L'Antarctique fond par endroit. © Allen.G, Adobe Stock

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Comment prédire le réchauffement climatique ? CEA, CNRS et l'UVSQ ont la réponse avec ICE

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[EN VIDÉO] COP25 : la concentration de CO2 dans l’atmosphère sur 15 ans  Grâce à des données collectées sur Terre et depuis l’espace, la Nasa a compilé l’augmentation de la concentration de dioxyde de carbone et sa distribution mondiale pendant quinze ans. À la fin des mesures en 2015, le maximum atteignait 402 ppm ; aujourd’hui, nous en sommes à 418 ppm. 

Le 19 novembre 2019, sur un site du Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) a été inaugurée l'Infrastructure pour les sciences du climat et de l'environnement (ICE). Elle rassemble des chercheurs en géosciences du Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (LSCE, unité mixte de recherche du CEA, du CNRS et de l'Université Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines ), qui s'occupent de déterminer le passé du climat à partir des archives de la Terre, et ceux qui modélisent son fonctionnement dans le but de prédire le futur du réchauffement climatique en s'aidant des leçons tirées du passé.

Il a parfois été avancé que l'astrophysique n'était pas une science expérimentale comme la physique. Cela peut sembler surprenant mais l'argument invoqué était qu'on ne pouvait pas faire d'expériences dans un laboratoire en faisant varier les paramètres pour étudier un système (en l'occurrence une étoile) et percer ses secrets comme on le fait en physique ou en chimie.

Il est facile de le réfuter en faisant remarquer que l'Univers observable lui-même est un immense laboratoire qui se charge de faire les expériences pour nous puisqu'il existe toutes sortes d'étoiles et de galaxies avec des masses, des températures, des compositions... différentes. Le Système solaire lui-même nous fournit des planètes où mettre à l'épreuve nos modèles de l'intérieur et de l'extérieur des planètes pour faire de la planétologie comparée. Il est ainsi possible de transposer les modèles climatiques et la géophysique interne de notre Planète bleue à Vénus, Mars ou Jupiter.

Toutefois, lorsqu'il s'agit d'étudier le climat terrestre, et on peut considérer qu'il s'agit d'un domaine de l'astrophysique puisque l'on est en présence d'un astre, la singularité de la Terre - à savoir le fait qu'elle possède des océans d'eau liquide et une biosphère -, nous oblige à adopter une autre stratégie pour expérimenter et tester ces mêmes modèles climatiques. C'est d'autant plus une nécessité si l'on veut prévoir au mieux le développement du réchauffement climatique en cours, comment limiter ses effets et déterminer quels seront-ils exactement dans les décennies et même les siècles à venir.

Les archives climatiques de la Terre nous aident à comprendre le passé

En l'occurrence, il faut se tourner vers les archives climatiques de la Terre, alors que la composition de l'atmosphère, l'ensoleillement, la place des continents et les chaînes de montagnes étaient différentes. Les courants océaniques et même ceux dans l'atmosphère étaient autres et cela pouvait avoir des effets importants sur le climat.

Une présentation du rôle des océans en ce qui concerne le climat. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa Goddard

On sait par exemple que la circulation thermohaline (des mots grecs thermos qui veut dire chaud et halinos, salé) redistribue la chaleur emmagasinée dans les océans qui est ensuite redistribuée à son tour à l'atmosphère. Un bon exemple de ce phénomène est le cas du Gulf Stream, le célèbre courant océanique chaud qui prend sa source au large de la Floride et qui vient tempérer le climat des côtes du nord de l'Europe. On ne sait pas très bien à quel point, il y a environ 8.200 ans, la vidange dans l'Atlantique Nord du lac d’eau douce Agassiz, un lac proglaciaire, aurait été responsable de l'évènement climatique de 8.200 BP, c'est-à-dire la chute brutale des températures qui s'est produite à ce moment-là, en affectant la circulation du Gulf Stream.

