Mission CHARM : explorer les secrets du climat passé

Quel est l’objectif de la mission ?

M.-M. : L’objectif de la mission est de reconstituer la variabilité climatique naturelle dans l’Hémisphère Sud avec une grande précision temporelle (décennale à pluridécennale) au cours de la dernière période interglaciaire, appelée Holocène (depuis environ 11 700 ans), voire au-delà.

La première partie de cette mission (CHARM-11 ) se déroulera du 4 au 21 mai au Mozambique, puis la deuxième partie (CHARM-21 ) se déroulera en Afrique du Sud du 28 Mai au 13 Juin. Une troisième partie est également prévue au large du Brésil dans les années à venir.

Quels sont les enjeux de ces recherches ?

M.-M. : Pour mieux contraindre les projections climatiques et leurs conséquences sur le fonctionnement physico-chimique et biologique de l’océan, nous avons besoin d’enregistrements continus du climat sur une échelle de temps qui se rapproche le plus possible de celle de l’humain. La période depuis la dernière déglaciation est particulièrement intéressante car les archives sédimentaires y sont bien préservées.

Mais à l’heure actuelle, nous ne disposons que de peu de données dans l’hémisphère Sud, contrairement à l’hémisphère Nord : non seulement les pays y sont plus riches, et ont donc pu y consacrer davantage de moyens, mais aussi les archives sédimentaires à fort taux de sédimentation (proche des grands fleuves) sont plus accessibles dans cet hémisphère qui est plutôt continental.

Or le climat ne s’exprime pas de manière identique selon les régions en raison, entre autres, des modes de variabilité interne au climat issus de l’interaction entre l’océan et l’atmosphère et les téléconnexions entre les bassins océaniques dans lesquels ces modes s’expriment. De plus, la variabilité de l’Océan indien est assez peu connue, bien que les pays riverains soient très impactés.

Il est donc important de pouvoir compléter une cartographie globale du climat passé de l’Holocène avec des données de l’hémisphère sud, ce qui motive notre mission océanographique au Mozambique et en Afrique du Sud. 

• 1 a b Ces campagnes sont réalisées à travers de la Flotte Océanographique Française, que fourni le temps de navire et les moyens pour réaliser ces travaux.

Qu’est-ce que la variabilité naturelle interne et pourquoi s’y intéresser ?

M.-M. : La variabilité interne du climat correspond à des fluctuations du climat dues aux échanges d’énergie entre l’océan et l’atmosphère. Elles se produisent à des échelles de temps plus ou moins longues. Différents modes de variabilité interne affectent de grandes zones du globe, comme l’Oscillation Atlantique multidécennale (AMO), El Niño (ENSO), ou encore le Dipôle de l’Océan Indien (IOD), pour n’en citer que quelques-uns. 

La variabilité interne naturelle est en partie prévisible car elle correspond à des lois physiques de rétroaction. Mais les différents modes sont interconnectés à l’échelle mondiale. Par exemple, le phénomène El Niño, qui a un impact notable sur le climat du Pacifique, est relié au phénomène du Dipôle qui touche l’Océan Indien. De plus, les différents modes peuvent être imbriqués temporellement, ce qui en complique notre compréhension.  

Pourquoi le Mozambique et l’Afrique du Sud, précisément ?

M.-M. : Pour atteindre la résolution temporelle souhaitée, il faut étudier des zones où les sédiments s’accumulent rapidement et en continu. C’est ce qu’on appelle des « dépocentres de sédiments fins ». Ces zones se situent souvent à proximité des grands fleuves. Il n’en existe pas tant dans l’hémisphère sud : il y a celui du fleuve Zambèze, au Mozambique, et celui du fleuve Orange, du côté Atlantique de l’Afrique du Sud. A l’avenir, une mission est également prévue l’embouchure du Rio de la Plata (Brésil/ Uruguay).

Pourquoi les foraminifères ?

M.-M. : Les foraminifères sont des organismes marins unicellulaires microscopiques qu’on trouve dans tous les océans, depuis les estuaires jusqu’aux abysses. Ils vivent à la surface de l’océan (formes planctoniques) et au fond de l’océan (formes benthiques). Il en existe plus de 6000 espèces actuelles, et chaque espèce a des conditions écologiques qui lui sont propres. 

Leur coquille conserve des indices chimiques du climat passé, notamment grâce aux isotopes de l’oxygène et du carbone et des rapports élémentaires intégrés dans leurs coquilles lors de la calcification, ce qui en fait un outil essentiel des paléoocéanographes. Par exemple, en étudiant la composition isotopique de leur coquille, selon la valeur des isotopes de l’oxygène, on peut en effet déterminer si le climat était chaud ou froid. Ils ont ainsi permis de retracer la température des océans depuis sur de très longues périodes. De plus, leur coquille de carbonate de calcium peut être datée au carbone 14, ce qui nous donne également un cadre temporel de nos archives.

