Carotte glaciaire, sur sa tige de forage. Bulles d air enfermées dans la glace (M. polarisant)

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1 CHAPITRE II /Atmosphère- climats/ L EVOLUTION RECENTE DE L ATMOSPHRE ET DU CLIMAT. Problématiques : Les carottes glaciaires témoins de l histoire du climat. D autres témoins des changements climatiques. Sciences et climat récent. Actualisme : Théorie postulant que les lois régissant les phénomènes géologiques actuels étaient également valables dans le passé. Activité I : L évolution de la composition atmosphérique ; les paléotempératures: Les calottes glaciaires ont emprisonné au cours de leur formation des bulles d air ; ces bulles constituent des échantillons de l atmosphère de leur époque. Les données satellitaires ainsi que les capteurs au sol permettent de suivre l évolution de la composition atmosphérique «en direct». Les carottes de glace, ans d histoire de l atmosphère : Utilisation du logiciel Vostok : A Vostok, station basée en Antarctique, une carotte de plus de trois kilomètres de long est extraite, qui retrace l'histoire des dernières années, années et, en 2004, le projet Epica a permis de remonter jusqu'à ans en arrière (carotte du Dôme C). Carotte glaciaire, sur sa tige de forage. Bulles d air enfermées dans la glace (M. polarisant) L évolution des taux de gaz à effet de serre au cours des dernières années peut être représentée sous forme de graphes : Que nous montrent ces graphiques? L étude des carottes glaciaires permet de reconstituer l histoire climatique de la région de prélèvement :

2 Les périodes de réchauffement climatiques sont-elles naturelles? Cours :Dans les régions polaires, la glace se forme à partir des couches de neige qui se déposent chaque année : donc. plus la glace est profonde, plus elle est ancienne. Pour y accéder, les scientifiques réalisent des carottages : depuis le premier exécuté en 1966 au nord-ouest du Groenland (1390 m de profondeur), les forages se sont multipliés au Groenland et en Antarctique et ont pu atteindre la profondeur record de m. Les données obtenues ont pu être comparées et ont permis de reconstituer une histoire climatique qui remonte jusqu'au-delà de ans. En se tassant progressivement, la neige enferme l'air qu'elle contient ; on estime que, vers 80 mètres de profondeur, les bulles d'air ainsi piégées sont définitivement isolées de l'atmosphère. L'analyse de ces bulles d'air piégées dans la glace permet de retracer l'évolution de la concentration de certains gaz (dioxyde de carbone, méthane, protoxyde d'azote, halocarbures), mais aussi de particules (poussières continentales désertiques, marqueurs volcaniques) ou encore de métaux lourds (mercure, plomb), sur des périodes allant de quelques dizaines d'années à ans. La concentration des gaz à effet de serre (CO2, méthane et protoxyde d'azote) montre, depuis ans, des variations cycliques d'une périodicité d'environ ans. À plus petite échelle de temps, on observe depuis 1850 une augmentation très nette de la concentration de ces trois gaz : les valeurs atteintes actuellement sont supérieures aux valeurs les plus élevées connues avant le début de l'ère industrielle. Par exemple, la concentration en méthane, qui n'avait jamais dépassé 800 ppbv (partie par milliard en volume), est de 1800 ppbv aujourd'hui. Activité 2:La mesure des paléotempératures : TD : Utilisation des logiciels GeoMapApp, Oxygène ( 18 O/ 16 O). Utilisation du logiciel Oxygène ( 18 O/ 16 O): L oxygène existe sous la forme de deux isotopes stables : 18 O et 16 O. L eau de mer est beaucoup plus riche en 16 O. Ces 2 isotopes n ont pas le même comportement au cours du cycle de l eau : 16 O contenu dans l eau de mer s évapore facilement par rapport à 18 O ce qui fait que les nuages sont très riches en 16 O. Le δ 18 O : Dans l'eau naturelle (océan, lac, vapeur, glace, etc.), le rapport H 2 18 O/ H 2 16 O est de l'ordre de 1/500 (0.002). Ce rapport varie extrêmement peu, 1 à 2 % à nos latitudes, 3-4 % aux hautes latitudes. On utilise la notation "delta" (δ) qui permet d'exprimer ces petites variations. On exprime ces variations en "pour mille" ( 0 / 00 ): Standards : O et H : S.M.O.W. (Standard Mean Ocean Water) ( 0 / 00 ) Composition exprimée en déviation "delta" par rapport à la composition océanique moyenne de 1/500. (d'après Gilles DELAYGUE Université de Berne)

