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Le climat à découvert

 | 
Catherine Jeandel
, 
Rémy Mosseri

Troisième partie. Observations et indicateurs climatiques

16. Inclusions minérales et gazeuses dans les glaces

Jérôme Chappellaz, Jean-Robert Petit, Francis Grousset et Édouard Bard

Texte intégral

1Les gaz à effet de serre* (GES) et les poussières atmosphériques affectent le bilan radiatif terrestre (cf. II-2) tandis que l’activité solaire module le flux des rayons cosmiques qui interagit avec les hautes couches de l’atmosphère. Déterminer le rôle joué par ces facteurs sur la variabilité climatique* naturelle ou son évolution récente requiert de les reconstituer au cours du temps grâce notamment à l’analyse des glaces polaires : les couches de neige conservent les poussières éoliennes et les aérosols. Entre 50 et 100 mètres de profondeur, ces couches se transforment en glace, emprisonnant des petites bulles d’atmosphère. Grâce aux forages conduits au travers de kilomètres de calottes polaires – suivis du transport réfrigéré des carottes, de leur stockage en chambre froide, de leur décontamination, de leur extraction et de leur analyse – on a pu reconstruire ces informations, qui couvrent à ce jour les derniers 800 000 ans (figure 1).

Inclusions minérales

2Les inclusions minérales dans la glace sont analysées pour déterminer leur concentration massique, leur spectre de taille et leur composition minéralogique et isotopique. Les très faibles teneurs aux pôles (quelques µg par kg de glace soit 10-9 g/g ou ppb*) imposent de décontaminer les carottes de glace en éliminant l’extérieur en contact avec l’atmosphère ou le fluide de forage (kérosène par exemple). Les concentrations et les distributions en taille peuvent être mesurées par un système laser (utilisant la diffusion de la lumière) ou par un compteur Coulter (détection électrique du passage forcé des poussières au travers d’un microtube de courant). Les mesures laser peuvent être couplées à un système de fusion en continu de la carotte de glace (Continuous Flow Analysis CFA*), avec mise en œuvre possible sur le site de forage. Les mesures Coulter faites en laboratoire sont plus précises et étalonnent les systèmes laser. Les poussières polaires représentent la partie la plus fine émise par les sols : elles sont plus petites que 5 µm et la distribution de la masse présente un mode centré vers 2 µm (diamètre). Leur concentration augmente considérablement en périodes glaciaires à cause du climat froid et sec, contribuant à modifier le bilan énergétique (figure 1).

Fig. 1 – De haut en bas : évolution des teneurs en poussières (en ppb), de la température moyenne annuelle (en °C), du CO2 (en ppmv) et du CH4 (en ppbv) au cours des derniers 800 000 ans, déduite des analyses du forage européen EPICA foré à la base franco-italienne Concordia en Antarctique jusqu’à la profondeur de 3 260 m

3La composition élémentaire des poussières est obtenue grâce à une microsonde couplée à un microscope électronique, permettant d’identifier les quartz, feldspaths, argiles, verres… À l’aide de sections polies, la composition des verres volcaniques permet d’identifier le type de volcan et de dater la glace si l’éruption est bien documentée par ailleurs.

Fig. 2 – Éléments d’un système analytique de préconcentration des gaz piégés dans la glace au LGGE, en vue de l’analyse des rapports isotopiques. © L. Médard, photothèque CNRS

4Les éléments chimiques constitutifs des poussières (comme le strontium Sr, le néodyme Nd ou le plomb Pb) sont analysés isotopiquement par spectrométrie de masse. La composition isotopique permet alors de définir « l’empreinte digitale » des sources de ces particules ; on a ainsi montré que les poussières piégées dans les glaces de l’Antarctique provenaient de Patagonie, alors que celles trouvées dans la glace du Groenland venaient de Chine.