On aimerait bien comprendre aussi ce qui s'est passé il y a environ 56 millions d'années, lorsque les températures mondiales auraient alors augmenté d'environ 5° à 8 °C en seulement 20.000 ans à l'occasion de ce qui est appelé le maximum thermique du Paléocène-Éocène (Paleocene-Eocene Thermal Maximum, ou PETM). Phénomène qui n'est pas sans faire penser au réchauffement climatique en cours d'origine humaine car on sait qu'il y a eu une augmentation de la présence de gaz à effet de serre dans l'atmosphère, en l'occurrence du gaz carbonique mais peut-être aussi du méthane. Au cours du PETM, l'Arctique était complètement libre de glace et ressemblait par endroit aux régions humides, chaudes et marécageuses que l'on peut trouver aujourd'hui, par exemple en Floride.

Une infrastructure pour la fertilisation croisée des géosciences du climat

Pour continuer de rivaliser avec des grands instituts de recherche au niveau international qui explorent le climat de notre Planète bleue pour prédire son futur, comme le célèbre Institut d'océanographie Scripps (en anglais Scripps Institution of Oceanography, SIO) à La Jolla en Californie, la France a entrepris de regrouper les deux parties du Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement (LSCE, unité mixte de recherche du CEA, du CNRS et de l'Université Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines) initialement localisées sur deux sites différents (Campus du CEA-Orme des Merisiers et du CNRS Gif-sur-Yvette). Rappelons que le LSCE est un des laboratoires qui composent l’Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL) dont les thématiques de recherche concernent l'environnement global. Il est à l'origine du site « Le climat en questions » qui s'adresse à tous ceux qui s'intéressent au climat de la Terre et à son évolution.

Le Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement (LSCE) s'est doté d’un bâtiment neuf de 10.500 m², permettant de réunir sur le site CEA de l’Orme des merisiers (Saint-Aubin) des équipes dont une partie était localisée à Gif-sur-Yvette, sur le campus du CNRS. Inauguré le 19 novembre 2019, l’Infrastructure pour le climat et l’environnement (ICE) est soutenue par le Conseil départemental, le Conseil régional d’Île-de-France, l’État et le CEA. © CEA Sciences

Il en a résulté un bâtiment inauguré le 19 novembre 2019 : l'Infrastructure pour les sciences du climat et de l'environnement (ICE). Environ 300 personnes du LSCE, chercheurs, ingénieurs et agents administratifs dont 150 personnels permanents, majoritairement donc du CEA, du CNRS et de l'UVSQ, n'ont donc plus que quelques escaliers à monter ou à descendre, et quelques couloirs à parcourir pour établir des échanges transdisciplinaires entre les membres d'équipes aux cultures scientifiques différentes.

C'est une nécessité pour établir une science du climat solide et prédictive. La Terre est en effet un système dynamique fort complexe avec de nombreuses boucles de rétroactions qui connectent ce qui se passe dans les océans, sur les continents, dans l'atmosphère et bien sûr la biosphère. Les membres du LSCE sont aussi bien occupés à déterminer les variations passées du climat en déchiffrant les diverses signatures qu'elles ont laissées sur les continents comme dans les océans - à travers des modifications physiques, chimiques et biologiques - qu'à modéliser les causes qui en sont responsables. C'est en croisant ces diverses signatures que l'on peut non seulement tester les modèles climatiques du présent et du futur au regard de ce qu'ils prédisent dans le passé, mais aussi faire le tri entre diverses hypothèses capables de rendre compte de ces signatures.

