Climat du Quaternaire récent et analyse de séries temporelles : introduction à la reconstruction des climats anciens

L'information sur le climat peut provenir de différentes sources.

C'est cette troisième catégorie d'indicateurs climatiques qui fait l'objet de ce cours.

Dans un premier temps, nous introduirons deux méthodes d'acquisition de données utilisées par les paléoclimatologues dans l'étude et la reconstruction des climats du passé :

Dans un deuxième temps, ce TD sera consacré à l'explication des causes principales de la variation climatique naturelle enregistrée par ces séries sédimentaires. Il s'agit, en fait, de faire le lien entre la succession de cycles glaciaires - interglaciaires et les variations de l'insolation. Dans ce cadre nous reprendrons à l'aide d'une modélisation de la rotation de la Terre autour du Soleil, la théorie astronomique des paléoclimats élaborée par Milutin Milankovitch et publiée en 1941.

En parallèle, des calculs d'insolation pour différentes périodes de temps à l'aide d'un logiciel (AnalySeries) ainsi que des calculs simples de transport de chaleurs viendront compléter l'utilisation de la maquette de l'Observatoire de Lyon.

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Figure 1. Variation du rapport isotopique de l'oxygène issue de tests calcaires de foraminifères planctoniques prélevés le long d'une carotte marine du Pacifique équatorial

Question 1 : D'après ce que vous connaissez de la relation entre les variations du rapport isotopique de l'oxygène et les changements de température, quelle est l'évolution des températures suggérée par la courbe de la figure 1 ?

Figure 2. Processus de fractionnement isotopique de l'oxygène

Question 2 : D'après vos conclusions et la figure 2, quels sont les autres mécanismes naturels susceptibles de faire la même chose à partir de l'eau des océans ?

Question 3 : Finalement, quelles sont les informations climatiques enregistrées par les courbes d'évolution du δ¹⁸O des foraminifères extrait des carottes marines ?

Figure 3. Variations du δ¹⁸O dans les 200 premiers mètres d'une carotte marine

La courbe (a) montre les variations du δ¹⁸O des foraminifères planctoniques en fonction de la profondeur et la courbe (b) celles des foraminifères benthiques.

Question 4 : Quelles conclusions peut-on tirer de la comparaison des deux courbes de la figure 3 ?

La différence du rapport isotopique entre les foraminifères benthiques et planctoniques dans un échantillon prélevé au sommet d'une carotte, est d'environ 5,3‰ .

Question 5 : À quoi est due cette différence ?

Figure 4. Variations du δ¹⁸O dans les 200 premiers mètres d'une carotte marine, courbes superposées

Si l'on suppose que le premier minimum près de la surface correspond au point le plus récent, on constate que ces deux courbes varient de manière identique au cours du temps. Elles se suivent étroitement mais avec un écart important au niveau du premier maximum, situé à environ 35 cm de profondeur.

Question 6 : D'après ces informations, que s'est-il passé à cette profondeur, au moment de l'enregistrement par le δ¹⁸O des foraminifères ?

Question 7 : Que représentent alors les minima et le maximum ?

Question 8 : Que représente la différence isotopique entre les extremums dans la courbe des foraminifères planctoniques ?

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Figure 5. Variations du δ¹⁸O des foraminifères benthiques et planctoniques, courbes obtenues à partir de plusieurs carottes du Pacifique équatorial

Question 9 : En faisant abstraction des fluctuations du δ¹⁸O des foraminifères benthiques causées par le changement du volume des glaces, quelle est la tendance globale, au cours des 4 derniers millions d'années (figure 5) ? Qu'est-ce que cela indique ?

Question 10 :A priori, combien de temps faut-il à la composition en isotopes de l'oxygène de l'océan mondial pour réagir aux changements du volume des glaces ?

Par conséquent, ceci signifie que les pics et creux des courbes de δ¹⁸O des foraminifères benthiques prélevés dans l'océan mondial sont synchrones. Toutefois, une datation un peu plus précise est nécessaire quand il s'agit de faire le lien entre les variations climatiques enregistrées par les foraminifères et la cause de ces bouleversements climatiques.

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Figure 6. Évolution de rapport isotopique de l'oxygène pour deux carottes, l'une prélevée dans l'océan Austral et l'autre dans l'océan Pacifique

Question 11 : Pour quelle raison, les pics de ces deux carottes ne se trouvent pas à la même profondeur ?

Pour s'assurer de la synchronisation de ces événements à l'échelle du globe, une datation absolue des sédiments est nécessaire. Plusieurs méthodes de datation existent. L'une d'entre elles est basée sur la datation de points précis, dits « points de contrôle » :

Entre les points de contrôle, on fait l'hypothèse d'un taux de sédimentation constant.

