Thermomètre-isotopique

Apports de l’étude des glaces et des sédiments dans l’étude du climat à l’aide de l’étude du delta O18

Les carottes de glace sont des mines d’or pour l’étude de la composition de l'atmosphère ancienne . En effet des indices, telles que des bulles d’air, y sont piégés. Mais en étudiant la glace composant ces carottes, on peut également obtenir , des renseignements sur les climats passés existant lors de sa formation, grâce à l'oxygène présent.

Il en est de même pour des sédiments marins car ils contiennent des microfossiles dont la coquille est marquée par le climat lors de sa formation, grâce à l'oxygène présent.

Comment l’étude des isotopes de l’oxygène permet-elle d’obtenir des renseignements sur les climats passés?

I) Le δ18O (delta O18) : un thermomètre isotopique

L’oxygène comporte 2 isotopes stables : le 16O (léger) et le 18O (lourd). On peut mesurer les proportions de ces deux isotopes dans un échantillon (eau, glace ou coquille de fossile) grâce à un spectromètre de masse pour connaître le rapport (18O)/(16O) de léchantillon. En pratique, on évalue le δO18 à partir de la formule suivante :δ18O = [(18O/16O) échantillon -(18O/16O)standard] / (18O/16O)standard X 1000 On peut donc dire plus simplement que la variation de δ18O dépend de son rapport 18O/16O.

En fonction de la température, le fractionnement isotopique de l’eau sera différent :

L'eau des océans est formée essentiellement d'16O et un peu d'18O. L’évaporation favorise l’isotope léger 16O alors que les précipitations, suite à la condensation, sont plus riches en isotope lourd 18O. • En période froide, l’évaporation est faible. Il y a donc essentiellement de l'16O qui part dans les nuages. Ceux-ci migrent vers les pôles ainsi quand les nuages arrivent aux pôles, ils contiennent quasiment que du 16O et pas de 18O à précipiter, le δ18O de la glace est donc très faible. Comme la glace contient essentiellement 16O, l'18O s'accumule dans l'eau de mer et le rapport 18O/16O augmente. Le δ18O de l'eau de mer est donc plus élevé.

Schéma expliquant le δ 18O de la glace et de l’eau en période froide (source : http://tristan.free.fr)

1) Compléter les phrases et les schémas sur le polycopié

• En période chaude, l’évaporation est forte. Il y a toujours essentiellement du 16O qui part dans les nuages mais aussi du 18O. Donc, le rapport 18O/16O est plus élevé dans les nuages. En arrivant au pôle, les nuages relarguent du 16O mais aussi du 18O puisqu’ils en contiennent. Ainsi, le δ18O de la glace est donc plus élevé. Si la glace contient plus d'18O, il y en a moins dans l'eau de mer et donc le δ18O de l'eau de mer est plus faible.

Schéma expliquant le δ 18O de la glace et de l’eau en période froide(source : http://tristan.free.fr)

• En période chaude, l’évaporation est forte. Il y a toujours essentiellement du 16O qui part dans les nuages mais aussi du 18O. Donc, le rapport 18O/16O est plus élevé dans les nuages. En arrivant au pôle, les nuages relarguent du 16O mais aussi du 18O puisqu’ils en contiennent. Ainsi, le δ18O de la glace est donc plus élevé. Si la glace contient plus d'18O, il y en a moins dans l'eau de mer et donc le δ18O de l'eau de mer est plus faible.

Schéma expliquant le δ 18O de la glace et de l’eau en période froide(source : http://tristan.free.fr)

Donc, dans les glaces, le rapport 18O/16O est d'autant plus faible que la température de la glace est basse. On obtient dès lors un véritable thermomètre isotopique de la glace (voir courbe). En mesurant les proportions relatives des deux isotopes dans les glaces anciennes, il est possible de calculer le δ18O et d'en déduire, par l'utilisation de la courbe étalon, la température de la neige au moment de sa formation et donc la température de l'air ambiant pour une époque donnée.

Graphique du thermomètre isotopique de la glace

Les coquilles de foraminifères présents dans les sédiments sont composées de carbonates de calcium contenant de l'oxygène (CaCO3). Là encore, la proportion de 18O et 16O varie selon la température : le rapport 18O/16O donc le δ18O diminue quand la température de l’eau augmente

Grahique du thermomètre isotopique des coquilles de calcium des foraminifères

II) Mission

Jeune paléo-climatologue, vous venez de recevoir les données d’échantillons de glaces extraites au niveau de l’Antarctique et transmises par la station dôme C. Vous souhaitez connaître l’évolution paléo-climatique de la zone

2) A l’aide des données obtenues par le spectromètre de masse, tracer la courbe δ18O en fonction de l'âge des glaces. (A l’aide d’un logiciel tableur).

J'ai un logiciel tableur à ma disposition : cliquer pour ouvrir le fichier contenant les données - le télécharger - l'ouvrir pour construire le graphique du type y=f(x) : Delta 18O en fonction de l'âge des glaces avecLibreoffice calc (voir fiche)

Je n'ai pas de logiciel tableur à ma disposition ou pas de temps

Si vous avez réussi à obtenir le fichier et tracé votre courbe, cliquez ici pour faire la suite du travail. Sinon, cliquez sur "je n'ai pas de logiciel tableur à ma disposition"

3) Décrire le graphique globalement pour en déduire l’évolution paléo-climatique de la région : définir les périodes glaciaires et interglaciaires.

3) Décrire le graphique globalement pour en déduire l’évolution paléo-climatique de la région : définir les périodes glaciaires et interglaciaires.

Vous n’êtes pas au bout de vos peines, d’autres données viennent d’arriver par mail. En effet, vous aviez envoyé 2 échantillons de coquilles (ou tests) de foraminifères prélevés dans l’Atlantique Nord au laboratoire afin de les passer au spectromètre de masse.

4) Analyser le δ18O des foraminifères des sédiments 1 et 2 pour déduire la température de l’eau à l’époque de leur formation (-9600 et -15800 ans). Ces conclusions sont-elles en accord avec les informations obtenues avec les échantillons de glace ?

Rappel delta 18O Foraminifères

En perçant le coeur des glaces on décrypte ainsi les climats passés FIN