Enregistrement des variations climatiques par les isotopes de l

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
+ léger
98.7 % du total
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O17
O18
+ lourd
0.2 % du total
2 : Enregistrement des variations
climatiques par les isotopes de l’oxygène
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
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2 : Enregistrement des variations
climatiques par les isotopes de l’oxygène
(O18/O16)eau > (O18/O16)glace
Evaporation-dépôt
3 : Le dépôt
de neige au
pôle
concentre
plus d’O16
léger dans la
glace
1 : Lors de
l’évaporation, la
vapeur d’eau
concentre plus d’O16
léger dans l’air
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2 : Les
précipitations
entraînent
prioritairement l’O18
lourd qui retourne
alors dans l’océan
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
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250000 ans au
Groenland
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
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
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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 :
  O18 
 O18 
  16 
  16 
 O échantillon  O  SMOW
18

O 

 O18 

 16 
 O  SMOW



 .103



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 ?
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2 : Enregistrement des variations
climatiques par les isotopes de l’oxygène
Solution :
 1,96.10  2.10  3
O  
 .10
3
2.10


3
3
18
 0, 04.10  3
O  
.10

3
 2.10

18
3
O  0, 02.10
3
18
O  20
18
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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
O18
60° N
T° diminue
O16
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
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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
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
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2 : Enregistrement des variations
climatiques par les isotopes de l’oxygène
Pour résumer :
- O16 dépôt
T° augmente
+ O16
Océan
O16
Océan
Calotte
Fusion
Calotte
90° N
90° N
T° diminue
+ O16 dépôt
- O16
Océan
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Calotte
90° N
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 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
Planète bleue
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

3
2HCO  Ca
2
CaCO3  CO2  H 2O
ion
ion
dissous dissous
solide
gaz liquide
dissous
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
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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
Pseudopodes
Test
200 µm
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2 : Enregistrement des variations
climatiques par les isotopes de l’oxygène
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
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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
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
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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 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)
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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 –2,5
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 ??!!
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2 : Enregistrement des variations
climatiques par les isotopes de l’oxygène
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 :
18
18
18 2
T   16,9  4, 4.(O18


O
)

0,1.(

O


O
fora min ifères
eau
fora min ifères
eau )
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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
Solution :
T   16,9  4, 4.(2,1  0)  0,1.( 2,1  0)
2
T   16,9  9, 24  0, 44
T   26,58C
Exemple : Quelle était la
température des eaux de
surface dans les Caraïbes
en période glaciaire ?
O18foraminifères = -0,6
O18eau = 0,4
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2 : Enregistrement des variations
climatiques par les isotopes de l’oxygène
Solution :
T   16,9  4, 4.(0, 6  0, 4)  0,1.(0, 6  0, 4) 2
T   16,9  4, 4  0,1
T   21, 4C
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
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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
périodicité
de l’ordre
de 100 ka
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Sur les carottes des
Caraïbes, on remarque
également des périodes de
l’ordre de 40 à 50 ka
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 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 semble être dans un cycle
de réchauffement naturel et donc de remontée du
niveau marin depuis environ 20000 ans…
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2 : Enregistrement des variations
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