Mais ce n’est pas tout : les espèces de foraminifères elles-mêmes varient en fonction des conditions environnementales (température, oxygène, salinité, etc.). En étudiant les assemblages d’espèces, il est donc possible d’établir des “fonctions de transfert”, c’est-à-dire des relations statistiques qui permettent de reconstituer d’autres paramètres du milieu, comme par exemple le niveau d’oxygène dans l’océan.

Concrètement, comment allez-vous procéder ?

M.-M. : A bord du Marion Dufresne, équipé du carottier géant CALYPSO, nous allons principalement extraire des carottes de sédiments afin d’étudier notamment les foraminifères fossiles, qui sont des microfossiles marins.

Les carottes extraites seront de deux types : des carottes longues (30 mètres) pour les archives elles-mêmes et des carottes courtes (carottes d’interface) dont l’intérêt est de nous permettre de mieux comprendre l’environnement actuel et à calibrer nos observations (quelles sont les caractéristiques isotopiques, quelles espèces de foraminifères y vivent …).

En parallèle, nous étudierons les paramètres physiques et bio-géochimiques de l’eau (pH, alcalinité, oxygène …) et leurs habitants actuels aux différentes profondeurs au moyen d’une rosette CTD et de filets à planctons.

A quoi serviront ces carottes de sédiments ?

M.-M. : Les carottes sédimentaires sont des témoins précieux de la variabilité climatique et océanique. Sur une question qui fait couler beaucoup d’encre en ce moment comme l’AMOC, ce sont les seules archives capables de nous dire comment la circulation climatique a répondu au réchauffement. Elles nous donnent également des informations importantes sur les écosystèmes et leur résilience.

Jusqu’à récemment, les données issues des paléo-reconstitutions étaient encore peu utilisées directement dans les modèles climatiques. En effet, ces archives naturelles comportent des incertitudes (notamment sur les datations ou la précision des reconstructions), alors que mesures issues de l’observation directe sont beaucoup plus précises mais ne couvrent au mieux qu’environ 150 à 200 ans. Les paléo-reconstitutions servaient donc essentiellement à vérifier si les modèles climatiques étaient capables de reproduire les grandes tendances observées dans le passé, par exemple les variations de température ou de circulation océanique. 

Aujourd’hui, cette approche évolue. Les modèles de climat qui sont utilisés pour les projections climatiques sont aussi testés, depuis les années 1990, pour le climat de l’Holocène dans le cadre du projet PMIP (Paleoclimate Modelling Intercomparison Project). En parallèle, les méthodes de reconstruction à partir des sédiments (isotopes, assemblages d’espèces, fonctions de transfert) deviennent plus robustes et mieux quantifiées. Cela permet désormais d’intégrer progressivement ces données dans les modèles eux-mêmes, et non plus seulement de les utiliser comme point de comparaison.

Concrètement, cela signifie que les données issues des carottes vont aider à “contraindre” les modèles : elles permettent de réduire les incertitudes en vérifiant quelles simulations sont les plus réalistes. Cette meilleure intégration des données du passé est aujourd’hui identifiée par le GIEC comme un levier essentiel pour améliorer la fiabilité des projections climatiques futures.

Les carottes vont nous fournir une bonne décennie de travail donnant lieu à des thèses, des stages, des postdocs, et des échanges d’étudiants avec le Mozambique et l’Afrique du Sud : nous collaborons en effet avec les chercheurs locaux pour que les résultats leur reviennent et quelques-uns embarquent d’ailleurs avec nous !

Sur le bateau, et sans attendre le retour des échantillons (prévu à l’automne), les carottes longues seront passées sur un banc MSCL1  pour scanner leurs paramètres physiques, et on procédera à leur description lithologique. Les carottes d’interface, elles, seront conditionnées et découpées. L’ensemble sera échantillonné pour être distribué aux différents organismes partenaires à leur arrivée à terre.

Au LPG, un outil de reconnaissance des foraminifères, entrainé par région, permet de reconnaitre des centaines d’espèces, ce qui accélère beaucoup le travail. 

Qui embarque avec vous ?

M.-M. : Une centaine de personnes, issues de laboratoires et organismes français 2 et étrangers (dix pays différents).

Côté spécialité, nous avons des géologues océanographes, des géophysiciens, des micropaléontologues, des géochimistes, des biologistes, et également des ingénieurs de la DT INSU, ainsi que le personnel associé à la Flotte Océanographique Française pour les opérations a bord du navire.

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