Archives pour l'étiquette Climat

Les carottes de glace

Question: comment les scientifiques arrivent-il à reconstituer la composition de l’atmosphère terrestre ainsi que sa température lors du dernier million d’années ?

La discipline qui s’intéresse à cette question s’appelle la paléoclimatologie et comporte de très nombreuses méthodes pour y répondre. L’une d’entre elle consiste à analyser la glace des profondeurs du Groenland et de l’Antarctique en extrayant des carottes de glace.

carotte_lapin En astrophysique on dit que regarder loin dans l’espace revient à regarder loin dans le temps à cause de la vitesse finie de la lumière. En glaciologie, c’est un peu différent : c’est en regardant plus profondément dans la glace que l’on regarde plus loin dans le temps… En effet, au fil des ans, la neige qui tombe se dépose sur la neige plus ancienne qui se transforme alors en glace en emprisonnant de nombreux gaz de l’atmosphère. L’analyse de ces gaz permet ainsi de remonter le temps en déduisant la composition de l’atmosphère au moment où les petites bulles d’air ont été emprisonnées.

cnrs_carotteProjet Aurora Basin North, Antarctique, décembre 2013-janvier 2014. À partir d’un forage de 115 mètres, Jérôme Chappellaz (à droite) et David Etheridge effectuent un prélèvement d’air dans le névé, cet amas de neige qui tend à se durcir et qui se trouve à l’origine d’un glacier. (source).

Le carottage

On fait des carottages depuis les années 50 grâce au glaciologue français Claude Lorius qui a eu cette idée en regardant un glaçon fondre dans son verre whisky lors d’une mission en Antarctique… Pour faire un carottage, il « suffit » de faire un trou dans la glace avec une foreuse et d’en extraire une « carotte » de glace d’une dizaine de centimètres de diamètre. Cette carotte est découpée en tronçons plus ou moins longs pour la transporter dans un frigo vers un laboratoire de glaciologie pour analyse des gaz qu’elle contient. Facile à dire comme ça, mais c’est tout un art de faire des carottes et de les stocker correctement.

Le laboratoire national américain des carottes de glace (NICL) est un centre pour entreposer, nettoyer et étudier les carottes de glaces. NSF Source: http://icecores.org

Le plus grand carottage actuel fait 3,2 kilomètres de profondeur en Antarctique, ce qui correspond à 740 000 ans de données, soit 8 cycles glaciaires ! Il a été réalisé dans le cadre du projet européen EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica), et permettra de recouper les données d’autres forages de profondeurs similaires au Groenland (projets GRIP et GISP2).

Une tête de perceuse pour réaliser les carottages. NSF Source : http://icecores.org

Déduire la température du passé

Pour retrouver la température qu’il faisait lors de la formation de la glace de la carotte, on utilise ce qu’on appelle un thermomètre isotopique mais ce dernier n’a pas grand-chose à voir avec un thermomètre au sens commun…

Cette méthode exploite le fait que plus il fait froid et moins l’eau possède des atomes lourds. On apprend à l’école que l’eau est constituée de 2 atomes d’hydrogène liés à un atome d’oxygène (H2O). C’est vrai mais les atomes peuvent être plus ou moins lourds, c’est ce qu’on appelle les isotopes d’un atome, car ces derniers peuvent comporter plus ou moins de neutrons dans leur noyau. Bref, l’oxygène de l’eau peut posséder 8 ou 10 neutrons et l’hydrogène 0 ou 1 neutron.  Donc, plus il fait froid et moins l’eau possède d’oxygène et d’hydrogène « lourd » (oxygène-18 et deutérium). En mesurant la teneur de ces différents isotopes dans la glace, le chercheur arrive ainsi à retrouver précisément la température qu’il faisait lorsque l’eau a gelé.

