Paleoclimatologie

The climat archives in polar ices

L'analyse de la composition de carottes de glaces extraites de la calotte polaire de l'Antarctique a livré des informations sur le climat et la composition de l'atmosphère des temps passées jusqu'à environ 800 000 ans.

jouzel128Dans son « Résumé à l’intention des décideurs » approuvé à Paris début février 2007, le groupe I du GIEC (Groupe d’experts Inter-gouvernemental sur l’Evolution du Climat), chargé de faire l’état des lieux sur les aspects scientifiques du changement climatique, fait une large place aux résultats concernant l’évolution passée de notre climat, obtenus grâce à l’analyse de carottes de glace. Les résultats du programme de forage européen Epica (European Program for Ice Coring in Antarctica) sont désormais disponibles ainsi que de nouvelles données provenant d’autres forages de l’Antarctique et du Groenland. L’objectif de cet article est de faire un tour d’horizon de cet ensemble de résultats nouveaux en gardant à l’esprit leur pertinence vis-à-vis du climat du futur. La glace des calottes polaires enregistre de précieuses informations sur le climat et la composition de l’atmosphère. Ceci est dû à la capacité de la neige, qui nourrit les calottes, d’enregistrer la température à laquelle elle s’est formée, d’échantillonner les poussières et les aérosols de l’atmosphère, et de se transformer en profondeur en un solide étanche, la glace, qui incorpore des bulles d’air atmosphérique.

La reconstitution des paléotempératures
Nous nous appuyons sur l’analyse des formes isotopiques de l’eau, HDO et H218O, dans la glace (D correspond au deutérium 2H). En effet, de légères différences dans les propriétés physiques (pression de vapeur saturante et diffusivité moléculaire dans l’air) des molécules HDO, H218O et H2O provoquent un fractionnement isotopique à chaque changement de phase de l’eau au cours de son cycle atmosphérique. Il en résulte que les concentrations en deutérium et 18O des précipitations dépendent de l’histoire climatique de la masse d’air où elles se sont formées. On observe, aussi bien en Antarctique qu’au Groenland, une relation linéaire entre teneurs isotopiques de la neige et température du site. Cette relation, sérieusement étayée par les modèles isotopiques, est à la base de la reconstitution des paléotempératures à partir des profils isotopiques enregistrés le long des carottages de glace. Plus la neige était pauvre en isotopes, plus il faisait froid et inversement.La calibration de ce « thermomètre isotopique » pose cependant quelques difficultés. C’est le cas au Groenland où, contrairement à l’Antarctique, la répartition saisonnière des précipitations varie considérablement en fonction du climat. On peut alors, pour les variations climatiques rapides, utiliser d’autres méthodes comme celle fondée sur l’analyse des isotopes de l’azote et de l’argon de l’air piégé dans la glace. J.J.

 
Ainsi ces propriétés permettent d’archiver dans les carottes de glace de précieux messages sur l’évolution passée de notre climat et de notre atmosphère. L’époque pionnière des forages profonds est marquée par celui de Camp Century au Groenland en 1966 suivi de celui de Byrd en Antarctique deux ans après, tous deux réalisés par une équipe américaine et couvrant une large partie de la dernière période glaciaire qui a débuté il y a environ 100 000 ans. Les années 1970 ont vu le début des opérations de forage à la station soviétique de Vostok et l’obtention d’un carottage de 900 mètres extrait à la station du Dôme C par une équipe grenobloise dirigée par Claude Lorius et couvrant 40 000 ans.

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Forage EPICA - © S. Drapeau / IPEV


Les enfants sont les premiers à utiliser le “sikuaq” (nouvelle glace de quelques centimètres d’épaisseur). Eux qui ne disposent d’aucun terrain plat sur l’île attendent avec impatience que la glace s’épaississe et forme un terrain de jeu pour faire des glissades. “Quasaq” désigne la glace vive, et “quasarpoq” signifie “est glissant“. La glace plie parfois et risque de se rompre. Les adultes autorisent néanmoins la pratique de ce jeu, d’une part parce que les enfants ne sont jamais loin du rivage et peuvent être rapidement secourus, mais surtout parce qu’ils font ainsi leur apprentissage de la glace. Le vent et les vagues viennent rapidement briser le “sikuaq” (la glace de quelques centimètres d’épaisseur) en une multitude de plaques nommées “sikussat”.
Dans les années 1980, les équipes françaises de Grenoble, Saclay et Orsay sont associées à l’étude du forage soviétique de Vostok, qui couvre en 1993 deux cycles climatiques – un cycle climatique correspond à la succession d’une période glaciaire et d’une période interglaciaire –, puis quatre en 1996, avec un âge de 420 000 ans à 3 310 mètres. Le forage a atteint aujourd’hui la profondeur record de 3 658 mètres mais les 348 mètres les plus profonds ont été dans leur partie supérieure perturbés par l’écoulement et résultent plus bas de glace d’accrétion du lac sous-glaciaire de Vostok. Au cours des années 1990, un autre forage profond a été réalisé au Dôme F, dans un secteur différent de l’Antarctique de l’Est. Il a atteint 2 500 mètres et a fourni des enregistrements couvrant 330 000 ans. Un nouveau forage en ce même site a atteint, début 2006, la profondeur de 3 028 mètres avec de la glace vieille d’environ 700 000 ans. Mais c’est le forage européen Epica -Dôme C qui, à ce jour, permet de remonter le plus loin dans le temps, avec à la profondeur de 3 200 mètres de la glace vieille de plus de 800 000 ans.

