Les isotopes, indicateurs climatiques

La molécule d’eau H₂O est formée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. L’un ou l’autre des atomes d’hydrogène peut, dans 0,015 % des cas en moyenne, être l’isotope stable lourd de l’hydrogène, le deutérium.
De même, l’atome d’oxygène est dans 0,2 % des cas l’isotope lourd ¹⁸O. Mais des processus physiques ou chimiques peuvent enrichir ou appauvrir l’eau en ses isotopes lourds. Dans le cas qui nous intéresse, ce sont les changements de phase : évaporation ou condensation, qui conduisent à un fractionnement faible mais mesurable. Lors du changement de phase, la phase la plus dense est enrichie en l’isotope le plus lourd au détriment de la phase légère.

Initialement appauvrie en isotopes lourds lors de son évaporation dans les régions tropicales, la vapeur d’eau va continuer à en perdre tout au long de son trajet vers les pôles, du fait des condensations successives partielles qu’elle va subir par suite de la baisse progressive de sa température. Plus le refroidissement est marqué et plus la neige sera appauvrie. Par la mesure de la composition isotopique de la glace, on a donc accès à la température du nuage dont elle est issue.

La glace polaire est donc appauvrie en deutérium de même qu’en ¹⁸O. Cet ¹⁸O va se retrouver dans les eaux et en particulier dans les océans dont l’eau en est ainsi enrichie. Cet excès de ¹⁸O peut être mesuré dans les restes carbonatés des foraminifères qui ont sédimenté au fond des océans.

En combinant les mesures de composition isotopique des glaces polaires et des foraminifères marins, on peut en déduire la quantité d’eau qui avait été soustraite à la mer pour former les glaces, et donc le volume total des glaces ou le niveau de la mer à cette époque. C’est ainsi qu’on a pu montrer que le niveau de la mer était de quelque 120 mètres plus bas lors des grandes glaciations qu’actuellement ; ce qui a permis à nos ancêtres de pénétrer dans la grotte Cosquer, dont l’entrée est aujourd’hui située à 37 m de profondeur dans les calanques près de Marseille.

Les changements de phase ne sont pas les seuls processus conduisant à un fractionnement. La diffusion, certaines réactions biologiques…, conduisent à des fractionnements, dont la mesure sert à signer et quantifier l’occurrence de ces processus et donc l’origine, naturelle ou anthropique, biologique ou minérale, de l’élément mesuré.

Vie et mort des foraminifères

© CEA

Des foraminifères - animaux planctoniques - vivent et meurent dans les eaux océaniques. On retrouve leurs coquilles dans les sédiments au fond des océans. Lors des refroidissements brutaux qui ont ponctué les phases de réchauffement, les conditions (température et salinité) font que les foraminifères disparaissent complètement.
À leur place, les sédiments contiennent des débris rocheux, arrachés aux continents par les glaciers. C’est la chute dans l’océan de gigantesques morceaux de ces glaciers qui, par l’apport massif d’eau douce qu’elle a entraîné, a modifié la circulation océanique et provoqué le refroidissement.

Le Sahara jadis verdoyant…

La variabilité climatique ne se limite pas aux périodes glaciaires. Il y a 6 000 ans, le Sahara n’était pas le désert que nous connaissons, mais une région verdoyante avec des lacs où l’on pratiquait l’élevage, la pêche…, ainsi qu’en attestent les nombreuses peintures rupestres. L’Europe a connu un optimum de température au Moyen-Âge, qui a, entre autres, permis la colonisation du sud Groenland par les Vikings.

Ensuite, un refroidissement notable a marqué la période 1 400-1 850 : le petit âge glaciaire a vu la température baisser sur toute l’Europe et vraisemblablement sur le globe, avec une avancée notable des glaciers. Depuis 1850, on assiste à un réchauffement qui marque la fin du petit âge glaciaire. 1 750 marque l’entrée dans l’ère industrielle, et il faut maintenant faire la part entre ce qui est naturel et ce qui est dû à l’activité humaine.

L’exemple de El Niño

Il s’agit d’une variabilité à court terme du climat, qui se situe d’abord dans le Pacifique équatorial, mais qui, dans ses événements les plus violents, affecte toute la zone intertropicale et même jusqu’à 40° Sud, des océans Indien et Pacifique, et le bord ouest de l’Atlantique.
Elle se caractérise par une anomalie couplée de l’atmosphère et de l’océan. Dans la situation normale (en l’absence de El Niño), les alizés poussent les eaux de surface de l’Amérique vers l’Indonésie. Il en résulte, à l’ouest du Pacifique, une forte humidité sur l’Indonésie et un niveau de la mer plus haut qu’à l’est. À l’est du Pacifique, le long des côtes du Pérou, il y a une remontée des eaux profondes froides, riches en nutriments, ce qui entraîne des températures fraîches et une productivité marine très favorable à la pêche.

Hendrick Avercamp (1585-1634), Paysage d’hiver avec patineurs (Rijksmuseum, Amsterdam). © akg-images

Les hivers froids où les patineurs s’en donnaient à cœur joie sur les rivières gelées ont beaucoup inspiré les peintres pendant le petit âge glaciaire.

Tous les trois ou quatre ans environ, les alizés faiblissent, l’océan reflue vers le Pérou, bloquant les remontées d’eau profonde et pouvant provoquer des pluies torrentielles sur la côte ouest de l’Amérique du Sud et une grande sécheresse, éventuellement génératrice d’incendies, en Indonésie. Ce phénomène qui dure plusieurs mois avait été baptisé El Niño (l’enfant, sous-entendu : Jésus) par les populations du Pérou, qui appréciaient son apport d’eau chaude sur les côtes froides aux environs de Noël.

Entre deux événements du type El Niño, il arrive que se produise le phénomène inverse qui, par analogie, a été baptisé La Niña. Étant donné la violence de récents El Niño, la question se pose d’une influence du réchauffement climatique sur la fréquence et l’intensité du phénomène.
El Niño n’est pas le seul mode de variabilité climatique. Ainsi l’Oscillation Nord-Atlantique (NAO), qui module la position et l’intensité des vents d’ouest sur l’océan, marque fortement les conditions climatiques (température, précipitations, tempêtes…) sur l’Atlantique Nord et sur l’Europe.