Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

1 : Qu’est-ce qu’un isotope ? Des isotopes sont des atomes du même élément chimique qui ne diffèrent que par le nombre de neutrons de leur noyau Deux isotopes n’ont pas la même masse atomique Des isotopes possèdent les mêmes propriétés chimiques mais des propriétés physiques différentes L’oxygène O possède 3 isotopes différents : O16 O17 O18 + léger 98.7 % du total + lourd 0.2 % du total 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

2 : Rapport isotopique Le rapport O18/O16 actuel moyen de l’eau de mer H2O est de 1/500 soit 2.10-3 On constate que, dans les glaces des calottes polaires, ce rapport est systématiquement légèrement plus faible (O18/O16)glace = 1,96.10-3 Cela signifie qu’il existe un processus naturel qui conduit à un fractionnement de ce rapport Cela est lié à une différence de propriétés physiques entre ces 2 isotopes de l’oxygène 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

(O18/O16)eau > (O18/O16)glace Evaporation-dépôt 3 1 2 Cellule de convection Océan Calotte 60° N 90° N 1 : Lors de l’évaporation, la vapeur d’eau concentre plus d’O16 léger dans l’air 2 : Les précipitations entraînent prioritairement l’O18 lourd qui retourne alors dans l’océan 3 : Le dépôt de neige au pôle concentre plus d’O16 léger dans la glace 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

Dans les périodes froides, on va globalement favoriser le dépôt de neige et sa compaction en glace, que ce soit aux pôles ou dans les glaciers de montagne On va alors appauvrir le réservoir d’eau océanique en O16 en stockant de plus en plus cet isotope dans les neiges et les glaces polaires Pour traduire ces variations, on va étudier les glaces, en remontant le temps à mesure que l’on regarde profondément, en forant des carottes dans les calottes polaires 800000 ans en Antarctique 250000 ans au Groenland 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

3 : Etude du rapport isotopique de l’oxygène dans les glaces On ne compare pas directement entre eux les rapports isotopiques des différentes carottes, car les variations observées ne pourraient pas être généralisées ; elles seraient uniquement valables entre les carottes étudiées On observe leurs variations relativement à un standard, auquel on peut comparer n’importe quelle carotte Le standard est l’eau de mer actuelle SMOW : Standard Mean Oceanic Water 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

La variation  du rapport isotopique d’un échantillon de glace quelconque est O18 : Avec (O18/O16)SMOW = 2.10-3 Exemple : Quel est le O18 d’un échantillon de glace de l’Antarctique pour lequel (O18/O16)glace = 1,96.10-3 ? 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

Solution : 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

Plus on se rapproche du pôle, plus la neige est concentrée en O16 O18 de la glace varie en fonction de la température et donc, pour un temps donné, de la distance au pôle O18 O16 T° diminue 60° N 90° N O18 diminue Plus on se rapproche du pôle, plus la neige est concentrée en O16 Cela est valable pour le passé : plus la température diminue, plus on concentre l’air en O16 vers les pôles et plus O18 de la glace diminue vers les pôles Lorsque la température augmente, la tendance s’inverse 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

Lorsque la température diminue Pour l’eau océanique, l’évolution est inversée : O16 est stocké aux pôles sous forme de glace Lorsque la température diminue La concentration en O16 diminue dans l’eau O18 augmente dans l’eau La glace fond Lorsque la température augmente On restitue de l’O16 donc la concentration en O16 augmente dans l’eau O18 diminue dans l’eau 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

Pour résumer : - O16 dépôt T° augmente + O16 O16 T° diminue Océan Calotte 90° N - O16 dépôt + O16 Fusion Pour résumer : T° augmente Océan Calotte 90° N O16 T° diminue Océan Calotte 90° N + O16 dépôt - O16 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

O18 de la glace diminue quand la température diminue et augmente quand la température augmente O18 de l’eau océanique augmente quand la température diminue et diminue quand la température augmente L’étude des carottes de glace peut être corrélée à l’étude des sédiments océaniques 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

4 : Le traçage des O18 des eaux anciennes Le SMOW est un standard basé sur le rapport isotopique de l’oxygène dans l’eau océanique actuelle Ce rapport isotopique a varié dans l’eau océanique au cours du temps Est-il possible de trouver la trace d’eaux océaniques anciennes pour mesurer directement le O18 et en déduire la température à une époque donnée ? Le traçage par l’analyse de l’eau contenue dans les sédiments anciens est possible mais se heurte à des problèmes de mélanges dus aux échanges par percolation entre et à travers les pores 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

Un traçage plus fiable est celui des carbonates qui précipitent dans l’eau de mer en fossilisant la composition isotopique en oxygène de cette eau ion dissous solide gaz dissous liquide S’il n’y a pas par la suite de dissolution des carbonates, le rapport isotopique de l’eau au moment de la précipitation est conservé de manière fiable On utilise préférentiellement l’analyse de restes d’animaux marins qui construisent leurs coquilles en CaCO3 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

