Les archives des temps anciens ne se trouvent pas dans l'ambiance calme et feutrée des bibliothèques. Pour comprendre les climats du passé, mieux vaut consulter la calotte glaciaire antarctique. En effet, durant plusieurs centaines de milliers d’années, les glaces polaires ont emprisonné au cours de leur formation de minuscules bulles d’air, précieux témoignage des climats disparus. À la station soviétique Vostok, ou à Dôme Concordia, la nouvelle base polaire européenne, les climatologues se livrent ainsi à une drôle d’occupation : par -40°C, et dans des conditions souvent difficiles, les chercheurs creusent sur plusieurs kilomètres de fond ( jusqu’à 3 623 mètres ! ) pour remonter de longs cylindres de glace, des « carottes », contenant les précieuses bulles d’air.


Les carottes à la loupe

Stockage de carottes de glace à Summit prélevée dans le cadre de la mission GRIP. Vostok, base polaire soviétique. © CEA

Les carottes, dès leur extraction, font l’objet d’une stratigraphie visuelle : une étude à l’œil nu qui permet de dater sommairement les strates visibles. Lorsque les précipitations sont supérieures à une vingtaine de centimètres de neige par an, des couches annuelles peuvent être identifiées le long d’une carotte. Mais à Vostok, où les précipitations sont plus faibles, ce sont les traces laissées d’évènements connus, comme des éruptions volcaniques, qui fournissent des repères fiables pour dater les échantillons. Bien entendu, d’autres critères interviennent dans la datation. La profondeur donne ainsi une indication fiable, si l’on connaît le volume des précipitations, la manière dont la neige se comprime, et de pouvoir modéliser l’écoulement de la glace. Une autre méthode consiste à mesurer les concentrations de divers isotopes dont les proportions varient avec le temps. C’est en fait la combinaison de plusieurs techniques qui permet de déterminer l’âge d’un échantillon de glace.
La mesure ne suffira pourtant pas à dater les gaz… Car contrairement à ce que nous dicte notre intuition, les bulles d’air n’ont pas le même âge que la glace qui les entoure : elles sont plus jeunes. La neige qui tombe année après année emprisonne de l’air. Elle est petit à petit comprimée par le poids des précipitations successives et se transforme lentement en glace. Pendant ce processus qui dure jusqu’à plusieurs milliers d’années, l’air peut encore se déplacer. Puis les pores de la glace finissent par se fermer. La modélisation du phénomène permet ainsi d’établir qu’une glace vieille de 4 000 ans peut emprisonner de l’air quasiment contemporain.


Les isotopes d’oxygène pour remonter le temps

	Thermomètre isotopique Le dosage des isotopes de l’oxygène dans les glaces polaires ou les sédiments marins est une méthode appropriée en climatologie.
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La datation établie, les échantillons sont prêts à fournir quantité de renseignements, à commencer par la température moyenne des climats passés. L’observation des cristaux de glace se révèle être un premier indicateur. En effet, la forme des cristaux varie fortement selon la température qui régnait au moment de leur formation. Une méthode plus fine consiste à mesurer dans les molécules d’eau le rapport de deux isotopes de l’oxygène ( ¹⁸O /¹⁶O ) ( Voir encadré "Thermomètre isotopique" ). Une technique qui a notamment permis de retracer les grandes variations climatiques sur plusieurs centaines de milliers d’années. Reste à analyser la composition des bulles d’air piégées dans la glace. Cette mission est prise en charge par le Laboratoire de glaciologie et de géophysique de l’environnement de Grenoble. Les analyses, réalisées par chromatographie en phase gazeuse, permettent en particulier de suivre l’évolution des concentrations des gaz à effet de serre en fonction des températures. « En la matière, les résultats obtenus à Vostok sont éloquents, fait remarquer Jean Jouzel, chercheur au LSCE et pionnier des études de forages glaciairs en Antarctique. Sur les quatre cent vingt mille dernières années, les concentrations en gaz à effet de serre ont pu être corrélées à la température de l’Antarctique. »


