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Utiliser les indices de terrain et les données du laboratoire pour comprendre l'évolution du climat

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Objectifs

Connaitre et savoir interpréter les indices des variations climatiques.
Savoir restituer les variations climatiques passées.
Comprendre les outils nécessaires pour appréhender les enjeux climatiques contemporains.

Points clés

Les paléoclimatologues disposent de nombreux indices pour étudier les variations climatiques du passé.
La glaciologie analyse :
- les roches véhiculées par les glaciers ;
- les teneurs en gaz atmosphériques et les rapports isotopiques de l’oxygène et de l'hydrogène dans les carottes de glace.
Les tests des foraminifères sont des indices paléoécologiques qui révèlent les rapports isotopiques emprisonnés dans l’eau de mer.
L’étude de la palynologie dans les lacs et tourbières met en évidence des changements climatiques majeurs.
Tous les résultats sont corrélés : la planète a subi des alternances de périodes froides et chaudes.

Pour bien comprendre

L’étude des paysages actuels permet de comprendre les mécanismes de leur évolution, le caractère inexorable de l’érosion et l’importance des mécanismes sédimentaires.
→ Fiches : Évolution d’un paysage sous l’action de l’eau ; Les roches sédimentaires, archives des paysages anciens (Enseignement de SVT de 2^de)
La Terre reçoit l’essentiel de son énergie du Soleil. Cette énergie conditionne la température de surface de la Terre et détermine climats et saisons.
→ Fiche : Le rayonnement solaire (Enseignement scientifique de 1^re)
On appelle isotopes (d'un certain élément chimique) les nucléides partageant le même nombre de protons, mais ayant un nombre de neutrons différent.
→ Fiche : Identifier des isotopes (Enseignement de physique-Chimie de 2^de)

1. Les glaces polaires ou l'apport de la glaciologie

a. Les teneurs en gaz dans les glaces

La neige est un ensemble de cristaux de glace. Lorsqu'ils s’empilent, les cristaux se transforment et vont donner de la glace compacte. En se compactant, ils piègent de l'air et des bulles qui vont se retrouver inclus dans la glace.

Au fil des années, la glace se dispose en couches successives qu'il est possible d'analyser grâce aux forages dans les calottes polaires et les glaciers. Chaque couche de glace renseigne sur les conditions de l’époque de sa formation.

L'analyse des bulles d'air renseigne sur la teneur en oxygène (O₂), en dioxyde de carbone (CO₂) et en méthane (CH₄) de l’atmosphère de l’époque.

Le dioxyde de carbone et le méthane étant des gaz à effet de serre, la baisse de leur teneur en ppm (parties par million) ou ppb (partie par billion) indique un refroidissement.

On remarque sur le graphique ci-dessus une baisse des teneurs en CO₂ et en CH₄ entre –120 000 et –20 000 ans, signe d’un refroidissement majeur à cette époque.

b. Les rapports isotopiques dans les glaces

L'analyse des molécules H₂O constituant la glace est aussi effectuée.

L'eau étant composée d'hydrogène et d'oxygène, on s'intéresse à leurs isotopes : le deutérium (²H ou D) et l’oxygène lourd (¹⁸O).

Concernant l'oxygène, c'est le rapport isotopique ¹⁸O/¹⁶O qui est étudié.

Concernant l’hydrogène, c’est le rapport D/¹H qui est étudié.

Les variations de températures sont déduites de ces rapports (c’est-à-dire de la composition isotopique de la glace).

La corrélation entre la température et la composition isotopique de la glace est indiquée dans le graphique ci-dessous.

Des mesures réalisées en Terre Adélie et au Groenland ont montré que la proportion d'oxygène lourd dans les chutes de neige actuelles diminue avec la température.

On trouve une corrélation directe et proportionnelle entre le rapport ¹⁸O/¹⁶O et la température. On parle donc de paléothermomètre.

Plus il fait froid, plus le rapport ¹⁸O/¹⁶O est faible dans la glace, et inversement (et c'est le même constat en Terre Adélie pour le rapport D/¹H).

On utilise cette propriété pour étudier les températures du passé, en partant du principe que la corrélation était la même dans le passé.