5Les enregistrements de béryllium 10 (10Be) permettent de quantifier les variations de production des cosmonucléides et d’étudier les fluctuations passées des champs géomagnétiques et héliomagnétiques. La concentration de 10Be dans la neige polaire est de l’ordre de 104 atomes/g. Après avoir fait fondre la glace, le 10Be est extrait et purifié sous hotte. Une chimie complexe permet de le transformer en oxyde de béryllium comprimé dans une cathode. Celle-ci est placée dans la source d’ions du tandétron ASTER* d’Aix-en-Provence pour être bombardée par un faisceau d’ions césium. Le faisceau d’ions BeO- généré est analysé en spectrométrie de masse par accélérateur. Les reconstructions de 10Be couvrant le dernier millénaire sont très bien corrélées aux variations du 14C dans les anneaux d’arbres, qui reflètent au premier ordre les variations de l’irradiance solaire (cf. VI-3).

Inclusions gazeuses

6La quantité de GES piégée dans la glace est très faible : de 5.10-11 g/g (N2O) à 5.10-8 g/g (CO2). Leur mesure requiert d’abord une phase d’extraction qui repose sur trois méthodes. Le broyage est bien adapté à l’analyse du CO2. En revanche le faible dégazage de composés issus de la paroi du broyeur rend la méthode en général impropre aux analyses du CH4 par exemple. La fusion-cryopompage ou la fusion-regel sont favorisées pour l’analyse de CH4 et de N2O. Elles ne sont pas compatibles avec les analyses du CO2 en raison des réactions chimiques ou de l’équilibre acido-basique survenant dans la phase liquide. Enfin, la méthode de sublimation convient à la mesure de tous les GES mais est très lourde à mettre en œuvre.

7L’analyse est ensuite conduite par chromatographie en phase gazeuse avec détection par ionisation de flamme ou capture d’électrons pour déterminer les rapports de mélange des GES. On peut aussi utiliser un détecteur laser travaillant dans l’infrarouge. Les concentrations des GES varient de 40 à 100 % entre périodes glaciaires et interglaciaires (figure 1), en lien fort avec le climat. Elles contribuent à amplifier le forçage climatique initial dû aux variations d’insolation. La composition isotopique des GES apporte des contraintes sur les mécanismes biogéochimiques responsables de ces variations. Elle est déterminée par spectrométrie de masse à secteur magnétique, couplée à une phase de préconcentration et de séparation chromatographique (figure 2) en raison des très faibles quantités de matière disponible dans la glace.

Bibliographie

Références bibliographiques

• J. CHAPPELLAZ, O. GODARD, S. HUET et H. LE TREUT - Changement climatique : des savoirs et des possibles, La Ville brûle, 2010.

• E. BARD - L’Homme et le climat : une liaison dangereuse, Gallimard, 2005.

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – De haut en bas : évolution des teneurs en poussières (en ppb), de la température moyenne annuelle (en °C), du CO2 (en ppmv) et du CH4 (en ppbv) au cours des derniers 800 000 ans, déduite des analyses du forage européen EPICA foré à la base franco-italienne Concordia en Antarctique jusqu’à la profondeur de 3 260 m
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11406/img-1.jpg
Fichier image/, 279k
Légende Fig. 2 – Éléments d’un système analytique de préconcentration des gaz piégés dans la glace au LGGE, en vue de l’analyse des rapports isotopiques. © L. Médard, photothèque CNRS
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11406/img-2.jpg
Fichier image/, 247k

Auteurs

Glaciologue paléoclimatologue, Directeur de Recherche au CNRS, Responsable de l’équipe « Climat : Passé, Présent, Projections », LGGE, Saint-Martin-d’Hères.
jerome@lgge.obs.ujf-grenoble.fr

Paléoclimatologue, Directeur de Recherche CNRS, LGGE, Saint-Martin-d’Hères.
petit@lgge.obs.ujf-grenoble.fr

Paléoclimatologue, Directeur de Recherche au CNRS, Directeur de l’Observatoire Aquitain des Sciences de l’Univers, EPOC, Bordeaux.
grousset@obs.u-bordeaux1.fr

Géochimiste et paléoclimatologue, Professeur au Collège de France, Titulaire de la chaire de l’évolution du climat et de l’océan, Membre de l’Académie des sciences, Directeur adjoint du CEREGE, Aix-en-Provence.
bard@cerege.fr

© CNRS Éditions, 2011

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