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Extraction d'une carotte de glace - © CNRS


Le projet Epica, qui regroupe les efforts de dix pays européens, dont la France, a été mis sur pied dans le cadre de la fondation européenne de la science (European Science Foundation) avec un fort soutien des communautés européennes et des agences nationales. Il inclut deux forages profonds effectués en Antarctique de l’Est. Le premier, très proche du sommet du Dôme C, un des dômes majeurs du secteur, s’avère idéalement placé pour extraire de la glace très vieille et fournir un enregistrement climatique facilement interprétable. De plus, c’est le site sur lequel s’est ouvert, il y a deux ans, la station permanente franco-italienne de Dôme Concordia. Le soutien logistique est assuré par l’Institut polaire français Paul-Emile Victor (IPEV) et son homologue italien l’Ente per le Nuove tecnologie, l’Energia e l’Ambiente (ENEA). Le second site est situé à la station -Kohnen, en Terre de la Reine-Maud (DML) dans le secteur atlantique de l’Antarctique de l’Est. La réalisation du forage a été coordonnée par l’AWI Bremerhaven (Allemagne). La réussite a été au rendez-vous au cours de la saison 2005-2006 avec l’accès au socle rocheux et l’obtention d’une carotte (Epica DML) longue de 2 760 mètres.

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Carotte de 1000 mètres de profondeur, reposant dans la tranchée de forage juste après son extraction à Talos Dôme - © J. Chappellaz, CNRS/LGGE


La première chute de neige transforme le paysage, le rend plus lumineux, permettant ainsi aux Qeqertamiut de mener davantage d’activités en extérieur et pour certains de mieux supporter moralement la période de nuit polaire. La neige déposée sur la glace de mer permet l’utilisation des traîneaux à chiens. Les Qeqertamiut apprécient particulièrement ce mode de transport, synonyme de liberté, d’indépendance économique – les chiens sont nourris avec les produits de la pêche et de la chasse –, silencieux et non polluant. L’usage du traîneau à chiens garantit souvent une certaine sécurité. Les chiens sont en effet capables de détecter le fait que la glace est peu épaisse ou la présence d’une fracture masquée par une couche de neige, et peuvent ainsi éviter au traîneau de s’engager sur une zone dangereuse. La banquise met fin à l’insularité, permet de gagner la côte voisine puis de pénétrer à l’intérieur des terres, de parcourir en traîneau à chiens un territoire beaucoup plus étendu qu’en période estivale. Parcourir le territoire permet de se l’approprier, notamment par la parole, en utilisant des toponymes qui traduisent une particularité physique ou font référence à un événement appartenant à l’histoire de la communauté. Cela permet de perpétuer et de transmettre ce savoir et également, parfois, de rencontrer des êtres surnaturels.
Par comparaison avec ceux de Vostok et Dôme Fuji, on peut considérer que l’enregistrement des températures reconstruites à partir des profils isotopiques au Dôme C est représentatif du climat de l’Antarctique sur l’ensemble des 800 000 dernières années. Les résultats mettent en évidence un changement de rythme du climat il y a environ 450 000 ans avec des interglaciaires plus chauds au cours des quatre derniers cycles climatiques. La corrélation entre l’enregistrement isotopique Dôme C et celui déduit du rapport 18O/16O des foraminifères marins, indicateur au premier ordre des variations du niveau de la mer, est remarquable. Elle suggère qu’à ces échelles de temps, les variations de température observées en Antarctique ont une très large signification géographique, voire un caractère global. Enfin, l’existence d’un lien entre les variations de l’insolation reçue à la surface de la planète, fonction de la position de la Terre sur son orbite, et celles du climat, démontrées à partir de l’étude des sédiments marins, est pleinement confirmée à partir de la courbe de température en Antarctique. La glace polaire est le seul milieu naturel connu qui permette d’archiver, de façon quasi directe et fiable, une parcelle d’air représentative de l’atmosphère globale. Moyennant le choix de bons sites de carottage, la propreté extrême du « récipient » glace garantit la conservation de la composition initiale en gaz inertes des bulles d’air pour au moins plusieurs centaines de milliers d’années.