C’est ce qu’on appelle le principe d’actualisme.

L'analyse de carottes de glace à différentes profondeurs permet donc de mettre en évidence les variations locales des températures du passé.

Exemple

La baisse de la teneur en deutérium nous permet ici de retrouver le refroidissement majeur qui a eu lieu de –120 000 à –20 000 ans.

c. Les moraines ou tills

Une moraine est un amas de débris rocheux, de galets, de blocs, qui ont été érodés et véhiculés par un glacier ou une nappe de glace.

Les moraines sont constituées des matériaux que le glacier reçoit en surface mais sont également le produit du travail de broyage et de transport même du glacier.

La fonte et le retrait du glacier permettent un dépôt de ces roches, qui deviennent alors les témoins des conditions climatiques glaciaires de l’époque.

Exemple

« Le gros caillou » à Lyon,
témoin de la glaciation de Riss
@iStock

« Le gros caillou », un des symboles du quartier de la Croix-Rousse à Lyon, a été déplacé par le glacier du Rhône pendant la glaciation de Riss. Cette glaciation, qui s’étend de –300 000 à –130 000 ans, serait l’avant-dernier grand âge glaciaire de la période du quaternaire.

2. Les sédiments océaniques ou l'apport de l'étude des foraminifères

Les sédiments océaniques contiennent des restes d'animaux et de végétaux qui se sont déposés sur le fond.

a. Le sens d'enroulement des tests

Les foraminifères sont des organismes unicellulaires vivant dans les océans. Ils fabriquent un test calcaire, c'est-à-dire une coquille formée de carbonate de calcium. Ce test tombe dans les sédiments océaniques à la mort de l'individu, et peut être retrouvé après lavage et tamisage des boues marines, puis analysé.

Micrographie à balayage électronique d'un test de foraminifère fracturé.
@Science Photo Library

L’enroulement de la coquille peut être vers la droite (dextre) ou vers la gauche (senestre), selon les conditions de sa formation, et en particulier selon la température de l'eau de mer.

Neogloboquadrina pachyderma, par exemple, a un enroulement de test vers la droite lorsque l’eau se réchauffe.

Le sens d’enroulement des foraminifères renseigne donc sur la température de l'eau de mer à l’époque de leur formation.

b. Les rapports isotopiques dans les tests des foraminifères

Les tests des foraminifères enregistrent également le rapport ¹⁸O/¹⁶O de l’eau de mer au moment de leur formation.

En période de glaciation, il y a un déséquilibre : le volume de l'océan baisse et le taux d'¹⁸O dans l'eau de mer augmente.

Plus il fait froid, plus le volume de glace sur les continents est élevé et plus le rapport ¹⁸O/¹⁶O mesurés dans les mers, et donc dans les tests, augmente.

Les forages dans les sédiments permettent d'étudier les variations du rapport ¹⁸O/¹⁶O de l'eau de mer enregistrées dans les tests des foraminifères au cours du temps.

Ces variations sont directement en lien avec la température et permettent de la déterminer.

Les résultats obtenus à partir de l'analyse des glaces et des sédiments océaniques sont parfaitement corrélés.

3. Les sédiments continentaux lacustres ou l'apport de la palynologie

L'accumulation des sédiments au fond des lacs peut renseigner sur les variations climatiques.

Les sédiments des lacs et tourbières contiennent des indices précieux : des pollens et spores qui ont été conservés.

Ces cellules reproductrices sont très résistantes et peuvent se fossiliser si elles sont sur un support appauvri en oxygène, comme les sédiments.

Leur analyse permet d'établir un spectre pollinique avec des indications sur les végétaux dont ils sont issus car ils sont caractéristiques de l'espèce végétale qui les produit, et des indications sur la végétation environnante car les végétaux sont directement dépendants du climat.

Au cours des périodes froides, c'est une flore riche en graminées qui prolifère, tandis qu'en période chaude, ce sont les arbres et forêts qui dominent.

Exemple : Étude des pollens de la tourbière de Chirens

L’étude des pollens de la tourbière de Chirens permet d’établir un réchauffement climatique survenu entre –14 600 et –13 400 ans, au Dryas moyen.