Quaternaire, isotopes de l'oxygène et cycle du carbone
Au pied de la Mer de Glace, des panneaux indiquent où se trouvait la surface du glacier il y a quelques décennies. Mais comment savoir quel temps il faisait il y a 20 000 ans, quand la glace couvrait une grande partie de l'Europe du Nord et des Alpes ? Aucun thermomètre n'existait. Les scientifiques lisent le climat dans des archives naturelles : glace de l'Antarctique, sédiments marins, pollens, roches.
Les archives du climat : δ¹⁸O et pollens
Tu sais déjà que le climat est la moyenne du temps sur plusieurs décennies et que l'effet de serre dépend de gaz comme le CO₂. Ici, on cherche à reconstituer les températures du passé.
L'oxygène existe sous deux isotopes principaux : ¹⁶O (léger, très majoritaire) et ¹⁸O (plus lourd, rare). Les molécules d'eau $\mathrm{H_2^{16}O}$ s'évaporent plus facilement que $\mathrm{H_2^{18}O}$, et les molécules lourdes condensent plus facilement.
Dans la glace polaire
Une masse d'air humide venue de l'océan se refroidit en montant vers les pôles. Elle perd d'abord son eau lourde sous forme de pluie ou de neige. Plus l'air est froid, plus il est appauvri en ¹⁸O quand il arrive sur l'Antarctique. La neige déposée, devenue glace, a donc un δ¹⁸O très négatif.
Glace avec δ¹⁸O plus négatif = température plus basse au moment des chutes de neige. Les bulles d'air piégées dans la glace donnent en plus la teneur en CO₂ de l'atmosphère de l'époque (carotte de Dôme C, plus de 800 000 ans).
Dans les foraminifères
Les foraminifères sont des organismes marins microscopiques à coquille calcaire ($\mathrm{CaCO_3}$). Leur coquille incorpore l'oxygène de l'eau où ils vivent. En période glaciaire, l'eau légère s'évapore, tombe en neige et reste stockée dans les calottes : l'océan s'enrichit en ¹⁸O, donc les coquilles aussi. Leur δ¹⁸O est plus élevé (moins négatif) en période glaciaire.
Les pollens
Dans les tourbières et les sédiments (par exemple dans le Massif central, chaîne des Puys), les pollens se conservent. Les proportions des espèces végétales renseignent sur le climat : herbacées et pins (steppe, toundra) indiquent un climat froid et sec ; chênes, noisetiers, tilleuls indiquent un climat tempéré. Limite : le pollen peut être transporté sur de longues distances, la végétation répond avec retard au climat, et la méthode est locale et ne donne pas de température précise.
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 paramètres de Milankovitch
Le Quaternaire est la période des derniers 2,6 Ma. Les indices (glace, sédiments, pollens, paléoceintures climatiques) convergent pour montrer ces variations du climat. Le réchauffement actuel, d'environ 1 °C en 150 ans, est bien plus rapide que ces variations naturelles. Sur les 800 000 dernières années, les carottes de glace et les sédiments montrent une alternance de périodes glaciaires (environ 100 000 ans) et de courtes périodes interglaciaires (10 000 à 20 000 ans). Le dernier maximum glaciaire date d'environ −20 000 ans ; la dernière glaciation a pris fin vers −11 000 ans. Nous vivons dans un interglaciaire, l'Holocène.
Les causes : variations de l'orbite terrestre
La quantité d'énergie solaire reçue à une latitude donnée dépend de la géométrie de l'orbite de la Terre. Trois paramètres varient lentement :
| Paramètre | Ce qui varie | Période approximative |
|---|---|---|
| Excentricité | forme de l'orbite (plus ou moins elliptique) | environ 100 000 ans |
| Obliquité | inclinaison de l'axe de rotation (22° à 24,5°) | environ 41 000 ans |
| Précession | direction de l'axe, donc saison du passage au plus proche du Soleil | environ 23 000 ans |
Ces cycles de Milankovitch ne changent presque pas l'énergie reçue sur toute la Terre sur un an, mais surtout sa répartition selon la latitude et la saison. Les étés peu ensoleillés aux hautes latitudes de l'hémisphère nord empêchent la neige de fondre : les calottes grandissent.
