Exercices: Climats passés : isotopes et carottes de glace

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.

1. a) Expliquer ce que permet d'étudier l'air contenu dans ces bulles.
2. b) Expliquer pourquoi la glace la plus profonde est la plus ancienne.
3. c) Calculer la profondeur moyenne par millier d'années si la carotte couvre $800\,000$ ans (en $\text{m}$ par millier d'années).

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 $R=\dfrac{^{18}\text{O}}{^{16}\text{O}}$.

1. a) Calculer $\delta^{18}\text{O}$ pour $R_{\text{éch}}=0{,}001\,92$ et $R_{\text{réf}}=0{,}002\,00$.
2. b) Dire si l'échantillon est appauvri ou enrichi en $^{18}\text{O}$ par rapport à la référence.

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).

1. a) Deux couches ont pour $\delta^{18}\text{O}$ : $-42\ ‰$ et $-35\ ‰$. Laquelle correspond à la période la plus froide ?
2. 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 ‰).

1. a) Calculer $\delta^{18}\text{O}$ pour $T=-30\ ^\circ\text{C}$.
2. b) Déterminer la température pour $\delta^{18}\text{O}=-50\ ‰$.
3. c) Calculer la variation de température correspondant à une variation de $\delta^{18}\text{O}$ de $6{,}5\ ‰$.

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 $420\ \text{ppm}$.

1. a) Calculer l'amplitude glaciaire–interglaciaire.
2. b) Calculer de combien la concentration actuelle dépasse le maximum naturel, en ppm et en pourcentage de ce maximum.
3. c) Expliquer en une phrase en quoi cette comparaison montre le caractère exceptionnel de l'évolution actuelle.

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.

1. a) Calculer l'écart d'âge (la durée) entre les profondeurs $500\ \text{m}$ et $520\ \text{m}$.
2. b) Expliquer pourquoi l'hypothèse d'épaisseur constante devient fausse en profondeur.

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 $\delta^{18}\text{O}=0{,}65\,T-14$.

1. a) Calculer les températures correspondantes.
2. b) Calculer la variation de température entre le dernier maximum glaciaire et aujourd'hui.
3. 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.
4. d) Discuter la validité de la relation utilisée.

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.

1. a) Expliquer pourquoi le $\delta^{18}\text{O}$ des carbonates marins augmente en période glaciaire.
2. b) Expliquer pourquoi le $\delta^{18}\text{O}$ de la glace polaire diminue à la même période.
3. c) Expliquer pourquoi ces deux enregistrements sont complémentaires.
4. d) Indiquer un autre facteur influençant le $\delta^{18}\text{O}$ des coquilles.

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.

1. a) Calculer le rapport $\Delta T/\Delta\text{CO}_2$ pour la période glaciaire–interglaciaire, en $^\circ\text{C}$ pour $100\ \text{ppm}$.
2. b) Calculer le même rapport pour la période actuelle.
3. c) Interpréter l'écart, en tenant compte de l'inertie de l'océan.
4. d) Expliquer pourquoi une corrélation ne prouve pas à elle seule une causalité et comment on conclut sur le rôle du CO$_2$.