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Analyse isotopique des carottages glaciaires

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 des échantillons de neige et de glace issus de carottages glaciaires réalisés au Groenland et en Antarctique occupe une place à part dans l'histoire de l'étude du climat. Elle a ainsi permis, via le forage de Vostok, de mettre en évidence une corrélation entre effet de serre et climat.

Je reviendrai plus loin sur l'apport de l'analyse isotopique de l'eau à la compréhension des phénomènes atmosphériques à travers l'évocation de l'approche suivie par Guillaume Tremoy au Niger. Mais j'aimerais d'abord vous faire partager mon enthousiasme pour ce qui en est un des fleurons : l'analyse en deutérium et oxygène 18 des carottages glaciaires réalisés au Groenland et en Antarctique.

Les deux premiers forages ont été réalisés, l'un en 1966, à Camp Century, au nord-ouest du Groenland, l'autre en 1969, à Byrd, en Antarctique de l'Ouest, sous l'impulsion du Danois Willi Dansgaard et avec le soutien des Américains.

Carottages glaciaires réalisés au Groenland. © Nasa Goddard Space Flight Center, CC by-nc 2.0

Dès la fin des années 1950, Claude Lorius s'est intéressé à l'Antarctique en se focalisant sur la répartition des isotopes dans les neiges de surface et dans des forages peu profonds, en région côtière. Puis, avec son équipe, il réalisa, en 1977, un premier forage profond au site du Dome C. Durant toute cette période, une collaboration s'est mise en place avec le LGI, qui assurait l'analyse isotopique des échantillons de neige et de glace, et l'équipe de Lorius qui, après s'être installée dans une péniche amarrée aux quais de la Seine, a intégré le LGGE (Laboratoire de glaciologie et géophysique de l'environnement), à Grenoble. La collaboration s'est poursuivie depuis de façon extrêmement fructueuse.

Des glaces de la dernière période glaciaire

Ces trois forages, Camp Century, Byrd et Dome C, ont donné accès à de la glace de la dernière période glaciaire, mais n'ont pas permis d'atteindre la période chaude antérieure, celle de la précédente période interglaciaire, qui date d'il y a environ 125.000 ans. Il en sera de même pour les forages réalisés au cours des années 1970 à Dye 3, au sud du Groenland, et à Vostok, au cœur de l'Antarctique, site où, malgré les conditions extrêmes, les foreurs soviétiques ont décidé de s'installer.

Le glaciologue Claude Lorius fut l'un des premiers à mettre en évidence le lien entre effet de serre et climat. © Marc Perrey Wild Touch, tous droits réservés

Forage de Vostok : un lien entre effet de serre et climat

Claude Lorius et Volodya Kotlyakov, directeur de l'Institut de géographie de Moscou, ont noué de solides relations d'amitié, qui sont pour beaucoup dans la collaboration étroite qui s'est établie, à partir de 1982, entre les équipes françaises et soviétiques dans le cadre du projet Vostok. Des équipes américaines y seront associées quelques années plus tard, les États-Unis apportant un soutien logistique aux opérations. Le projet est alors à un tournant : en mai 1982 les foreurs soviétiques ont dépassé les 2 km de profondeur et remonté de la glace vieille de plus de 150.000 ans. Qui plus est, l'équipe grenobloise de Dominique Raynaud est passée maître dans l'extraction des bulles d'air et dans l'analyse de leur composition en gaz carbonique et en méthane, en particulier grâce à Jean-Marc Barnola et Jérôme Chappellaz. Avec à la clé une série d'articles qui mettent en évidence une corrélation étroite entre effet de serre et climat depuis la précédente période glaciaire : plus il fait chaud, plus l'effet de serre est élevé et inversement.

Cette illustration très claire du rôle climatique de l'effet de serre a contribué à la prise de conscience de l'influence des activités humaines sur notre climat. En 1988, celle-ci s'est traduite par la création du GIEC (Groupe intergouvernemental d'experts sur l'évolution du climat).

Figure 3 : cette figure illustre la relation entre climat et gaz à effet de serre au cours des 800.000 dernières années. La température en Antarctique (au milieu) est déduite du profil de teneur en deutérium analysé par l’équipe de Saclay le long du forage de plus de 3 km réalisé au Dome C dans le cadre du projet européen EPICA. Les variations de la composition de l’atmosphère en gaz carbonique (en haut) et en méthane (en bas) ont été obtenues par les équipes de Grenoble et de Berne à partir de l’air extrait des glaces de Vostok pour les quatre derniers cycles climatiques et du forage du Dome C pour la glace vieille de plus de 420.000 ans. Elles sont exprimées en ppmv (parties par million en volume) pour le gaz carbonique, CO2, et en ppbv (parties par milliard en volume) pour le méthane, CH4. © Jean Jouzel, tous droits réservés

La poursuite du forage a permis d'étendre les enregistrements de Vostok aux quatre derniers cycles climatiques et de confirmer la relation entre climat et effet de serre mise en évidence sur l'ensemble de cette période. Dans les années 2000, le forage réalisé au Dome C, dans le cadre d'un projet européen, a permis de doubler la mise : c'est maintenant sur plus de 800.000 ans que sont disponibles des enregistrements des variations climatiques, de la composition de l'atmosphère et de beaucoup d'autres indicateurs environnementaux (figure 3 ci-dessus). Les opérations de forage se sont également poursuivies au Groenland, avec l'obtention de quatre nouveaux forages profonds qui ont permis d'améliorer la documentation des variations rapides qui ont ponctué la dernière période glaciaire et la dernière déglaciation.