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Evolution des gaz à effet de serre et de la température depuis 650 000 ans. En rouge, la température en Antarctique ; en violet, la concentration en CO2 en parties par million (ppm). En vert, la concentration de méthane (CH4) en parties par milliard (ppb). Les courbes du CO2 et CH4 augmentent brusquement au cours des deux derniers siècles.


Les sites appropriés ne doivent pas être soumis à une fonte estivale de la neige en surface, ce qui écarte en général les sites côtiers. En outre, la glace du Groenland contient, par rapport à celle de l’Antarctique, beaucoup plus de pous-sières carbonatées et de matière organique, sources potentielles de formation in situ de CO2. Cela explique que les enregistrements fiables de CO2 se trouvent exclusivement en Antarctique.
Les glaces polaires mettent en évidence la montée rapide des concentrations de ces gaz à effet de serre depuis le début de l’ère industrielle. Celle-ci est illustrée dans la figure de synthèse présentée dans le rapport du GIEC à partir des données correspondant aux 10 000 dernières années. Depuis 1750, les concentrations de ces gaz ont respectivement augmenté d’environ 35 % (CO2), 150 % (CH4) et 18 % (N2O). Cette figure indique les valeurs correspondantes en termes d’augmentation de l’effet de serre liée aux activités humaines, 1,68 W.m–2 pour le CO2, 0,48 pour le CH4 et 0,16 pour le N2O, valeurs auxquelles s’ajoute 0,34 W.m–2 pour les chlorofluorocarbures. Au total ce sont 2,66 W.m–2 de forçage radiatif supplémentaires dont sont déjà responsables les émissions de gaz à effet de serre liées aux activités humaines. Cette valeur est beaucoup plus élevée que celle, d’origine naturelle, liée à la variation de l’activité solaire qui, sur cette même période, n’a pas excédé 0,3 W.m–2.
Le forage Epica Dome C a permis d’étendre à 650 000 ans les enregistrements de CO2 et CH4 précédemment disponibles grâce aux glaces de Vostok sur les 420 000 dernières années. Le verdict est identique à celui établi à partir des glaces de Vostok : jamais des concentrations en CO2 et CH4 aussi élevées qu’actuellement n’ont été observées depuis au moins 650 000 ans et les données disponibles suggèrent qu’il en a été de même pour le N2O. Qu’en est-il de la relation entre changement climatique et concentrations en CO2 et CH4, mise en évidence à partir des glaces de Vostok ? En raison du changement de rythme observé dans les variations du climat il y un peu plus de 400 000 ans, les résultats concernant la partie profonde des glaces du Dôme C étaient extrêmement attendus. Là aussi le verdict est clair, en particulier pour les concentrations en CO2 qui, pour les périodes interglaciaires les plus anciennes, moins chaudes, sont effectivement moins élevées que les valeurs maximales des 420 000 dernières années. Si bien que la relation étroite entre la variation de la température en Antarctique et celle de l’effet de serre établie à partir des glaces de Vostok s’étend à l’ensemble des 650 000 dernières années. Autre résultat récent : l’enregistrement des carottes de glace apporte désormais une réponse claire à la question souvent posée de l’œuf et de la poule, au moins dans le cas des transitions entre périodes glaciaires et interglaciaires. En effet, les analyses effectuées sur les glaces de l’Antarctique montrent que le réchauffement post-glaciaire aux hautes latitudes Sud a précédé de plusieurs centaines d’années l’augmentation du CO2 et du CH4 dans l’atmosphère. Ceci suggère que l’océan Austral a joué un rôle important dans l’augmentation du CO2. Dans ce cas, la poule apparaît donc être le réchauffement du climat en Antarctique et dans l’océan Austral, en réponse, sans doute, à des changements de l’insolation reçue dans ces régions de l’hémisphère Sud. Cependant cette augmentation du CO2 précède de quelques milliers d’années la fonte des calottes de l’hémisphère Nord, à laquelle l’augmentation de l’effet de serre a alors été en mesure de contribuer. Cette séquence illustre la complexité des modifications associées à une déglaciation mais tout indique que l’augmentation de l’effet de serre en a été, aux côtés du forçage astronomique, un acteur et non un simple spectateur.