Question 12 : Le dernier maximum glaciaire (datation au ¹⁴C) est daté à 21.000 ans et l'avant-dernier interglaciaire (datation U/Th de coraux) à 125.000 ans. Donnez la profondeur de ces deux événements.

Figure 7. Variations du δ¹⁸O de foraminifères benthique

Question 13 : En supposant que le taux d'accumulation est constant, établir la relation âge - profondeur pour les deux carottes de la figure 7. En déduire le taux de sédimentation.

Figure 8. Les calottes glaciaires polaires, sites de forage

Figure 9. Relation température / rapports isotopiques des précipitations

Question 14 : D'après la figure 8 et la figure 9, quelles sont les informations climatiques enregistrées par la courbe d'évolution du δD à Vostok (figure 10) ?

Figure 10. Variations avec la profondeur du δ¹⁸O dans les glaces du forages de Vostok

Comme pour les séries marines (basées sur le δ¹⁸O des foraminifères), une étape importante dans le traitement et la compréhension des séries issues des glaces est l'établissement d'une relation âge - profondeur. L'approche ici est différente et la datation est en général basée sur la confrontation de nombreuses méthodes (comptage des couches de glace, horizons de cendres volcaniques, conductivité électrique, méthodes radio-isotopiques…).

Le tableau donne un âge à deux profondeurs aux sites de forage de Vostok en Antarctique et de GISP2 au Groenland.

Question 15 : D'après ce tableau, donnez la relation âge - profondeur. On supposera que le taux d'accumulation est constant. En déduire le rapport du taux d'accumulation entre la carotte de Vostok et celle de GISP2.

Figure 11. Variations du δ¹⁸O dans les glaces des forages de Vostok et GISP2

Question 16 : D'après ce rapport et sachant que les deux calottes sont de la même épaisseur, dans quelle calotte pourra-t-on remonter le plus loin dans le temps (voir figure 11) ?

Question 17 : Quelle est celle qui permet d'affiner la résolution temporelle ?

Question 18 : D'après la figure 12, l'axe des temps obtenu de cette façon vous paraît-il correct ?

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Figure 12. Datation des variations δ¹⁸O dans les glaces des forages de Vostok et GISP2, hypothèse d'accumulation constante

En fait le problème majeur dans la datation des carottes de glace provient des phénomènes de déformation de la glace près du socle rocheux sous l'action de la pression. L'hypothèse d'un taux d'amincissement constant n'est alors plus possible. Des méthodes de correction basées sur l'utilisation de modèles glaciologiques ou sur la corrélation avec d'autres séries paléoclimatiques permettent de minimiser les erreurs de datation (figure13).

Figure 13. Variation orbitales et variations isotopiques de l'oxygène

Question 19 : D'après la figure 14, pouvez vous observer une périodicité régulière des périodes interglaciaire au cours des derniers 500.000 ans ? Quelles sont les autres fréquences présentent dans la courbe de δ¹⁸O ? À quels phénomènes astronomiques peut-on les relier ?

Question 20 : La figure 15 représente les variations des paramètres orbitaux pour les derniers 500.000 ans.

Figure 14. Variation des paramètres orbitaux pour les derniers 500.000 ans

La position du trait rouge sur la figure 15 marque un minimum d'insolation en été dans l'hémisphère Nord, il y à environ 115.000 ans. À l'aide de la maquette et de la figure 15, faites le lien entre la configuration orbitale et ce minimum d'insolation estivale de l'hémisphère Nord.

De même, la position du trait bleu marque un maximum d'insolation en été dans l'hémisphère nord, il y a environ 11.000 ans. À l'aide de la maquette et de la figure 15, faites le lien entre la configuration orbitale et ce maximum d'insolation estivale de l'hémisphère Nord.

Question 21 : La figure 16 montre l'évolution du δ¹⁸O pour le dernier cycle climatique ainsi que les changements d'insolation en été et en hiver de l'hémisphère Nord.

Figure 15. Évolution du δ¹⁸O pour le dernier cycle climatique et insolation en été et en hiver de l'hémisphère Nord depuis 150 ka et prévisions pour les prochains 150 ka

Le trait rouge marque une transition entre un minimum du δ¹⁸O (minimum du volume des calottes de glace) et le début d'une lente augmentation du δ¹⁸O. Cette transition marque la fin du dernier interglaciaire et le début de la mise en place des calottes polaires (vers 115.000 ans). D'après ce schéma, comment sont l'été et l'hiver au moment de l'entrée en glaciation par rapport à l'actuel ?

Question 22 : Toujours sur la figure 16, le trait bleu marque une transition entre un maximum de δ¹⁸O (maximum du volume des calottes de glaces) et une diminution rapide du δ¹⁸O. Cette transition marque la fin du dernier maximum glaciaire et le début de la fonte des calottes de glace. D'après ce schéma, comment sont l'été et l'hiver au moment de cette déglaciation par rapport à l'actuel ?