Les animaux les plus souvent utilisés pour ce genre d’études sont les foraminifères Ce sont des protozoaires (animaux unicellulaires) marins, souvent microscopiques, dont la cellule est entourée d’une capsule calcaire, le test, perforée de minuscules orifices à travers lesquels les pseudopodes peuvent sortir pour se fixer ou se déplacer Test 200 µm Pseudopodes 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

L’intérêt de s’intéresser aux foraminifères est double : Les foraminifères sont très abondants dans toutes les mers du monde, que ce soit dans les eaux de surface (pelagos) ou au fond de l’eau (benthos) La probabilité d’en trouver dans un forage océanique est donc grande Les foraminifères sont très diversifiés et possèdent des lignées évolutives très bien identifiées par les paléontologues Ce sont donc d’excellents chronomètres car à chaque époque correspond un type de foraminifères Le principe de la méthode est basé sur l’analyse du rapport O18/O16 des tests de foraminifères à différentes profondeurs de sédiments océaniques forés le long d’une carotte 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

! 5 : Exemple de la carotte V28-238 prélevée dans le Pacifique L’étude de cette carotte est très riche en enseignements ! L’échelle de O18 est inversée On remonte dans le temps en descendant le long de la carotte 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

On remarque que les foraminifères actuels ont un O18 négatif Normalement, O18 des foraminifères actuels devrait être nul car on devrait avoir (O18/O16)foraminifères = 2.10-3 Si O18 est négatif, cela signifie que la cristallisation de CaCO3 pour former le test calcaire des foraminifères concentre du O16 au dépend du O18 Processus de fractionnement ! O18 des foraminifères est plus faible que celui de la mer La tendance d’évolution du O18 des foraminifères va suivre celle de la mer 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

(Donau, Günz, Mindell, Riss, Würm) On remarque que O18 des foraminifères varie en remontant dans le temps Cela signifie que la température a considérablement varié (baissé puis remonté) sur le dernier 1 Ma On observe un certain nombre de cycles à 100 ka, en particulier 5 dans les derniers 500 ka Ici identifiés sur une carotte de sédiments marins du Pacifique, ils correspondent aux grandes périodes glaciaires identifiées en Europe Centrale et dans les Alpes autrichiennes (Donau, Günz, Mindell, Riss, Würm) 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

Contribution de l’effet de serre à courte période ??!! On remarque que les minima de O18 des foraminifères (pics les plus faibles) tendent à diminuer quand on remonte les derniers 900 ka de –2 à –2,5 Cela signifie que , depuis 900 ka, le stock global de glace ne cesse de diminuer (ou qu’il n’est pas suffisamment renouvelé après chaque épisode glaciaire) La température globale de la planète ne cesse d’augmenter depuis 900 ka Contribution de l’effet de serre à courte période ??!! 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

6 : Calcul des paléotempératures En plus des tendances de l’océan global (et donc l’enregistrement des volumes de glace polaire), le O18 des foraminifères planctoniques (pélagiques) permet aussi de calculer les variations de la température des eaux de surface (dépendante de la température de l’air) de leur environnement de vie, même loin des pôles (Pacifique, Caraïbes…) Pour cela, on utilise la formule empirique suivante : 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

Le fond des océans reste à une température comprise entre 4°C et 5°C Pour déterminer les variations du O18 de l’eau, on utilise le O18 des foraminifères benthiques En effet, ceux-ci vivent au fond des océans qui est très peu sensible aux variations de température de la surface Le fond des océans reste à une température comprise entre 4°C et 5°C Ainsi, entre un interglaciaire (chaud) et une période glaciaire (froide), la plage de variation du O18 des foraminifères benthiques est de 0,4 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

7 : Exemple de la carotte V12-22 prélevée dans les Caraïbes Exemple : Quelle est la température des eaux de surface dans les Caraïbes en période interglaciaire, comme actuellement ? O18foraminifères = -2,1 O18eau = 0 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

Solution : Exemple : Quelle était la température des eaux de surface dans les Caraïbes en période glaciaire ? O18foraminifères = -0,6 O18eau = 0,4 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

Solution : On constate donc une chute d’environ 5°C de la température des eaux de surface des Caraïbes entre les périodes interglaciaires et les périodes glaciaires 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

8 : Les périodes de variations climatiques Sur les carottes des Caraïbes, on remarque également des périodes de l’ordre de 40 à 50 ka Sur les carottes du Pacifique, on a constaté une périodicité de l’ordre de 100 ka 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue

Sur les carottes de l’Antarctique, on remonte sur des périodes de temps plus limitées On constate une période de l’ordre de 20 ka, avec en particulier une forte remontée du O18glace sur les derniers 20 ka Ainsi, malgré les discours alarmistes sur les conséquences de l’effet de serre liées à l’activité anthropique, la planète est dans un cycle de réchauffement et donc de remontée du niveau marin depuis environ 20000 ans… 2 : Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène Planète bleue