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Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l’oxygène
Planète bleue2 : Enregistrement des variations
climatiques par les isotopes de l’oxygène
Planète bleue
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
Planète bleue
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
Planète bleue
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
Planète bleue
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
Planète bleue
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
Planète bleue
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
Planète bleue
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
Planète bleue
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
Planète bleue
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
Planète bleue
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
Planète bleue
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
Planète bleue
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
Planète bleue
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
Planète bleue
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
Planète bleue
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
Planète bleue
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
Planète bleue
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)
Planète bleue
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 ??!!
Planète bleue
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
Planète bleue
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
Planète bleue
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
Planète bleue
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 :
Planète bleue
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 :
Planète bleue
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
Planète bleue
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…
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