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Les pionniers de l'analyse isotopique de l'eau : Étienne Roth et Jacques Labeyrie

Dossier - L'analyse isotopique de l'eau, une clé pour comprendre le climat
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L’analyse isotopique de l’eau marque une étape cruciale dans l’histoire de l’étude du climat. Grâce à elle, en s’appuyant sur des carottages réalisés dans les calottes glaciaires, les Hommes ont pu réaliser un formidable voyage dans le temps en reconstituant les climats du passé. Cet incroyable outil permet aussi de mieux étudier les phénomènes météorologiques actuels tels que la mousson.

  
DossiersL'analyse isotopique de l'eau, une clé pour comprendre le climat
 

Deux chercheurs du CEA (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives), Étienne Roth et Jacques Labeyrie, sont considérés comme des pionniers de l'analyse isotopique de l'eau. Grâce à eux, cette technique permet désormais de reconstruire les variations passées de notre climat.

La question m'a été souvent posée : comment se fait-il que des chercheurs du CEA (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives) s'intéressent à l'évolution de notre climat, un domaine a priori assez éloigné des missions de cet organisme ? Certes la relation entre énergie et effet de serre peut justifier un tel intérêt, mais les premières publications du CEA remontent aux années 1950, époque à laquelle quasiment personne ne se souciait du lien, désormais avéré, entre activités humaines et réchauffement climatique. Il faut chercher ailleurs et plus précisément saluer l'enthousiasme et l'esprit visionnaire de deux chercheurs récemment disparus, Étienne Roth et Jacques Labeyrie - qui ont tous les deux intégré cet organisme en 1946, quelques mois après sa création par le Général de Gaulle - et de leurs équipes.

Svitjodbreen Glacier, Svalbard. © Allan Hopkins, CC by-nc 2.0

Analyse isotopique : les travaux d'Étienne Roth et Jacques Labeyrie

Après s'être familiarisé aux États-Unis et au Canada avec la technique de la spectrométrie de masse utilisée pour mesurer les compositions isotopiques, Roth a créé et dirigé des équipes de recherche sur les procédés d'enrichissement isotopique ; il s'est intéressé, en particulier, à celui de l'hydrogène en vue dela fabrication de l'eau lourde, D2O, formée de deux atomes d'hydrogène lourd (isotope stable de l'hydrogène avec un neutron, communément désigné sous le nomde deutérium, D) et d'un atome d'oxygène. En parallèle, il se passionne pour les potentialités offertes par l'étude des variations naturelles de cet isotopedans différents domaines. Ces activités, regroupées au sein du LGI (Laboratoire de géochimie isotopique), couvrent un spectre très large, allant de l'analysedes jus de fruits afin de préciser leur provenance à celle des neiges et des glaces du Groenland et de l'Antarctique.

De son côté, Jacques Labeyrie s'intéresse avant tout aux isotopes radioactifs, qu'ils soient naturels ou artificiels. Il développe des instruments dédiés et met en place un programme d'observations atmosphériques à partir de sondes et de ballons, programme qui constitue l'un des éléments à l'origine des recherches enastrophysique au CEA. Avant tout curieux de l'histoire de notre planète, il crée, en 1961, le CFR, le Centre des faibles radioactivités (CEA-CNRS), avecl'objectif d'utiliser la radioactivité naturelle et artificielle pour décrire précisément les phénomènes qui ont marqué cette histoire et d'en préciser lachronologie grâce aux isotopes radioactifs tels que le carbone 14.

Le deutérium et l'oxygène 18, des isotopes lourds

Il est un domaine où les passions d'Étienne Roth et de Jacques Labeyrie sont remarquablement complémentaires, celui de la reconstruction des variations passées de notre climat, pour laquelle l'approche isotopique constitue un outil de choix. En premier lieu, la molécule d'eau H216O et ses deux formesisotopiques, HDO, dans laquelle un des atomes d'hydrogène est remplacé par un atome de deutérium, et H218O, dans laquelle l'oxygène 18 prend la place del'oxygène 16. Par la suite, nous désignerons ces molécules, un peu abusivement, par l'expression « isotopes de l'eau ».