018-TempConcentration en oxygène-18 selon la température de surface (source : Jean Jouzel 1987)

Cependant, on utilise aussi un thermomètre  «classique » pour mesurer la température le long du trou de forage. Ce profil de température permet aux chercheurs de calibrer le thermomètre isotopique car ce dernier possède une erreur. Comme la température le long du forage doit évoluer de la même manière que la température de l’époque, on peut corriger la mesure du thermomètre isotopique mais pour cela il faut résoudre un problème inverse. En effet, les chercheurs possèdent un assez bon modèle qui explique comment la chaleur se propage dans la glace et donc comment la température va se répartir dans le temps à travers la glace. Le souci est qu’ici on connaît le résultat de ce modèle (la température dans la glace aujourd’hui après des milliers d’années dans chaque couche du forage) mais on ne connaît pas la donnée d’origine (la température initiale dans chaque couche de glace). Pour résoudre de tels problèmes inverses, les glaciologues doivent donc travailler avec des mathématiciens, des chercheurs en traitement du signal et des automaticiens qui sont familiers de ce genre de problèmes. Et ce qui est merveilleux, c’est que ça marche et que ce genre de corrections est même indispensable pour obtenir une bonne précision. De cette manière, les paléo-climatologues ont pu calculer avec une bonne estimation la température qu’il faisait sur Terre lors des derniers 800 000 ans.

Reconstruire l’atmosphère d’antan

Maintenant que vous savez comment les chercheurs déduisent la température du passé grâce aux carottes de glace, voyons comment on peut également retracer l’évolution des différents gaz constituant l’atmosphère terrestre, toujours avec les carottes. Tout d’abord, il faut bien comprendre comment la neige se dépose sur les anciennes couches et comment cette dernière se tasse et se transforme en glace.

Entre la neige fraiche qui tombe et la glace où les bulles de gaz sont emprisonnées, il y a une zone de transition appelée « névé ». Cette couche fait entre 50 mètres (au Groenland) et 120 mètres (en Antarctique) et dans cette couche, les bulles de gaz peuvent se déplacer soit par convection dans sa partie haute (due aux différences de températures et aux vents de surface), soit par diffusion dans sa partie basse (les molécules de gaz les plus lourdes migrent vers le froid en bas et les plus légères vers le chaud en haut), voir la figure ci-dessous.

neve_profilProfil d’un névé qui se situe entre la neige fraiche qui s’accumule à la surface et la glace en profondeur. (Source: Sowers 1992).

Les chercheurs sont donc une fois de plus amenés à résoudre un problème inverse car ils mesurent aujourd’hui la concentration des gaz dans la glace et doivent déduire quelle était la concentration des différents gaz à la date où la neige est tombée, en considérant toute la période de névé pendant laquelle les gaz ont pu se déplacer. Le problème est très compliqué car le gaz contenu dans une bulle emprisonnée peut donc provenir de différentes époques… C’est effectivement un vrai casse-tête et il existe plusieurs modèles pour rendre compte de tous ces phénomènes plus ou moins compliqués. De plus, les chercheurs s’intéressent à de nombreux gaz pour reconstruire le climat (le méthane, le CO2, l’oxygène, les CFC, etc.) et les modèles doivent donc aussi incorporer de la chimie et sont donc d’autant plus compliqués, surtout pour les inverser et les résoudre dans un temps raisonnable.

Encore une chose, pour corriger et ajuster tous les calculs, les glaciologues peuvent avoir recours à des contraintes chronologiques pour forcer une certaine couche de glace à une certaine période comme lors des grandes éruptions volcaniques ou lors de phénomènes astronomiques influençant le climat. Par exemple, il existe un pic de Bérilium-10 à environ 41 000 ans car à cette époque, la Terre a connu un très faible champ magnétique et ce phénomène a eu pour effet de laisser passer de nombreux isotopes venus du cosmos sur Terre comme le bérilium-10. On retrouve ce pic dans les différentes carottes de glace et c’est comme cela que les chercheurs « forcent » leur modèle pour obtenir cet âge à la profondeur correspondante (740 m dans le forage EPICA en Antarctique par exemple).

Les autres méthodes de la paléoclimatologie

Les carottes de glace ne sont pas l’unique méthode pour reconstituer le climat du passé. Les chercheurs ont aussi recours à la dendroclimatologie (analyse des arbres et plus particulièrement de leurs cernes), à la sclérochronologie (analyse des coraux et coquillages) ainsi que l’analyse de tous les fossiles de faune et de flore et des sédiments qui donnent de précieux indicateurs du climat. Toutes ces méthodes peuvent ensuite être comparées et combinées pour permettre de reconstituer le scénario le plus probable de notre climat passé.

All_palaeotempsReconstitution de la température moyenne sur Terre pendant les 500 derniers millions d’années. Les données jusqu’à 800 000 ans viennent des carottes de glace. Source Wikipedia.