Un signal faible, amplifié par des rétroactions
L'excentricité fait très peu varier l'insolation, pourtant la périodicité de 100 000 ans domine les glaciations. Le signal orbital est donc amplifié par des rétroactions positives (qui renforcent la variation initiale) :
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Albédo : plus de glace et de neige, donc plus de rayonnement solaire réfléchi vers l'espace, donc refroidissement, 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 (environ 190 ppm en glaciaire contre 280 ppm en interglaciaire), l'effet de serre faiblit, le refroidissement s'accentue.
L'analyse des séries de δ¹⁸O (analyse spectrale) montre des pics de fréquence correspondant aux périodes d'environ 100 000, 41 000 et 23 000 ans : ce qui confirme que les paramètres orbitaux pilotent le rythme des glaciations.
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.
Cycle géologique du carbone et climats anciens
Sur des millions d'années, le CO₂ atmosphérique est réglé par le cycle géologique du carbone.
Réservoirs : atmosphère, océan, biosphère, roches carbonatées (calcaire), roches carbonées (charbon, pétrole), manteau.
Flux entrants dans l'atmosphère : volcanisme et dorsales (dégazage du CO₂), métamorphisme et décarbonatation en zones de subduction, combustion de carbone fossile.
Flux sortants : dissolution du CO₂ dans l'océan, altération des silicates, précipitation de carbonates, enfouissement de matière organique. La photosynthèse et la respiration appartiennent au cycle rapide (biologique) du carbone, qui échange du CO₂ en quelques années avec la biosphère.
L'altération des silicates consomme du CO₂ :
$$\mathrm{CaSiO_3 + 2\,CO_2 + 3\,H_2O \rightarrow Ca^{2+} + 2\,HCO_3^- + H_4SiO_4}$$Les ions $\mathrm{HCO_3^-}$ et $\mathrm{Ca^{2+}}$ gagnent l'océan, où les organismes précipitent $\mathrm{CaCO_3}$ : le carbone est stocké dans les roches sédimentaires.
Exemples de climats passés
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Crétacé (il y a environ 90 Ma) : climat plus chaud de 6 à 10 °C qu'actuellement, pas de calottes polaires. Cause : forte activité des dorsales et du volcanisme, donc beaucoup de CO₂ émis, donc effet de serre renforcé. Indices : fossiles de faune et flore tropicales à hautes latitudes, niveau marin très haut (craie du Bassin parisien, falaises d'Étretat).
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Carbonifère-Permien (environ −300 Ma) : forte glaciation. Cause : développement de forêts, enfouissement massif de matière organique (charbons de Montceau-les-Mines) qui retire du CO₂ de l'atmosphère, donc affaiblissement de l'effet de serre. Indices : tillites (dépôts glaciaires), stries glaciaires, charbons, paléoceintures climatiques.
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Cénozoïque (depuis −65 Ma) : refroidissement progressif. L'orogenèse (collision Inde-Asie, Himalaya) crée des reliefs soumis à l'érosion et à l'altération des silicates, qui consomment du CO₂.
Une boucle de rétroaction stabilisatrice
Plus il fait chaud et humide, plus l'altération des silicates est rapide, plus elle consomme de CO₂, ce qui refroidit : c'est une rétroaction négative, donc stabilisatrice. Mais elle agit sur des millions d'années. Les émissions humaines libèrent en quelques décennies un carbone stocké pendant des millions d'années : le système n'a pas le temps de réagir.
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 résumer : on lit les climats passés dans des archives comme la glace, les coquilles de foraminifères et les pollens, dont les indicateurs concordent avec les cycles orbitaux et le cycle du carbone.
L'essentiel
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Le δ¹⁸O est un traceur de température : dans la glace, plus il est négatif, plus il faisait froid ; dans les foraminifères, plus il est élevé, plus les calottes stockaient d'eau légère (période glaciaire, niveau marin bas).
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Les pollens indiquent la végétation, donc le climat local (limites : transport, retard de réponse).
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Les cycles de Milankovitch (excentricité 100 000 ans, obliquité 41 000 ans, précession 23 000 ans) déclenchent les alternances glaciaire-interglaciaire.
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Les rétroactions positives (albédo, CO₂ dissous dans l'océan) amplifient un faible signal orbital ; une corrélation CO₂-température ne prouve pas à elle seule une causalité.
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À long terme, le cycle géologique du carbone règle le CO₂ : volcanisme (source), altération des silicates et enfouissement de matière organique (puits).
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L'altération des silicates est une rétroaction négative lente (millions d'années), incapable de compenser les émissions humaines actuelles.