Nouveau regard sur l'augmentation du CO2 atmosphérique lors de la dernière transition glaciaire-interglaciaire

Vendredi, 2 juillet 2010

C'est une sorte de "quête du Graal" qui s'achève aujourd'hui pour des glaciologues du CNRS et de l'Université Joseph Fourier, dans le cadre d'une collaboration nationale et européenne. Après deux décennies d'effort, ils viennent en effet de mettre au point une méthode permettant de mesurer dans les carottes de glace, avec une précision inégalée, le rapport des isotopes stables 13C et 12C du carbone qui constituait le gaz carbonique de l'atmosphère dans les temps passés. L'enjeu était de taille, car connaître l'évolution de ce rapport va aider à mieux comprendre les mécanismes responsables de l'augmentation de près de 40% de ce gaz à effet de serre durant les transitions glaciaires-interglaciaires qu'a connues notre planète au cours des 800 000 dernières années. Ayant évalué ce rapport pour la dernière de ces transitions, leur résultat suggère notamment qu'une large part de cette augmentation provient d'un dégazage, par l'océan Austral, du carbone stocké dans l'océan profond pendant la glaciation précédente.

Depuis le début des années 80, leurs analyses du contenu des petites bulles d'air piégées en profondeur dans les grands glaciers de l'Antarctique et du Groenland ont permis aux glaciologues de documenter l'évolution temporelle passée de la concentration de l'atmosphère en gaz à effet de serre. Progressivement, ce sont un, puis quatre, puis huit cycles climatiques portant sur 800 000 ans d'histoire, chacun d'eux caractérisé par une période froide suivie d'une période chaude, qui ont ainsi pu être décrits. Or, tous montrent une forte corrélation entre climat et concentration en gaz à effet de serre (communiqué de presse du 14-05-2008), ces gaz ayant contribué par leur forçage radiatif aux successions climatiques naturelles de l'ère Quaternaire.

Toutefois, si les mécanismes climatiques naturels susceptibles de conduire à l'accroissement de la quantité de gaz carbonique (CO2) dans l'atmosphère durant les transitions glaciaires-interglaciaires sont connus qualitativement(1), ils sont sujets à large débat pour ce qui est de leur contribution quantitative respective. D'autres données étaient donc nécessaires pour expliquer pourquoi la concentration en CO2 atmosphérique augmente de 180 à 280 ppmv(2) environ lors de ces transitions.

Une solution consiste à documenter l'évolution concomitante du rapport des isotopes stables 12C et 13C du carbone constituant la molécule de CO2 dans l'atmosphère. En effet, les processus biogéochimiques impliqués dans les échanges de CO2 entre l'atmosphère, la biosphère et les océans possèdent des signatures isotopiques spécifiques(3) et en conséquence si leur contribution au cycle du CO2 évolue, la composition isotopique du carbone du CO2 atmosphérique évoluera également. Cependant, la difficulté analytique majeure d'une telle mesure, à savoir la petitesse du signal à observer, a longtemps cantonné ce type d'étude au rang de "challenge", seules deux études internationales publiées en 1992 et 1999 ayant commencé à lever le voile sur ce signal très désiré.

Les chercheurs du Laboratoire de glaciologie et géophysique de l'environnement de Grenoble (LGGE/OSUG) se sont attelés à cette question en mettant tout d'abord au point au cours des dernières années un nouveau système analytique donnant accès à ce signal à partir de seulement quelques dizaines de grammes de glace polaire et avec une résolution temporelle cinq fois supérieure à celle de l'étude conduite en 1999 par des chercheurs américains.


Réalisées sur la glace du forage européen EPICA conduit à la station Concordia en Antarctique, leurs premières mesures ont porté sur la dernière transition glaciaire-interglaciaire, entre - 20 000 ans et - 10 000 ans. Elles révèlent que ce rapport isotopique évolue en présentant une forme en "W", les branches descendantes de ce "W" accompagnant les phases d'augmentation les plus importantes de la concentration en CO2 dans l'atmosphère durant la déglaciation et son pic central étant associé à une phase de stabilisation de cette concentration.

En collaboration avec des chercheurs du Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (LSCE/IPSL) et de l'Institut Alfred-Wegener (AWI - Bremerhaven, Allemagne), les chercheurs ont ensuite comparé ces données originales avec de nombreux données issues d'enregistrements sédimentaires réalisées en milieu océanique et ils se sont appuyés sur deux modèles du cycle du carbone (BICYCLE et BOXKIT) pour interpréter au mieux les résultats obtenus.
Ils concluent que le mécanisme responsable de la plus grande part de l'accroissement du CO2 atmosphérique durant la dernière déglaciation réside dans l'augmentation des échanges entre les eaux de surface et les eaux profondes de l'océan Austral, laquelle rompt la stratification que connaît l'océan profond en conditions glaciaires, la relative stabilité du CO2 en milieu de déglaciation reflétant une phase de croissance de la biosphère continentale, dont la consommation de CO2 compenserait l'émission de CO2 par l'océan Austral.

Des approches plus sophistiquées utilisant des modèles couplés climat-carbone du système Terre seront nécessaires à l'avenir pour mieux démêler la contribution de chaque processus aux évolutions climatiques qui ont prévalu dans le passé et ainsi mieux évaluer et améliorer les modèles climatiques eux-mêmes.
Ces travaux mettent en exergue l'océan Austral comme un élément essentiel du cycle du carbone, susceptible de contribuer dans le futur à augmenter les concentrations de CO2 dans l'atmosphère, comme il l'a fait il y a moins de 20 000 ans.