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L'augmentation des gaz à effet de serre : au cours des 10 000 dernières années, d'après les données des carottes de glace, et depuis l'ère industrielle (cadres intérieurs bleus) d'après les mesures atmosphériques. (Source : "Summary for Policymakers", IPCC, 2007)


En fait, grâce aux données du passé et à la modélisation des paléoclimats, on peut évaluer les différentes perturbations du bilan énergétique de la planète qui ont contribué au passage à un état interglaciaire à partir des conditions du dernier maximum glaciaire. Le stimulateur initial est bien le forçage lié à la modification de l’orbite terrestre, comme le stipule la théorie astronomique (théorie de Milankovitch). Cependant les changements résultant de la disparition des grandes calottes de glace de l’hémisphère Nord et de l’augmentation des gaz à effet de serre – essentiellement celle du CO2 – ont contribué très majoritairement à la perturbation du bilan radiatif qui a engendré un réchauffement planétaire de l’ordre de 5 à 7 °C entre le maximum glaciaire, il y a environ 20 000 ans, et le début, il y a 11 000 ans, de l’holocène, la période chaude dans laquelle se sont développées nos civilisations. Le CO2 a donc alors joué un rôle d’amplificateur puissant, en participant à hauteur d’environ 40 % à la dernière grande variation climatique. La leçon pour notre époque est à prendre en compte. Quelle que soit la cause de l’augmentation des gaz à effet de serre, naturelle comme au cours des déglaciations, ou anthropogénique comme depuis l’ère industrielle, leur augmentation perturbe de façon importante le bilan radiatif de la planète. Les enregistrements paléoclimatiques nous ont d’ailleurs permis d’estimer la réponse du climat à un doublement de la concentration en CO2 (la sensibilité du climat). Il est intéressant de noter que la valeur de 3 °C que nous en avions déduite il y a une quinzaine d’années est celle vers laquelle convergent les estimations les plus récentes du GIEC.
L’existence de variations rapides et importantes (réchauffement de plus de 10 °C en quelques décennies voire moins, tout au cours de la dernière période glaciaire et de la déglaciation qui l’a suivie) a été documentée au début des années 1990 grâce aux forages réalisés au centre du Groen-land (GRIP et GISP 2) : 24 événements dits « de Dansgaard-Oeschger » (DO) y ont alors été iden-tifiés. La carotte de North GRIP confirme pleinement ces résultats et permet d’étendre la reconstruction du climat jusqu’à la dernière période interglaciaire il y a 123 000 ans. Mais dans ce domaine, les années récentes ont aussi été marquées par l’avènement d’une méthode permet-tant d’évaluer l’amplitude des réchauffements associés aux DO. Cette approche fondée sur l’analyse des isotopes de l’azote et de l’argon précise que ces réchauffements ont été importants, jusqu’à 16 °C. Ils confirment que l’interprétation classique des profils isotopiques enregistrés dans la glace (d18O ou dD), dont nous avons confirmé la validité pour les glaces de l’Antarctique, sous-estime, jusqu’à un facteur 2, l’amplitude de ces réchauffements rapides caractéristiques du climat du Groenland. On sait désormais que cela est dû à un changement, entre période glaciaire et interglaciaire, de la répartition des précipitations au cours de l’année (à l’inverse cette répartition est pratiquement inchangée en Antarctique).

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Couche de cendre volcaniques dans une carotte de glace du forage Talos Dôme. - © J. Chappellaz, CNRS/LGGE


Que se passe-t-il en Antarctique lorsque le climat varie de façon très rapide au Groenland et, plus généralement, dans le secteur de l’Atlantique Nord ? La comparaison des enregistrements groenlandais et antarctiques avait montré qu’aux DO les plus importants correspond un événement en Antarctique, certes moins marqué mais facilement identifiable (le réchauffement commence en Antarctique et atteint son maximum à peu près au moment où le réchauffement rapide prend place au Groenland). Les nouveaux forages Epica (DML et Dôme C), plus détaillés, ont permis d’établir que cette correspondance valait pour l’ensemble des DO, y compris ceux qui sont les moins marqués au Groenland.
La question a été récemment posée de savoir si l’action de l’homme sur la biosphère continentale depuis des milliers d’années n’a pas eu un effet bénéfique sur le climat, en évitant une entrée en glaciation prématurée à travers des émissions de CO2 et CH4 liées aux pratiques agricoles précoces. Cette hypothèse repose en partie sur l’évaluation des variations naturelles en CO2 par comparaison avec d’autres périodes interglaciaires. Plusieurs évidences en provenance de l’analyse de l’air piégé dans la glace contredisent actuellement cette hypothèse. En particulier l’interglaciaire qui a pris place il y a environ 400 000 ans indique un comportement différent des autres interglaciaires. Cette période chaude a été beaucoup plus longue que les interglaciaires plus récents. Les conditions d’insolation étaient alors assez proches des conditions actuelles et cela suggère que, sans intervention de l’homme, la période interglaciaire dans laquelle nous vivons pourrait se prolonger durant près de 20 000 ans. De surcroît, la perturbation humaine ne devrait pas contribuer à accélérer la genèse d’une nouvelle glaciation.

Par Jean Jouzel, directeur de l’Institut Pierre-Simon Laplace, vice-président du groupe I du GIEC, membre du comité d’experts du Cercle Polaire et
Dominique Raynaud
, chercheur au Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l’Environnement.


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