Climats passés : isotopes et carottes de glace
Dans les glaces de l'Antarctique, on a prélevé des cylindres de glace de plus de 3 000 m de long. Comment peut-on, à partir d'un simple morceau de glace, savoir quelle température il faisait il y a 100 000 ans, et ce que contenait l'air de l'époque ?
Les carottes de glace, archives du climat
En Antarctique et au Groenland, la neige ne fond pas : elle s'accumule année après année. Chaque couche est écrasée par les suivantes et se transforme peu à peu en glace. Dans cette glace restent piégées de minuscules bulles d'air, qui sont des échantillons de l'atmosphère de l'époque.
Une carotte de glace est un cylindre prélevé par forage. La glace la plus profonde est la plus ancienne, comme les pages d'un livre empilées : la dernière couche tombée est au-dessus.
On date la glace de plusieurs façons : en comptant les couches annuelles près de la surface, ou en repérant des événements datés (cendres d'une éruption volcanique). En profondeur, la glace est comprimée : les couches deviennent de plus en plus fines, donc l'épaisseur par année n'est pas constante.
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.
Les isotopes de l'oxygène : un thermomètre
L'oxygène existe sous deux formes stables : $^{16}\text{O}$ (la plus courante) et $^{18}\text{O}$ (plus lourde). Les molécules d'eau $\text{H}_2{}^{18}\text{O}$, plus lourdes, s'évaporent un peu moins facilement et se condensent un peu plus facilement que $\text{H}_2{}^{16}\text{O}$.
Quand une masse d'air voyage de l'océan vers les pôles, elle se refroidit et perd d'abord les molécules lourdes par précipitations. La neige tombée aux pôles est donc appauvrie en $^{18}\text{O}$, et d'autant plus que la température était basse.
On mesure le rapport $R = \dfrac{^{18}\text{O}}{^{16}\text{O}}$ et on le compare à une référence :
Pour les glaces polaires : plus le $\delta^{18}\text{O}$ est négatif, plus il faisait froid. Une couche à $-42$ ‰ est donc plus froide qu'une couche à $-35$ ‰ : elle date plutôt d'une période glaciaire, alors que $-35$ ‰ correspond à une période interglaciaire (chaude, comme aujourd'hui).
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.
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.
De la mesure à la température
Pour passer du $\delta^{18}\text{O}$ à la température, on utilise une relation empirique obtenue en comparant des mesures actuelles de température et de $\delta^{18}\text{O}$ en un lieu donné. Elle est affine :
$$\delta^{18}\text{O} = a\,T + b$$Pour une variation, la constante $b$ disparaît : $\Delta\delta^{18}\text{O} = 0{,}65\,\Delta T$.
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.
Un second enregistrement : les foraminifères
Dans l'océan, des organismes à coquille calcaire (les foraminifères) fabriquent leur coquille avec l'oxygène de l'eau de mer. À leur mort, ils tombent au fond et s'accumulent dans les sédiments : le $\delta^{18}\text{O}$ de ces carbonates est une autre archive.
En période glaciaire, l'eau évaporée, appauvrie en $^{18}\text{O}$, est piégée sous forme de glace dans les calottes. L'eau de mer restante est donc enrichie en $^{18}\text{O}$, et les coquilles aussi : leur $\delta^{18}\text{O}$ augmente. Dans la glace polaire, il diminue.
| Archive | Période glaciaire | Période interglaciaire |
|---|---|---|
| Glace polaire | $\delta^{18}\text{O}$ très négatif | moins négatif |
| Coquilles marines | $\delta^{18}\text{O}$ élevé | plus faible |
Les deux enregistrements varient en sens inverse mais racontent la même histoire : on peut les recouper. De plus, le $\delta^{18}\text{O}$ des coquilles dépend aussi de la température de l'eau où elles se sont formées, et de la quantité de glace sur les continents.
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.
Le CO₂ du passé et le réchauffement actuel
Les bulles d'air donnent directement la concentration en dioxyde de carbone de l'atmosphère passée, en ppm (parties par million). Sur 800 000 ans, elle oscille entre environ 190 ppm (périodes glaciaires) et 280 ppm (périodes interglaciaires), en suivant la température : les deux courbes sont corrélées.
Le dépassement (140 ppm) est bien supérieur à l'amplitude naturelle (90 ppm), et il s'est produit en moins de deux siècles, au lieu de milliers d'années : c'est ce qui rend l'évolution actuelle exceptionnelle.
Rapport température / CO₂
On peut comparer, à titre indicatif, les deux rapports $\Delta T/\Delta\text{CO}_2$ : naturel, $6/90\times100\approx 6{,}7\,^\circ\text{C}$ pour 100 ppm ; actuel, $1{,}2/140\times100\approx 0{,}86\,^\circ\text{C}$ pour 100 ppm. Cette comparaison reste illustrative : lors des cycles glaciaires, le CO₂ n'est pas la seule cause du réchauffement de 6 °C (il agit avec d'autres facteurs, comme les variations orbitales et l'albédo). De plus, le réchauffement naturel s'est étalé sur des milliers d'années, alors que la hausse actuelle date de moins de deux siècles : l'inertie de l'océan fait que le réchauffement observé n'a pas encore atteint l'équilibre avec le CO₂ déjà émis.
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$_2$.
L'essentiel
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Une carotte de glace est une archive : plus la glace est profonde, plus elle est ancienne ; les bulles d'air donnent la composition de l'atmosphère passée (CO₂ en ppm).
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$\delta^{18}\text{O}=\left(\dfrac{R_{\text{éch}}}{R_{\text{réf}}}-1\right)\times1\,000$ : dans les glaces polaires, plus il est négatif, plus il faisait froid.
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Une relation affine $\delta^{18}\text{O}=aT+b$ permet de calculer $T$ ; pour une variation, $\Delta\delta^{18}\text{O}=a\,\Delta T$. Elle a des limites de validité.
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Les carbonates marins varient en sens inverse de la glace polaire : les deux archives se complètent.
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Sur 800 000 ans, le CO₂ reste entre 190 et 280 ppm ; la valeur actuelle (420 ppm) et la vitesse de variation sont exceptionnelles.
Retour au début : c'est la composition isotopique de la glace et les bulles d'air qui permettent de lire la température et le CO₂ d'il y a des centaines de milliers d'années.