Ce travail a bénéficié en France du soutien de l'Institut polaire français Paul-Emile Victor, de l'Agence nationale de la recherche (projet PICC), de l'Institut national des sciences de l'Univers (projet INSU-QUEST DESIRE), ainsi que des soutiens européens du projet FP6 EPICA-MIS et du réseau Marie-Curie RTN GREENCYCLES.

La stratification de l'océan en période glaciaire

En conditions interglaciaires, la circulation thermohaline est celle que l'on connaît aujourd'hui. Notamment, les eaux de l'Atlantique Nord qui ont plongé en profondeur puis voyagé dans les fonds marins jusqu'en Antarctique remontent alors en surface sous l'action des vents d'ouest très forts que connaît cette région, ce qui assure un certain mélange et un réchauffement des eaux de l'océan Austral.
En conditions glaciaires, d'une part les eaux de l'Atlantique Nord plongent moins profondément qu'en période chaude et restent à des profondeurs intermédiaires durant leur périple jusqu'au sud, et d'autre part l'intense froid hivernal Antarctique occasionne la formation de beaucoup de glace de mer ce qui augmente la salinité des eaux de surface qui, très froides et très salées, plongent alors en profondeur où elles s'accumulent sur le fond océanique. Les eaux de l'océan sont alors séparées en deux couches distinctes, la couche profonde étant beaucoup plus salée que celle située au-dessus.
Cette couche profonde présente également la particularité d'être plus riche en carbone, et de surcroit plus riche en 12C par rapport au 13C, que la couche de surface, du fait de l'accumulation de carbone inorganique dissous qui provient de l'oxydation des débris issus de la matière organique formée par photosynthèse en surface et que l'absence de mélange des eaux maintient au fond.

L'évolution en W du rapport 13C/12C

La dernière transition glaciaire-interglaciaire a été ponctuée d'événements climatiques rapides caractérisés par des évolutions asynchrones au nord et au sud qui permettent de comprendre l'évolution de ce rapport.
Au début de cette transition (phase I), l'Antarctique commence à se réchauffer, induisant une ventilation des eaux australes et donc une remontée des eaux profondes riches en carbone mais pauvres en 13C, ce qui se traduit par une diminution du rapport isotopique du fait de l'équilibre entre les eaux de surface et l'atmosphère. Progressivement, cette situation va ensuite plus ou moins s'équilibrer. Puis, alors que la température en Antarctique reste "relativement" stable, le nord connaît un réchauffement brutal (début phase III) qui s'accompagne d'une augmentation rapide (pic) de la concentration en méthane dans l'atmosphère, signe d'un accroissement de la végétation grande consommatrice de 12C par photosynthèse, et c'est pourquoi le rapport isotopique augmente. Mais le nord se refroidissant, cette croissance est brutalement freinée et le rapport isotopique baisse à nouveau, une baisse accentuée lorsqu'un nouveau réchauffement au sud (phase IV) intensifie la ventilation de l'Austral. Enfin, un nouveau réchauffement au nord (fin phase IV) induit à nouveau une croissance de la biosphère continentale et l'augmentation de ce rapport.

Note(s): 
  1. Plusieurs mécanismes océaniques sont évoqués pour expliquer l'augmentation des concentrations de CO2 au cours des transitions glaciaires-integlaciaires, dont les deux plus importants sont : un changement de ventilation de l'océan Austral qui conduirait à une libération du carbone stocké dans l'océan profond pendant la glaciation précédente (mécanisme physique) et une baisse de productivité du phytoplancton de l'océan Austral et donc de consommation de CO2 atmosphérique (mécanisme biologique), laquelle serait due à une baisse de la fertilisation de cet océan par les poussières atmosphériques, les phases de réchauffement climatique étant caractérisées par une réduction du transport de poussières.
  2. ppmv : partie par million en volume ; 100 ppmv pour le CO2 signifie que parmi 1 million de molécules dans l'air, 100 seront des molécules de CO2
  3. Le processus de photosynthèse se produisant préférentiellement avec l'isotope 12C du carbone, la croissance de la biosphère induit un appauvrissement en 12C (enrichissement en 13C) du CO2 atmosphérique. La signature isotopique de l'océan est beaucoup plus complexe car les processus impliqués sont multiples et ont tous leur propre signature : échanges physiques de CO2 entre atmosphère et océan et réactions chimiques et biologiques.
Source(s): 

Lourantou A., Lavrič J.V., Köhler P., Barnola J.M., Michel E., Paillard D., Raynaud D. and Chappellaz J., Constraint of the CO2 rise by new atmospheric carbon isotopic measurements during the last deglaciation, Global Biogeochemical Cycles, VOL. 24, GB2015, doi:10.1029/2009GB003545, 2010.

Contact(s):
  • Jérôme Chappellaz, Chargé de mission affaires polaires
    jerome [dot] chappellaz [at] cnrs [dot] fr, 02 98 05 65 01
  • Dominique Raynaud, LGGE/OSUG
    raynaud [at] lgge [dot] obs [dot] ujf-grenoble [dot] fr, 04 76 82 42 52
  • Anna Lourantou, LOCEAN/IPSL
    anna [dot] lourantou [at] locean-ipsl [dot] upmc [dot] fr, 01 44 27 48 68

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