Le réchauffement climatique selon de GIEC

Réchauffement climatique, Global Warming, vaste débat, mot à la mode, fervents défenseurs, opposants acharnés, pléthore d’informations, innombrables articles scientifiques, prises de parole des politiques, autant de raisons qui font que ce sujet est très délicat ! Je vais essayer de vous dire ce que moi j’y comprends.

undefined

N’étant pas climatologue, je ne suis sans doute pas plus compétent que vous sur la question mais je pense tout de même avoir le devoir de parler de ce sujet en tant que personne de formation scientifique. Je suis d’ailleurs allé voir il y a quelques mois au CERN en conférence Hubert Reeves à ce sujet (sujet qui n’a rien à voir non plus avec son métier mais il profite de son image médiatique pour diffuser son message et il a raison), sa conclusion est la même que beaucoup de gens : NOTRE PLANETE EST MALADE. La Terre rencontre à nouveau une extinction massive des espèces (la 6ième de son Histoire, la dernière étant les dinosaures il y a 65 Ma).

Il faut avant tout comprendre la cause de ce réchauffement, cette cause constitue sans doute le plus grand débat mais le GIEC (Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat) est justement là pour trancher de manière objective et scientifique, sans pressions politiques et de manière internationale. On parle beaucoup du GIEC depuis cette année, mais il faut bien comprendre que le problème est connu depuis longtemps et que le GIEC a été créé en 1988 par le G7. On peut consulter en français les résumés de l’étude parue en 2007 qui a fait tant de bruit :

Leurs conclusions est que l’effet de serre est en majorité responsable du réchauffement climatique et que l’augmentation des gaz à effet de serre est en majorité d’origine anthropique (du grec anthropos, homme, signifie que c’est l’homme qui en est l’origine). Ces 2 conclusions peuvent paraître évidentes mais pas pour tout le monde. Par exemple Claude Allègre, ancien ministre et censé être un scientifique de haut niveau de l’Institut de Physique du Globe de Paris refuse toujours d’y croire, il écrit que « la cause de la modification climatique contemporaine reste incertaine entre l’homme et la nature » mais c’est désormais un cas à part, et heureusement. De plus, le GIEC a pu quantifier avec des degrés de certitude élevés l’influence de l’homme sur le climat de la Terre dans les derniers siècles depuis l’industrialisation.

Je vous rappelle que l’effet de serre est un phénomène terrestre naturel provenant de notre atmosphère. Les rayons du soleil atterrissent sur le sol et le réchauffent. Cette chaleur provoque l’émission de rayons infrarouges vers l’atmosphère et certains gaz (dits à effet de serre) vont à nouveau réfléchir ces rayons vers le sol, contribuant ainsi à réchauffer le sol une deuxième fois et ainsi de suite. Ce phénomène est vital, sans l’effet de serre, la température moyenne de la Terre serait de –18°C.

Cet effet de serre entraine un effet « boule de neige » sur le climat à cause (entre autre) du phénomène d’albédo. L’albédo est le phénomène qui fait qu’un corps renvoie de la lumière par réflexion. Les surfaces noires comme la lave ont un albédo faible (seulement 4% du rayonnement est réfléchi) alors qu’une surface blanche comme la neige renvoie jusqu’à 90% des rayons du soleil. L’albédo moyen de la Terre est de 39%. Si le climat se réchauffe, plus de neige va fondre aux pôles et cet albédo moyen va nettement diminuer et contribuera ainsi à encore plus réchauffer le climat.

undefined

Pour estimer l’influence sur le climat, le GIEC estime deux principales composantes :

– La concentration d’un composant dans l’atmosphère qui se mesure en ppm (partie par million) ou en ppb (partie par milliard). Elle désigne le rapport du nombre de molécules de gaz à effet de serre au nombre de molécules d’air sec.

– Le forçage radiatif des différents composants de l’atmosphère. Le forçage radiatif est une mesure de l’influence d’un facteur dans la modification de l’équilibre entre l’énergie qui entre dans l’atmosphère terrestre et celle qui en sort, et constitue un indice de l’importance de ce facteur en tant que mécanisme potentiel du changement climatique. Un forçage positif tend à réchauffer la surface et un forçage négatif à la refroidir. Le forçage est exprimé en watt par mètre carré (W/m²).