Dans les années 1950 et 1960, les travaux du glaciologue danois Willi Dansgaard ont mis en évidence une relation entre la composition isotopique des précipitations et leur température de formation, très bien documentée dans les moyennes et hautes latitudes : plus il fait froid, moins la pluie et la neigecontiennent d'isotopes lourds (deutérium et oxygène 18).

Flocons de neige au microscope électronique. © DP

Les neiges des régions froides, pauvres en isotopes lourds

Cette relation résulte des fractionnements isotopiques affectant la molécule d'eau à chacun de seschangements de phase. Les gouttelettes et les cristaux de neige sont plus riches en isotopes lourds que la vapeur d'eau qui leur donne naissance, si bien quela vapeur d'eau restant dans la masse d'air - et donc les précipitations qui s'y forment - s'appauvrit en isotopes lourds à mesure que cette quantité devapeur d'eau diminue. Cette quantité dépend de la pression de vapeur saturante qui diminue avec la température. Résultat, plus il fait froid, moins une massed'air peut contenir de vapeur d'eau  et ce sont les neiges des régions polaires, les plus froides de notre planète,  qui sont les plus pauvres en isotopeslourds. Les neiges qui tombent dans les régions les plus froides de l'Antarctique contiennent près de deux fois moins de deutérium que les eaux océaniques(figure 1 ci-dessous). D'où l'idée que les variations de composition isotopique mesurées le long des carottages réalisés dans les calottes glaciaires permettentd'accéder aux variations passées de la température. Cela vaut aussi bien pour le deutérium que pour l'oxygène 18, dont les variations, liées aux mêmesprocessus de fractionnement, sont très fortement corrélées.

Figure 1 : Cette figure illustre la variation des teneurs moyennes en deutérium (échelle de gauche) et en oxygène 18 (échelle de droite) des neiges récentesde l’Antarctique de l’Est et du Groenland (analysées respectivement à Saclay, en France, et à Copenhague, au Danemark) en fonction de la température moyenne annuelle du site. © Jean Jouzel, tous droits réservés

Analyse isotopique et variations passées du niveau de la mer

En outre, en période glaciaire, l'accumulation de glace pauvre en isotopes lourds sur les régions continentales de l'hémisphère Nord - synonyme de baisse des niveaux des mers - correspond à une augmentation mesurable de la composition en oxygène 18 de l'océan. Celle-ci se retrouve dans la composition de lacalcite d'animaux marins tels que les foraminifères. Les paléocéanographes utilisent largement cette propriété pour retrouver des informations sur lesvariations passées du niveau de la mer à partir de l'analyse de sédiments marins dont les équipes du CFR se sont fait la spécialité.

D'autres méthodes (analyse élémentaire, comptage d'espèces...) sont couramment appliquées. D'autres isotopes sont source d'informations climatiques (oxygène17, carbone 13, isotopes de l'azote, de l'argon...) et/ou chronologiques (isotopes radioactifs du carbone, du potassium, de l'argon, du plomb, de l'uranium, duthorium...). D'autres archives nous livrent les secrets des climats passés (coraux dans l'océan- voir à ce propos notre dossier Coraux, récifs coralliens et climats du passé-, concrétions calcaires, sédiments lacustres, cernes d'arbres,séries polliniques...). Mais quelle que soit l'archive, l'empreinte de la composition isotopique des précipitations et/ou des eaux océaniques y est inscrite,dans presque tous les cas. Si bien que l'analyse en oxygène 18 et en deutérium, qui est au cœur des reconstructions proposées par les glaciologues et despaléocéanographes, est largement utilisée pour la plupart des autres archives. En tout état de cause, l'origine de l'implication du CEA dans des recherchesliées à l'évolution de notre climat est sans ambiguïté : elle repose sur l'analyse isotopique - et a en ce sens un lien de compétences avec le nucléaire - etdoit beaucoup à des pionniers comme Roth et Labeyrie.