Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène

Planète bleue2 : Enregistrement des variations

climatiques par les isotopes de l’oxygène

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

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 O18O17

+ léger

98.7 % du total

+ lourd

0.2 % du total

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

2 : Rapport isotopiqueLe 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

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

(O18/O16)eau > (O18/O16)glace

Evaporation-dépôt

60° N Océan Calotte 90° N

1 2 3

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

Cellule de convectio

n

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

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

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

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

Le standard est l’eau de mer actuelle

SMOW : Standard Mean Oceanic Water

On observe leurs variations relativement à un standard, auquel on peut comparer n’importe quelle

carotte

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

La variation du rapport isotopique d’un échantillon de glace quelconque est O18 :

18 18

16 1618 3

18

16

.10échantillon SMOW

SMOW

O OO O

OOO

Exemple : Quel est le O18 d’un échantillon de glace de l’Antarctique pour lequel (O18/O16)glace = 1,96.10-3

?

Avec (O18/O16)SMOW = 2.10-3

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

Solution :

3 318 3

3

318 3

3

18

8

3

1

1,96.10 2.10.10

2.10

0,0

20

4.10.10

2.10

0,02.10

O

O

O

O

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

O18 de la glace varie en fonction de la température et donc, pour un temps donné, de la

distance au pôle

60° N 90° NT° diminue

O18 diminue

Plus on se rapproche du pôle, plus la neige est concentrée en O16

O18 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

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

Pour l’eau océanique, l’évolution est inversée :

Lorsque la température

diminue

O16 est stocké aux pôles sous forme de glace

La concentration en O16 diminue dans l’eau

O18 augmente dans l’eau

Lorsque la température augmente

La glace fond

On restitue de l’O16 donc la concentration en O16 augmente dans

l’eau

O18 diminue dans l’eau

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

Pour résumer :

Océan Calotte

90° N

O16

Océan Calotte

90° N

+ O16 dépôt

- O16

OcéanCalott

e 90° N

- O16 dépôt

+ O16 Fusion

T° diminue

T° augmente

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

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

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

4 : Le traçage des O18 des eaux anciennes

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

Le SMOW est un standard basé sur le rapport isotopique de l’oxygène dans l’eau océanique

actuelleCe 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 ?

23 3 2 22HCO Ca CaCO CO H O

Planète bleue2 : Enregistrement des variations

climatiques par les isotopes de l’oxygène

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

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

ion dissous

ion dissous

solide gaz dissous

liquide

On utilise préférentiellement l’analyse de restes d’animaux marins qui construisent leurs

coquilles en CaCO3

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

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

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

L’intérêt de s’intéresser aux foraminifères est double :

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

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

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

5 : Exemple de la carotte V28-238 prélevée dans le

PacifiqueL’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

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

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

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

On remarque que O18 des foraminifères varie en remontant dans

le tempsCela 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)

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

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 –

2,5Cela 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 ??!!

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

6 : Calcul des paléotempératuresEn 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 :

18 18 18 18 2min min16,9 4,4.( ) 0,1.( )fora ifères eau fora ifères eauT O O O O

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

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

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

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

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

2

2

16,9 4,4.( 2,1 0) 0,1.( 2,1 0)

16,9

6,5

9,2

8

4 0,44

T

T

T C

Exemple : Quelle était la température des eaux de surface dans les Caraïbes

en période glaciaire ?

O18foraminifères = -0,6

O18eau = 0,4

Solution :

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

216,9 4,4.( 0,6 0,4) 0,1.( 0,6 0,4)

16,9 4,4

21,4

0,1T

T C

T

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

Solution :

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

8 : Les périodes de variations climatiques

Sur les carottes

du Pacifique,

on a constaté

une périodicit

é de l’ordre de

100 ka

Sur les carottes des Caraïbes, on remarque également des périodes de l’ordre de 40 à 50 ka

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

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 O18

glace 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…