Dans les rapports du GIEC 2007, les valeurs du forçage radiatif et des concentrations sont données pour l’année 2005 par rapport aux conditions préindustrielles définies comme celles de 1750.

Le rapport du GIEC nous dit que « Les concentrations globales de dioxyde de carbone, de méthane et d’oxyde nitreux ont fortement augmenté suite aux
activités humaines depuis 1750, et maintenant dépassent largement les valeurs préindustrielles déterminées à partir les carottes de glace couvrant plusieurs milliers
d’années »

Il y a principalement 4 gaz à effet de serre sur le banc des accusés :

Gaz à effet de serre

Origine

Evolution  1750-2005

Le dioxyde de carbone (CO2)

Utilisation de combustibles fossiles

Changement de l’affectation des terres

35 %

Le méthane (CH4)

Utilisation de combustibles fossiles

Agriculture

142%

L’oxyde nitreux (N2O)

Agriculture

18%

L’ozone troposphérique (O3)

Emission de produits chimiques

35 %

Il ne faut pas négliger le méthane qui a sa part de contribution dans le réchauffement. L’Europe et le Grenelle de l’environnement en France ont pris des mesures pour réduire le réchauffement climatique mais tous les textes parlent uniquement de réduction de C02. Evidemment, c’est un grand progrès de prendre de telles décisions même si c’est un peu tard mais autant prendre de vrais mesures plutôt que des mesurettes. Les calculs s’appuient souvent sur des
tonnes d’équivalent CO2 (teqCO2) et il faut faire attention à de telles définitions qui peuvent induire en erreur selon l’horizon des estimations, voir l’article de La Recherche de ce mois-ci à ce sujet.

undefined
Le GIEC estime que les changements du rayonnement solaire depuis 1750 ont provoqué un forçage radiatif de +0,12 W/m² [0,06 à 0,30]. Pour cela, on ne peut rien faire, la variation lumineuse du soleil varie dans le temps et l’homme n’est pas responsable de ce phénomène. En revanche, le GIEC a également évalué que l’homme a contribué à une augmentation de 1,6 W/m²  [de 0.6 à 2.4], ayant pour origine l’augmentation des gaz à effet de serre anthropique. Ce résultat montre que l’homme est responsable à 93% du forçage radiatif depuis l’industrialisation.

« La poursuite des émissions de gaz à effet de serre au rythme actuel ou au-dessus provoquerait un réchauffement supplémentaire et entrainerait de nombreux changements dans le système climatique mondial au cours du XXI siècle, dont les effets seraient très probablement plus importants que les effets observés au cours du XX siècle. »

Le GIEC a prévu 4 scénarios pour l’avenir (voir graphique) provenant de simulations numériques multi-modèles. Ces simulations deviennent de plus en fiables et sont désormais très pertinentes même si les scientifiques ont encore du mal à modéliser certains phénomènes très complexes comme (entre autre) le rôle des forêts, la turbulence des océans, le double jeu des aérosols et l’économie (voir Les 3 inconnus du climat, La Recherche numéro 414, Décembre 2007). Un seul modèle ne peut pas rendre compte de tous les phénomènes bien
proportionnés. Certains favorisent certains phénomènes plutôt que d’autres. L’idée consiste à faire des simulations avec plusieurs modèles ayant les mêmes paramètres et d’en faire ensuite la moyenne. Les résultats obtenus sont désormais satisfaisants en faisant des tests avec les périodes passés pour retracer le climat de la Terre (le CNRS possède une base de données de 1960 à 1989 pour tester ses modèles par exemple).

Même si nous avions arrêté en 2000 notre augmentation de production de gaz à effet de serre, les simulations prévoient une augmentations de 0,1°C par décennie à cause de la lente réponse des océans. La meilleure estimation dans le cas du scénario le plus bas (B1) est 1,8°C (dans une fourchette probable de 1,1°C à 2,9°C), tandis que la meilleure estimation pour le scénario le plus élevé (A1FI) est de 4,0°C (dans une fourchette probable de 2,4°C à 6,4°C). Le GIEC précise dans son rapport que « la nouvelle évaluation des fourchettes repose maintenant sur un plus grand nombre de modèles climatiques d’une complexité et d’un réalisme accrus, ainsi que sur de nouvelles informations relatives à la nature des rétroactions liées au cycle du carbone et aux limitations des réponses du climat, telles qu’elles ont été observées. »