Autre hémisphère, autre climat…

	Dans les glaces du Groenland Les glaces du Groenland constituent un témoignage irremplaçable sur l’histoire climatique de l’hémisphère Nord.
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Malgré tout, les renseignements fournis par les glaces antarctiques donnent peu d’indications sur le climat de l’hémisphère Nord.
En effet, si les concentrations des gaz s’équilibrent rapidement autour de la planète, les températures et les précipitations peuvent être très différentes d’un hémisphère à l’autre. Le climat boréal est d’ailleurs beaucoup plus changeant que celui de l’hémisphère Sud ( Voir encadré "Dans les glaces du Groenland" ). « Comme les précipitations sont plus abondantes ( 20 cm à 40 cm de glace par an ! ), les renseignements recueillis sont bien moins anciens ( 100 000 ans contre 400 000 ans au pôle Sud ), note Valérie Masson-Delmotte, climatologue au LSCE. Ils sont en revanche plus précis et pourront à terme nous livrer quantité de renseignements sur la dernière période glaciaire. »
De même, les forages effectués dans les glaciers tropicaux ne couvrent que les derniers siècles, mais ils ont une résolution de l’ordre du mois et fournissent de nombreuses informations sur les grandes oscillations du système climatique moderne comme El Niño.

La mémoire des océans

Les glaces ne sont cependant pas les seules à conserver la mémoire du climat. Au fond des océans, les sédiments marins qui se sont déposés au cours des âges recèlent également de précieuses informations.

Témoins planctoniques Les molécules d’eau de mer contenant du 160 s’évapore plus facilement que celles constituées de 1 8O .  Lire la suite

Ils permettent même de re monter bien plus loin dans le passé. À bord du navire océanographique Marion Dufresne, les scientifiques réalisent des carottages sédimentaires de quelque 60 mètres de long qui leur permettent de remonter jusqu’à un million d’années dans le passé. Les forages de plusieurs centaines de mètres atteignant la croûte océanique permettent, quant à eux, de retracer plusieurs dizaines de millions d’années de climatologie.
Les restes de micro organismes présents dans les sédiments fournissent quantité de renseignements sur le climat. La connaissance des époques d’apparition ou de disparition de certaines espèces donne ainsi des indices sur l’âge des échantillons : la présence de coccolites dans une strate sédimentaire, par exemple, indique que l’échantillon est âgé au minimum de 80 000 ans, époque d’extinction des coccolithophores. Les sédiments livrent également des informations sur la température des eaux  ( Voir encadré "Témoins planctoniques La mémoire des océans" ).


Améliorer notre compréhension du climat

Datation estimée en fonction de la profondeur du carottage. © CEA

« La couleur des carottes sédimentaires donne une idée de cette température, explique Elsa Cortijo, chargée de recherche au LSCE. Les sédiments blancs, riches en coquilles calcaires ou siliceuses, sont caractéristiques des climats chauds. Les couches correspondant aux climats froids, quant à elles, sont sombres car elles contiennent une fraction minérale plus importante, constituée en particulier de matériaux détritiques provenant des icebergs. »
Toutes ces informations recueillies du passé s’associent aux mesures actuelles pour améliorer notre compréhension du climat. Elles montrent que ce dernier n’est pas aussi stable qu’on le pensait : des épisodes de réchauffement ou de refroidissement très brutaux ont été en registrés, d’une dizaine de degrés en moins d’un siècle, surtout lors des périodes glaciaires. Les périodes interglaciaires sont-elles plus stables ? Rien n’est moins sûr. Et si le climat est instable, une modification par l’homme de certains paramètres comme la teneur en gaz à effet de serre peut avoir des conséquences imprévues. Raison de plus pour tenter de limiter ces émissions de gaz et d’approfondir notre connaissance du climat.