Amaëlle Landais, chercheuse et directrice de recherche au Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement, raconte sa traque aux isotopes contenus dans les bulles d’air et les glaces polaires. Ils vont lui permettre de remonter le temps et de déterminer les climats passés et leurs paléotempératures. © CEA Recherche

Des traceurs isotopiques dans la glace et les sédiments

La géochimie isotopique est probablement la discipline reine quand il s'agit de reconstituer l'histoire du climat au cours du dernier million d'années. Ainsi, le rapport d'abondance d'isotopes de l’oxygène (18O/16O) permet de remonter aux paléotempératures car il varie avec elles dans les océans, les glaces et dans les tests calcaires des foraminifères benthiques (vivant sur le fond des lagunes et des mers) et planctoniques (en suspension dans la colonne d'eau), des organismes que l'on rencontre dans toutes les mers du globe, à toutes les profondeurs et à toutes les distances des côtes, et ce depuis des centaines de millions d'années. Les connaissances en micropaléontologie sont donc d'une grande importance pour identifier des fossiles de foraminifères dans des sédiments et on aurait donc tort de négliger cette discipline qui semble de prime abord de peu d'intérêt. Des membres du LSCE s'occupent donc de faire des mesures des isotopes de l'oxygène avec la spectrométrie de masse dans des échantillons de foraminifères ramenés des quatre coins du globe par des campagnes de forages océaniques.

Que les variations des températures du climat de la Terre soient enregistrées dans les glaces et dans les foraminifères se comprend très bien. En effet, selon la température de l'eau, le taux d'évaporation d'un isotope lourd n'est pas le même que celui d'un isotope léger. Ainsi, lorsque les températures sont basses l'oxygène 18 va avoir tendance à rester dans l'eau sous forme liquide des océans. Les précipitations aux pôles vont donc donner des glaces avec un rapport (18O/16O) plus faible alors que celui-ci augmente dans les océans, ce qui se reflète dans une certaine mesure dans l'oxygène des calcaires des foraminifères (la température locale de l'eau influe aussi dans ce cas sur le fractionnement des isotopes dans ces calcaires).

En bonus, en combinant les mesures de composition isotopique des glaces polaires et des foraminifères, on peut en déduire la quantité d'eau qui avait été soustraite à la mer pour former ces glaces, et donc le niveau des océans dans le passé. C'est de cette manière que l'on sait que leur niveau était de quelque 120 mètres plus bas lors des grandes glaciations.

La paléoclimatologue Anaïs Orsi, lauréate, en France puis à l’international, de la bourse L’Oréal-UNESCO Pour les Femmes et la Science – et que l'on voit dans cette vidéo – travaille avec ses collègues du LSCE à reconstituer la variabilité du climat du quaternaire, en particulier au niveau des températures. Elle utilise les méthodes de la géochimie isotopique dans le domaine de la glaciologie pour faire parler des carottes de glace prélevées par exemple en Antarctique, au niveau du dôme de glace de Talos. Ces carottes contiennent des bulles d’air qui renseignent sur la composition de l’atmosphère mais on peut aussi trouver dans la glace d’autres signaux précieux qui ne renseignent pas seulement sur les températures passées et le contenu en CO2 de l’atmosphère. La quantification de la présence de sulfates donne des indications sur le développement du plancton, celle du sodium témoigne des variations de l’extension de la banquise dans le passé et la présence de suies et de poussières nous parle des feux de forêt en Patagonie ou de l’aridité en Australie il y a longtemps. © Laurent Sacco, Futura

La datation des glaces ne se fait généralement pas avec des isotopes mais il en est qui permettent de préciser l'âge de la matière organique autrefois contenue dans des organismes jusqu'à il y a 50.000 ans. Il s'agit bien sûr de la fameuse méthode de datation développée par Willard Libby en 1949 avec le carbone 14. Elle lui vaudra le prix Nobel de physique en 1960 (toutefois, selon un autre prix Nobel, Emilio Segrè, elle lui aurait été suggérée par Enrico Fermi à l'occasion d'un séminaire à l'Université de Chicago).

Des membres du LSCE font usage de cette méthode avec un spectromètre de masse particulièrement performant puisqu'il ne nécessite que de faibles volumes d'échantillons pour obtenir des datations. Il s'agit d'ECHoMICADAS (Environnement, Climat, Homme-Micro CArbon Dating System) qui permet de mesurer les rapports isotopiques du 14C/12C d'échantillons solides ou gazeux. Outre des datations, cet instrument permet d'étudier le cycle du carbone sur Terre, lequel a un rôle important pour le climat.

