $500\ \text{m}$ de profondeur. Un niveau de cendres volcaniques se trouve à $520\ \text{m}$ de profondeur, en supposant des couches d'épaisseur constante dans cette zone.
- a) Calculer l'écart d'âge (la durée) entre les profondeurs $500\ \text{m}$ et $520\ \text{m}$.
- b) Expliquer pourquoi l'hypothèse d'épaisseur constante devient fausse en profondeur.
Le rapport isotopique δ¹⁸O
L'oxygène existe sous plusieurs formes appelées isotopes, qui ont le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différent. Deux nous intéressent : l'oxygène 16 ($^{16}\text{O}$, léger et très abondant) et l'oxygène 18 ($^{18}\text{O}$, plus lourd et rare). Une molécule d'eau contenant $^{18}\text{O}$ est un peu plus lourde.
On compare le rapport $R = \dfrac{^{18}\text{O}}{^{16}\text{O}}$ de l'échantillon à celui d'une référence :
$$\delta^{18}\text{O}=\left(\frac{R_{\text{éch}}}{R_{\text{réf}}}-1\right)\times 1\,000\quad(\text{en ‰})$$Le rapport isotopique de l'oxygène est $\delta^{18}\text{O}=\left(\dfrac{R_{\text{éch}}}{R_{\text{réf}}}-1\right)\times1\,000$ (en ‰), avec…
Le rapport isotopique de l'oxygène est $\delta^{18}\text{O}=\left(\dfrac{R_{\text{éch}}}{R_{\text{réf}}}-1\right)\times1\,000$ (en ‰), avec $R=\dfrac{^{18}\text{O}}{^{16}\text{O}}$.
- a) Calculer $\delta^{18}\text{O}$ pour $R_{\text{éch}}=0{,}001\,92$ et $R_{\text{réf}}=0{,}002\,00$.
- b) Dire si l'échantillon est appauvri ou enrichi en $^{18}\text{O}$ par rapport à la référence.
Du δ¹⁸O à la température
Pourquoi la glace polaire est-elle appauvrie en $^{18}\text{O}$ ? L'eau s'évapore dans les océans chauds, puis la vapeur voyage vers les pôles en se refroidissant. En route, les molécules lourdes ($\text{H}_2{}^{18}\text{O}$) se condensent plus facilement et retombent en pluie ou en neige les premières. La vapeur qui arrive aux pôles est donc appauvrie en $^{18}\text{O}$, et d'autant plus que le trajet est long et le climat froid.
On utilise des relations empiriques, établies par des mesures actuelles, qui relient $\delta^{18}\text{O}$ et température locale. Par exemple, dans les exercices : $\delta^{18}\text{O}=0{,}65\,T-14$.
Dans les glaces polaires, plus la température au moment de la précipitation était basse, plus la neige est appauvrie en $^{18}\text{O}$ (valeur de $\delta^{18}\text{O}$…
Dans les glaces polaires, plus la température au moment de la précipitation était basse, plus la neige est appauvrie en $^{18}\text{O}$ (valeur de $\delta^{18}\text{O}$ plus négative).
- a) Deux couches ont pour $\delta^{18}\text{O}$ : $-42\ ‰$ et $-35\ ‰$. Laquelle correspond à la période la plus froide ?
- b) Dire si la période la plus froide est une période glaciaire ou interglaciaire.
Une relation empirique relie la température locale $T$ (en $^\circ\text{C}$) au $\delta^{18}\text{O}$ de la neige : $\delta^{18}\text{O}=0{,}65\,T-14$ (en ‰). a)…
Une relation empirique relie la température locale $T$ (en $^\circ\text{C}$) au $\delta^{18}\text{O}$ de la neige : $\delta^{18}\text{O}=0{,}65\,T-14$ (en ‰).
- a) Calculer $\delta^{18}\text{O}$ pour $T=-30\ ^\circ\text{C}$.
- b) Déterminer la température pour $\delta^{18}\text{O}=-50\ ‰$.
