Comment reconstruire les variations climatiques passées ?
L’eau, sous toutes ses formes (océan, vapeur, pluie, glace) est constituée de deux atomes d’Hydrogène et d’un atome d’Oxygène (formule: H20). L’Oxygène,lui, possède 17 isotopes dont seulement 3 sont stables: l’16O, le 17O et l’18O. L’eau, est composée essentiellement à partir de deux de ces isotopes stables : l’16O (99%) et l’18O (0,2%).
Les molécules d’H216O sont plus légères que les molécules d’H218O Ainsi, dans le cycle hydrologique, en fonction de ces changements de phase (liquide/vapeur/glace) et des processus de transport l’affectant, l’eau va être plus ou moins enrichie ou appauvrie en 16O et 18O. On parle de fractionnement isotopique.
Le rapport isotopique 18O/16O est mesuré dans les glaces et dans des coquilles carbonatées d’organismes vivant dans l’eau par spectromètrie de masse. Il permet de reconstituer les fluctuations climatiques passées.
Le fractionnement isotopique de l'Oxygène dans l'eau:
Dans l’eau de mer, la molécule H216O , plus légère que la molécule H218O , s’évapore plus rapidement.
Cette vapeur formée au-dessus des océans, principalement dans les régions tropicales les plus chaudes, est dite appauvrie en H218O par rapport à l’eau de mer.
Cette vapeur d’eau, transportée des basses vers les hautes latitudes et des océans vers les continents va connaître plusieurs phases de condensation. Lors de ces phases, les précipitations sont enrichies en molécules H218O, plus lourdes, par rapport à la vapeur qui continue à s’appauvrir. Mais avec l’appauvrissement continu de la vapeur, les précipitations sont elles mêmes, de plus en plus appauvries.
Le déficit en 18O est exprimé en δ 18O, en référence à une composition standard proche de celle de l’océan mondial. Le δ 18O est exprimé en %0 (pour mille).
Le "thermomètre isotopique":
Il existe une relation linéaire entre les valeurs de δ18O des précipitations actuelles (sous forme de neige aux pôles) et la moyenne annuelle des températures.
C’est sur cette corrélation que ce base le « thermomètre isotopique » : plus il les températures sont basses, plus les précipitations sont appauvries en 18O.
En effet, comme expliqué précédemment, les condensations successives des masses d’air lors de leur transport depuis les régions tropicales chaudes vers les continents et les hautes altitudes plus froides, les appauvrissent en 18O.
Relation entre volume de glaces polaires et δ18O des océans et des glaces.
Du fait de l’appauvrissement progressif en 18O des masses d’air et des précipitations, la glace des calottes polaires est toujours appauvrie par rapport à l’océan. Les valeurs de δ18O dans les glaces des calottes sont d’environ -40 ‰.
Or, la quantité totale dans les océans et dans les calottes de H218O est constante. Ainsi, à un temps donné, plus les calottes de glaces sont importantes, plus l’eau de mer est concentrée en H218O .
Le volume des calottes et le δ18O de la mer varient donc proportionnellement.
Ainsi , en période glaciaire, le refroidissement du climat et donc des températures diminue le δ18O des glaces alors que que le δ18O des océans augmente.
La reconstruction des variations de ces δ18O (dans les glaces et les sédiments marins) montre une très bonne corrélation sur les derniers millions d’années.
Modifié d’après Hannes Grobe, Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research, Creative Commons CC-BY-SA-2.5.
Relation entre δ18O des océans et δ18O des Foraminifères benthiques.
Les Foraminifères benthiques sont des Protozoaires qui vivent au fond des océans et synthétisent une coquille carbonatée (un test) dont la composition isotopique dépend de la température de l’eau et du δ18O de l’eau. Or, à grande profondeur d’eau, la température varie peu Comme la température de l’eau est varie peu. Ainsi les valeurs du δ18O des tests dépendent uniquement de celles de l’eau.
Le test des Foraminifères benthiques aura une valeur de δ18O supérieur de 3 ‰ environ à celui de l’eau.
Il existe donc également une relation entre les valeurs de δ18O des tests de Foraminifères benthiques et le volume de glaces polaires.
Par conséquent, il est possible à partir de l’analyse des carottes de sédiments carbonatés marins, d’estimer le volume des glaces sur les derniers millions d’années.
Les valeurs de δ18O ont ainsi été analysées le long de carottes obtenues dans des forages des calottes glaciaires de l’Antarctique et du Groenland ainsi que dans des carottes sédimentaires. Grâce a la correspondance entre les températures et les valeurs de δ18O, il a été possible de reconstruire les variations du climat dans le temps.
Reconstruction paléoclimatique des derniers 5Ma basée sur l’analyse isotopique de l’Oxygène et servant comme proxy pour le volume de glace total) Source: Wikipédia, modifié par Robert A. Rohde à partir de Lisiecki and Raymo (2005)