Des carottes glaciaires pour sonder le climat du passé

Les glaces des pôles nous fournissent de précieuses informations sur les variations climatiques qui ont eu lieu dans le passé. Comment ces informations sont-elles exploitées? Pourquoi risquent-elles d'être perdues?

Banque de glace

Banque de carottes de glace au National Ice Core Lab à Denver aux États-Unis. (Image: Wikimedia commons, domaine public)

Météo d’aujourd’hui et d’antan

Chaque jour, les stations météorologiques mesurent des variables atmosphériques (température de l’air, pression atmosphérique, humidité de l’air, vitesse des vents, précipitations, etc) qui sont analysées pour être diffusées dans les bulletins météo. La météorologie s’intéresse donc à l’état de l’atmosphère à court terme, en un endroit donné et en un temps donné. L’analyse statistique des données météorologiques sur plusieurs décennies offre une vue d’ensemble sur les conditions atmosphériques globales; on parle alors de climatologie. La paléoclimatologie quant à elle s’intéresse à l’évolution des caractéristiques climatiques sur plusieurs milliers voire millions d’années.

Des archives du climat figées dans la glace

Une manière de trouver des témoins du climat passé c’est de creuser dans les glaces polaires. Les calottes polaires sont formées par les couches de neige qui, année après année, s’accumulent et se transforment en glace. Au cours de leur formation, les glaces emprisonnent des bulles d’air, des sédiments, des roches et certaines substances radioactives. Toutes ces particules sont conservées de manière intacte par la glace; elles reflètent les caractéristiques atmosphériques et environnementales de l’ère à laquelle elles ont été piégées. La glace des pôles contient donc quantité d’archives du climat passé!

Carotte de glace

Carotte de glace fraîchement coupée provenant du forage EastGRIP au Groenland. (Image: Helle Astrid Kjær /Wikimedia Commons, licence CC)

Sonder la glace

Les calottes polaires du Groenland et de l’Antarctique constituent la majeure partie de la cryosphère et représentent plus de 90 % du volume d’eau douce de la planète. Les couches superficielles des calottes polaires correspondent aux couches les plus récentes et les couches profondes aux plus anciennes. Ainsi, plus la glace est profonde et plus elle offre la possibilité de remonter loin dans le passé.

Grâce aux techniques de forage, les glaciologues peuvent prélever, sur plusieurs milliers de mètres d’épaisseur de glace, de longs cylindres qu'on appelle carottes.

Carotte de glace de 1m de long

En haut, une carotte d'une longueur de 1 mètre (qui représente environ 38 années). Elle provient d'une profondeur de 1837 m, ce qui la date à il y a 16'250 ans (la fin de la dernière ère glaciaire). On voit les stries correspondant aux étés et hivers consécutifs. Sur la portion d’image agrandie, on distingue les bulles de gaz emprisonnées. (Image modifiée de: Ice core laboratory//Wikimedia commons, domaine public)

Lorsqu’on analyse une carotte de glace on observe une alternance visuelle entre les couches sombres qui correspondent aux étés et les couches claires qui correspondent aux hivers. Les carottes de glace offrent donc une échelle de datation relativement précise. Mais plus on prélève profondément dans la couche de glace, moins la datation est précise à cause du fort tassement de la glace qui brouille la différenciation saisonnière.
La composition des gaz et les poussières piégés dans ces échantillons de glace et leurs concentrations, nous informent sur les causes de leurs variations dans l’atmosphère. Cela peut-être des isotopes d'oxygène, (ci-dessous sur le thermomètre isotopique), des gaz à effet de serre (dioxyde de carbone CO2 et méthane CH4). Ces informations sont corrélées à des modèles de l’état des océans, des variations de l’activité solaire et des éruptions volcaniques à une période donnée.

Analyses des données du forage de Vostok sur 400'000 ans

L'analyse de la température et de la concentration de gaz à effet de serre. Les concentrations en ppmv et ppbv sont relatives au volume. (Image: J.-M Barnola)

A la recherche du temps passé

Le forage de Vostok en Antarctique, débuté en 1998, (à plus de 2600 mètres de profondeur) donne accès à des glaces vieilles de 420 milliers d’années. Les analyses de Vostok ont permis d’établir une corrélation directe entre les concentrations de gaz à effet de serre et la variation des températures à la surface du globe. Dans le graphique ci-contre, on voit qu’au cours des 400'000 dernières années, il y a une relation directe entre les concentrations de gaz carbonique, de méthane, et les variations de température. En clair, plus la concentration de gaz à effet de serre augmente, plus la température augmente. Depuis 1960 on observe que la concentration de CO2 a explosé à cause des activités humaines.

Une mémoire menacée

Les informations contenues dans la glace contribuent à mieux comprendre les mécanismes qui régulent le climat terrestre. Cependant nous observons aujourd’hui une forte accélération de la fonte des calottes polaires et des glaciers. En plus des conséquences environnementales, humaines, et économiques que nous connaissons, la fonte des glaces menace la mémoire climatique emprisonnée dans les glaces. Pour conserver ces archives, les glaciologues ont amorcé des campagnes de forage pour constituer une banque mondiale d’échantillons de glace.

Le thermomètre isotopique

Comment déterminer les températures du passé à partir de carottes glaciaires? En analysant les isotopes d’oxygène présents dans la glace. Dans la nature, l’oxygène existe sous les formes isotopiques 16O (99,76 %), 17O (0.04 %) et 18O (0.20 %). L’oxygène 16O contient 8 protons et 8 neutrons dans son noyau. L’isotope 18O qui contient dans son noyau 8 protons et 10 neutrons est plus lourd, il nécessite plus d’énergie pour s’évaporer et pour se retrouver emprisonné dans les glaces des pôles. Donc une glace riche en 18O correspond à une période chaude et une glace pauvre en 18O correspond à une période plus froide. C’est le principe du thermomètre isotopique.

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