- c) Calculer la variation de température correspondant à une variation de $\delta^{18}\text{O}$ de $6{,}5\ ‰$.
Sur $100\,000$ ans, on relève dans une carotte les valeurs suivantes : $\delta^{18}\text{O}=-44\ ‰$ à $20\,000$ ans, $-36\ ‰$ à $0$ an (actuel). On utilise la relation…
Sur $100\,000$ ans, on relève dans une carotte les valeurs suivantes : $\delta^{18}\text{O}=-44\ ‰$ à $20\,000$ ans, $-36\ ‰$ à $0$ an (actuel). On utilise la relation $\delta^{18}\text{O}=0{,}65\,T-14$.
- a) Calculer les températures correspondantes.
- b) Calculer la variation de température entre le dernier maximum glaciaire et aujourd'hui.
- c) Calculer la vitesse moyenne de réchauffement en $^\circ\text{C}$ par siècle entre le dernier maximum glaciaire ($20\,000$ ans) et aujourd'hui, puis la comparer à un réchauffement actuel de $0{,}2\ ^\circ\text{C}$ par décennie.
- d) Discuter la validité de la relation utilisée.
L'enregistrement océanique : l'effet inverse
On étudie aussi les sédiments marins. Les coquilles de carbonate de calcium des foraminifères (petits organismes marins) incorporent l'oxygène de l'eau où ils vivent. Leur $\delta^{18}\text{O}$ reflète donc celui de l'eau de mer, ainsi que la température de l'eau.
Pendant une glaciation, l'eau évaporée, appauvrie en $^{18}\text{O}$, reste piégée dans les calottes de glace. Les océans perdent de l'eau « légère » : l'eau de mer restante s'enrichit en $^{18}\text{O}$.
| Archive | $\delta^{18}\text{O}$ en période glaciaire |
|---|---|
| Glace polaire | diminue (plus négatif) |
| Carbonates marins | augmente (plus positif) |
Les deux archives réagissent en sens inverse vis-à-vis du volume des glaces, mais racontent la même histoire. Dans l'océan, le $\delta^{18}\text{O}$ des carbonates dépend aussi de la température de l'eau : le « sens inverse » ne concerne que l'effet du volume des glaces. Ils sont complémentaires : on peut les comparer et les croiser pour vérifier que les deux archives détectent bien les mêmes cycles.
Pour reconstituer les températures océaniques passées, on mesure le $\delta^{18}\text{O}$ des coquilles de foraminifères. Pendant une glaciation, l'eau de mer s'enrichit…
Pour reconstituer les températures océaniques passées, on mesure le $\delta^{18}\text{O}$ des coquilles de foraminifères. Pendant une glaciation, l'eau de mer s'enrichit en $^{18}\text{O}$ car l'eau évaporée, appauvrie en $^{18}\text{O}$, est piégée dans les calottes de glace.
- a) Expliquer pourquoi le $\delta^{18}\text{O}$ des carbonates marins augmente en période glaciaire.
- b) Expliquer pourquoi le $\delta^{18}\text{O}$ de la glace polaire diminue à la même période.
- c) Expliquer pourquoi ces deux enregistrements sont complémentaires.
- d) Indiquer un autre facteur influençant le $\delta^{18}\text{O}$ des coquilles.
CO₂, température et comparaison avec aujourd'hui
Les bulles d'air des carottes donnent la concentration en $\mathrm{CO_2}$, en ppm (parties par million). Sur 800 000 ans, elle oscille entre environ $190\ \text{ppm}$ (périodes glaciaires) et $280\ \text{ppm}$ (périodes interglaciaires). La température et le $\mathrm{CO_2}$ évoluent de façon corrélée.
Aujourd'hui, la concentration dépasse $420\ \text{ppm}$, bien au-delà du maximum naturel des 800 000 dernières années.