Une vue d’ECHoMICADAS. © F. Rhodes, CEA

Les cernes des arbres et les paléoclimats

Mais il y a un problème avec la méthode de Libby. Elle se comporte comme un sablier avec en haut du 14C qui « coule » en se désintégrant pour devenir du 12C. La quantité initiale de 14C dans un organisme vivant est fixée à sa mort car elle vient de l'atmosphère. Or, la quantité de 14C dans l'atmosphère est fixée par le bombardement des protons du Soleil sur les atomes de 12C dans la haute atmosphère. Ce bombardement est modulé par l'activité solaire et le champ magnétique de la Terre. Dit autrement, la quantité de 14C initiale en haut du sablier n'est pas toujours la même.

Il faut effectuer des corrections en utilisant quand c'est possible une datation indépendante. On peut le faire sur les dernières centaines d'années, voire les derniers millénaires en utilisant les cernes des arbres, c'est-à-dire en faisant de la dendrochronologie, une méthode qu'a inventée et développée au cours du XXe siècle A.E. Douglass, le fondateur du Laboratory of Tree-Ring Research de l'université d'Arizona, et qui a été anticipée plusieurs siècles auparavant par Léonard de Vinci. Elle repose sur la constatation qu'un arbre ajoute un cerne de croissance par année. Dans l'idéal, on prélève donc une carotte dans un arbre multicentenaire et on analyse la quantité de 14C dans les cernes, ce qui va permettre de recalibrer l'horloge avec le 14C ailleurs. Pour cette raison, et d'autres, il existe une équipe de recherche en dendrochronologie au LSCE.

Une présentation de la dendrochronologie au LSCE. L’étude des cernes fournit plus que des datations. Les isotopes de l’oxygène et du carbone ne sont pas stockés en même quantité dans la cellulose des arbres en fonction de la température, l’humidité ou encore l’insolation. Mesurer des variations de ces abondances dans le temps donne donc accès à des archives paléoclimatologiques. © Olivier Aballain

L'étude du champ magnétique ancien de la Terre

Enfin last but not least, des membres du LSCE s'occupent aussi de paléomagnétisme. On sait que lorsque des laves se figent, les minéraux contenant des oxydes de fer ou de titane s'aimantent selon l'orientation du champ magnétique local. On obtient alors une aimantation fossile dite thermorémanente. On trouve aussi une aimantation fossile, mais moins intense, dans des sédiments qui contiennent aussi des minéraux magnétiques qui se sont orientés tels des aiguilles de boussoles dans le champ magnétique, au fur et à mesure que les dépôts se mettaient en place. On parle alors d'aimantation rémanente détritique.

Or, le champ magnétique de la Terre s'est inversé à plusieurs reprises au cours de l'histoire de la Terre. Ces inversions laissent un signal caractéristique dans l'aimantation des roches et elles peuvent servir à dater leur formation. Elles sont porteuses aussi d'autres informations comme la latitude où les roches se sont formées et cette mémoire magnétique a été déterminante pour la découverte et l'acceptation de la théorie de la tectonique des plaques au cours des années 1960.

Les informations venant de l'étude du paléomagnétisme complètent celles venant de la géochimie isotopique car elles sont indépendantes du climat. On peut aussi s'en servir dans des carottes des sédiments océaniques pour identifier des courants profonds à l'origine de certains dépôts. La nature des grains magnétiques - leur taille, leur concentration et leur orientation préférentielle dans les sédiments - peut ainsi servir à déterminer des courants passés produits par l'avance ou le recul des glaciers ainsi que des apports continentaux liés à des fleuves.

Des magnétomètres cryogéniques utilisant la technologie des squids supraconducteurs permettent aux chercheurs du LSCE de mesurer des aimantations fossiles dans des carottes de laves et de sédiments. © Laurent Sacco, Futura

Pour ceux qui voudraient en savoir plus n'hésitez pas à plonger dans ces extraits de cours de niveau licence que l'on doit à des membres du LSCE :

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