Comment étudier les variations climatiques?

Objectif(s)

Actuellement, les scientifiques s'accordent pour dire que le climat sur Terre est en train de changer. Mais, pour tirer des conclusions rigoureuses et mieux comprendre les phénomènes à l'origine de ces variations de climat, les paléoclimatologues recherchent des indices afin de reconstituer les climats passés.
Quels indices existent ? Quels renseignements apportent-ils ?

1. Les glaces polaires

Comment les glaces peuvent-elles apporter des indices sur les climats passés ?

La neige est un ensemble de cristaux de glace.
Lorsqu'elle se tasse, les cristaux se transforment en granules qui vont donner de la glace en se soudant. En s'accumulant, ils piègent de l'air et des bulles vont se retrouver incluses 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.

C'est l'analyse des bulles d'air qui renseigne sur la teneur en oxygène, en CO2 et méthane. L'analyse des poussières de la glace est aussi effectuée.
L'eau étant composée d'hydrogène et d'oxygène, on s'intéresse à leurs isotopes, le deutérium D et 18O.

Concernant l'oxygène, c'est le rapport 18O/16O qui est étudié.
Les variations de températures sont déduites de ce rapport et de la composition isotopique de la glace.
Des mesures ont montré que la proportion d'oxygène lourd dans les eaux de pluies et les chutes de neige actuelles diminue avec la température. On utilise cette propriété pour interpréter le rapport 18O/16O, en partant du principe que la corrélation était la même dans le passé.

Les résultats montrent que plus il fait froid, plus le rapport 18O/16O est faible (c'est le même constat pour le rapport D/1H).

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

2. Les sédiments océaniques

La planète a connu des périodes de glaciation et de baisse de température qui ont eu des répercussions sur la température des océans et la vie aquatique.

Que nous apportent les sédiments océaniques ?

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

• Parmi les sédiments, les foraminifères sont des animaux unicellulaires qui formaient le zooplancton. Ils possèdent un test carbonaté, c'est-à-dire une coquille formée de carbonate de calcium, dont la composition en 18O et en 16O varie avec les conditions du milieu (dont la température).
Ces tests renseignent donc sur la température de l'eau de mer.

• Ils renseignent également sur le volume des glaces continentales.

En effet, l'eau subit un cycle.
L'évaporation de l'eau se fait à partir des océans dans les zones équatoriales. La vapeur d'eau formée contient un pourcentage d'18O très faible par rapport à celui de l'eau de l'océan.

En se rapprochant des pôles, l'air perd de son humidité car la vapeur d'eau se condense en eau liquide. A chaque condensation, la vapeur d'eau s'appauvrit de plus en plus en 18O car celui-ci se retrouve dans les précipitations. Plus la température du lieu de condensation est faible et plus le taux en 18O de la vapeur d'eau sera faible.

Ce cycle est en équilibre, c'est-à-dire qu'il sort autant d'eau par évaporation qu'il n'en rentre par les fleuves et les précipitations : le volume de l'océan ne change pas de façon significative.
Or, en période de glaciation, il y a un déséquilibre : le volume de l'océan baisse et le taux d'18O dans l'eau augmente. Ce sont des foraminifères de grande profondeur qui sont pris comme référence, car dans ces zones profondes la température de l'eau varie peu et est constante à une époque donnée.

Les forages dans les sédiments permettent d'étudier les variations en 18O/16O de l'eau de mer au cours du temps ; ils renseignent sur la variation du niveau des mers et du volume des glaces, donc sur les variations climatiques.
Plus il fait froid, plus le volume de glace sur les continents est élevé et plus le rapport 18O/16O mesurés dans les tests augmente.

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

3. Sédiments des lacs et tourbières

L'accumulation des sédiments au fond des lacs peut renseigner sur les variations climatiques. En périodes froides, les apports de particules détritiques dans le lac augmentent, celui-ci se comble peu à peu, des craies se forment et de la tourbe se dépose. La sédimentation lacustre est modifiée et on observe une sédimentation détritique.

Les sédiments des lacs et tourbières contiennent d'autres 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 prolifèrent, tandis qu'en période chaude, ce sont les arbres et forêts qui dominent.
Ex. : La tourbière de la Grande-Pile dans les Vosges renferme une accumulation de pollens préservés sur environ 140 000 ans !

L'essentiel

Les paléoclimatologues disposent de nombreux indices pour étudier les variations climatiques : analyse isotopique de l'air emprisonné dans les carottes glaciaires, analyse isotopique des tests de foraminifères, études des sédiments des lacs et tourbières et des pollens qu'ils renferment.
Tous les résultats sont corrélés : la planète a subi des alternances de périodes froides et chaudes au cours des 700 000 dernières années.

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