Les variations naturelles se font en milliers d'années. Elles sont amplifiées par des rétroactions : par exemple, quand la température baisse, la glace s'étend, l'albédo augmente, la Terre absorbe moins de rayonnement solaire et se refroidit encore ; de même, un océan plus froid dissout davantage de $\mathrm{CO_2}$, ce qui renforce le refroidissement. Ces mécanismes qui amplifient la variation initiale sont des rétroactions positives. Aujourd'hui, la hausse de $140\ \text{ppm}$ s'est produite en environ deux siècles : le rythme est beaucoup plus rapide.
Le rapport $\dfrac{\Delta T}{\Delta \mathrm{CO_2}}$ permet de comparer les deux situations. Pour la période glaciaire–interglaciaire : $\dfrac{6}{90} \approx 0{,}067\ ^\circ\text{C/ppm}$, soit $6{,}7\ ^\circ\text{C}$ pour $100\ \text{ppm}$. Pour la période actuelle : $\dfrac{1{,}2}{140}\approx 0{,}0086\ ^\circ\text{C/ppm}$, soit $0{,}86\ ^\circ\text{C}$ pour $100\ \text{ppm}$. On obtient $6{,}7\ ^\circ\text{C}$ et $0{,}86\ ^\circ\text{C}$ pour $100\ \text{ppm}$, mais ces deux nombres ne sont pas équivalents et on ne peut pas en conclure que le réchauffement actuel est « plus faible ». Le premier est un réchauffement d'équilibre, atteint en des milliers d'années ; le second est un réchauffement transitoire, mesuré alors que le système climatique n'a pas encore atteint son équilibre. Le réchauffement va donc se poursuivre même si le $\mathrm{CO_2}$ cessait d'augmenter. Les $6\ ^\circ\text{C}$ du passé incluent l'amplification par les rétroactions (albédo, océan, etc.) et se sont établis sur des millénaires. Aujourd'hui, l'inertie thermique de l'océan retarde le réchauffement : l'équilibre n'est pas encore atteint : une partie du réchauffement lié au $\mathrm{CO_2}$ déjà émis reste à venir. Ce n'est pas la seule explication possible.
Dans une carotte, la concentration en CO$2$ vaut $190\ \text{ppm}$ en période glaciaire et $280\ \text{ppm}$ en période interglaciaire. La concentration actuelle est de…
Dans une carotte, la concentration en CO$_2$ vaut $190\ \text{ppm}$ en période glaciaire et $280\ \text{ppm}$ en période interglaciaire. La concentration actuelle est de $420\ \text{ppm}$.
- a) Calculer l'amplitude glaciaire–interglaciaire.
- b) Calculer de combien la concentration actuelle dépasse le maximum naturel, en ppm et en pourcentage de ce maximum.
- c) Expliquer en une phrase en quoi cette comparaison montre le caractère exceptionnel de l'évolution actuelle.
Un enregistrement de carotte montre que la température et le CO$2$ évoluent de façon corrélée : lors d'un réchauffement de $6\ ^\circ\text{C}$, le CO$2$ passe de $190$ à…
Un enregistrement de carotte montre que la température et le CO$_2$ évoluent de façon corrélée : lors d'un réchauffement de $6\ ^\circ\text{C}$, le CO$_2$ passe de $190$ à $280\ \text{ppm}$. Le réchauffement actuel est de $1{,}2\ ^\circ\text{C}$ avec une hausse de CO$_2$ de $140\ \text{ppm}$ depuis l'ère préindustrielle.
- a) Calculer le rapport $\Delta T/\Delta\text{CO}_2$ pour la période glaciaire–interglaciaire, en $^\circ\text{C}$ pour $100\ \text{ppm}$.
- b) Calculer le même rapport pour la période actuelle.
- c) Interpréter l'écart, en tenant compte de l'inertie de l'océan.
- d) Expliquer pourquoi une corrélation ne prouve pas à elle seule une causalité et comment on conclut sur le rôle du CO$_2$.
Pour répondre à la question du début : les couches de glace sont lues par leur profondeur (âge), leur $\delta^{18}\text{O}$ (température) et leurs bulles (atmosphère passée).