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Analyse isotopique de l'eau des grêlons

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
 

L'analyse isotopique de l'eau a notamment été employée pour mieux comprendre les mécanismes de formation de la grêle. L'analyse en deutérium permet par exemple de reconstituer l'évolution en altitude de certains grêlons.

Au début des années 1990, le LGI (Laboratoire de géochimie isotopique) contribue à la construction du LMCE (Laboratoire de modélisation du climat et de l'environnement), dont la fusion avec le CFR, Centre des faibles radioactivités, conduisit, en 1996, à la création de l'actuel LSCE (Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement, une unité mixte CEA-CNRS-UVSQ, l'UVSQ étant l'université Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines, par ailleurs une des composantes de l'Institut Pierre Simon Laplace).

Détail d'un grêlon où l'on peut voir les différentes couches. © ERZ, CC by-sa 3.0

C'est au LSCE que j'ai eu le plaisir de côtoyer Guillaume Tremoy, un des lauréats du Prix Le Monde de la recherche universitaire pour l'année 2013, plus précisément au sein de l'équipe désormais dirigée par Françoise Vimeux, sa directrice de thèse. S'y poursuivent une large part des recherches initialement développées au LGI, en particulier celles s'appuyant sur l'analyse des isotopes stables de l'eau dans les précipitations, auxquelles Guillaume a ajouté une dimension originale et essentielle, l'analyse isotopique de la vapeur d'eau en continu.

Mais, au-delà de cette proximité que nous avons vécue depuis que Guillaume est arrivé au laboratoire, les sujets de thèse qui nous ont été proposés, à lui comme à moi, à plus de quarante ans d'écart, sont loin d'être étrangers l'un à l'autre. Comme Guillaume, je me suis intéressé aux systèmes convectifs, non pas à ceux qui rythment les moussons, objet de son travail de doctorat, mais à la formation des grêlons dont certaines cellules convectives sont le siège.

La teneur en tritium dans l'eau des grêlons

Lorsque j'arrive au LGI en octobre 1968, Étienne Roth me propose de travailler sur l'analyse des isotopes de l'eau dans les grêlons. Des études portant sur la répartition du deutérium dans des grêlons de quelques centimètres y ont déjà été réalisées. Elles sont très prometteuses et le projet consiste à les étendre à l'analyse de gros grêlons (près de 8 cm dans leur dimension la plus importante...) qu'Étienne Roth a ramenés des États-Unis et du Canada. L'objectif est alors d'analyser, conjointement au deutérium, l'oxygène 18 et le tritium, pour lequel j'ai été amené à adapter une méthode d'analyse permettant de travailler sur des petits échantillons. Cette approche s'appuie sur l'idée que la teneur en isotopes stables des gouttelettes surfondues qui contribuent à la croissance des couches successives décroît à mesure que la température diminue et donc que l'altitude de formation des grêlons augmente ; la teneur en tritium fournit une information complémentaire sur l'intensité du mélange entre la cellule convective et l'air environnant.

Figure 2 : photographie d’une tranche d’un grêlon tombé dans la province d’Alberta (Canada) le 7 août 1971, montrant l’alternance de couches foncées (croissance sèche) et de couches claires (croissance humide). L’analyse en deutérium permet de reconstituer l’évolution en altitude de ce grêlon, qui s’est formé dans trois ascendances successives (source : Jean Jouzel, Étienne Roth et Liliane Merlivat, « Isotopic study of hail », Journal of Geophysical Research, vol. 80, n° 36, 20 décembre 1975). © Jean Jouzel, tous droits réservés

Ces analyses indiquent que, pour atteindre des tailles de cet ordre, les grêlons se forment durant une vingtaine de minutes dans des ascendances successives au sein desquelles les vents verticaux peuvent dépasser les 150 km/h (figure 2 ci-dessus).

Ces recherches sur les mécanismes de formation de la grêle auraient pu avoir des retombées sur la mise en œuvre des méthodes de prévention fondées sur l'ensemencement des nuages à l'aide d'iodure d'argent, méthodes qui visent à augmenter le nombre de noyaux de condensation et à conduire ainsi à la formation de plus petits grêlons. Espoir déçu : l'inefficacité de cette méthode a été clairement démontrée à la fin des années 1970. L'intérêt pour les études à caractère fondamental, telles que celles conduites au LGI sur la formation de la grêle, s'est alors rapidement estompé.