3 En corrélant les températures en différents points du Globe et le δ 18 O en ces différents points, on obtient le graphique suivant (livre p. 100): L étude du δ 18 O sous différentes latitudes montre qu il existe une relation entre ce δ 18 O et la température : laquelle? Réponse : Le 18 O (plus lourd) sera préférentiellement entraîné lors des précipitations (condensation), les nuages s approchant des pôles seront donc de plus en plus pauvres en 18 O. Schéma explicatif : 18 O/ 16 O diminue de l équateur aux pôles et donc δ 18 O diminue dans les précipitations de l équateur aux pôles. Diminution de la température condensation condensation Vapeur d'eau _ 18 O = / Equateur Evaporation Précipitation _ 18 O = / 00 Calotte de glace Précipitation _ 18 O = / Pôle Eau de Mer _ 18 O = 0 0 / Continent Répartition annuelle de

4 Le δ 18 O peut être considéré comme un marqueur de la température au lieu des précipitations (neige ou eau). En quoi le δ 18 O peut-il nous renseigner sur les températures du passé? Réponse : on peut penser que le principe du rapport isotopique 18 O et 16 O (H 2 18 O/ H 2 16 O) est resté inchangé au cours des temps géologiques. Le δ 18 O peut donc servir de marqueur de la température à une période donnée. L étude du δ 18 O dans les carottes de glaces peut donc permettre une étude de l évolution des températures en un lieu donné au cours des dernières années. Activité «tableur» (tableur : «Evolution du δ 18 O au forage GRIP (Groenland)») Construire la courbe «Evolution du δ 18 O au forage GRIP (Groenland)» à l aide des données fournies. Résultat attendu : Le δd : Le rapport des isotopes 1 H et 2 H de l hydrogène, ou δd peut aussi constituer un bon paléo-thermomètre (livre p 100). A partir du doc. 3 p. 101, montrez l'intérêt de la comparaison de différents forages (GISP, GRIP, Vostok). Cours : L'analyse de la glace polaire permet de mettre en relation ces changements de composition atmosphérique avec l'évolution des températures. Il est en effet possible de retrouver les températures du passé grâce à un thermomètre isotopique qui s'appuie sur l'évolution de la concentration des isotopes de l'oxygène ou de l'hydrogène dans l'eau (et donc dans la glace). Pour cela, on mesure le δ 18 O (basé sur le rapport entre les isotopes de l'oxygène 18 0 et 16 O) ou le δd (en relation avec le rapport entre les isotopes de l'hydrogène 'H et 2 H, ou deutérium). Ces rapports permettent d'estimer la température atmosphérique au moment de la formation de la glace. En effet, actuellement, on constate expérimentalement que le δ 18 O et le δd de la neige varient avec la température atmosphérique au moment de la précipitation : plus la température est basse, plus le δ 18 O et le δd de la neige sont faibles. La courbe traduisant les variations de l'un ou l'autre de ces rapports en fonction de la température est une droite. La mesure du δ 18 O ou du δd de la glace permet donc d'estimer la température au moment de la chute de neige correspondante. Les mesures réalisées aux pôles montrent que les températures ont connu des cycles d'à peu près ans pendant lesquels elles ont varié de 8 à 12 C : ce sont les cycles des périodes glaciaires-interglaciaires. Activité 3 : les pollens et l évolution climatique globale :

5 Les gymnospermes et les angiospermes assurent leur reproduction par le biais de gamètes dont le pollen (gamètes mâles). L enveloppe très résistante des grains de pollen est apte à leur conservation dans les milieux appauvris en oxygène : tourbières, lacs. Observation de différents pollens au microscope au MEB: Observation de différents pollens au microscope optique : Détermination des pollens en s'aidant de la clé de détermination : Pollen inaperturé Grains isolés sans sillon grains isolés sans sillon ni Grains multiples ni pore pore avec ballonnets pollen sans sillon ni pore dyade tétrade polyade Pollen poré pollen avec pore Pollen colpé monoporé diporé périporé triporé stéphanoporé pollen avec sillon Pollen colporé monocolpé dicolpé tricolpé stéphanocolpé syncolpé pollen avec pore et sillon tricolporé péricolporé stéphanocolporé

6 Ou disponible sur le site suivant :

7 Les biomes de la Terre (d'après E.Benders-Hyde) : Les biomes sont définis comme "les principales communautés mondiales, classées en fonction de la végétation prédominante et caractérisées par les adaptations des organismes à ce milieu particulier" (Campbell 1996). Un biome (du grec bios = vie), appelé aussi aire biotique, écozone ou écorégion, représente donc un territoire qui se caractérise par un climat, un milieu physique, chimique et une vie spécifiques. On distingue cinq grands types de biomes : les biomes aquatiques, les forêts, la toundra, les prairies (humides notamment) et les déserts. Dans ces cinq grandes catégories, il existe de nombreuses subdivisions. Chaque biome est caractérisé par la présence des pollens des espèces qui lui sont caractéristiques : la présence des espèces dépend de nombreux facteurs dont la température et l humidité : ainsi, le peuplement végétal actuel est un bon indicateur du climat local. En effet, les espèces végétales sont adaptées à des conditions climatiques relativement précises : L évolution climatique déterminée par l étude des pollens : TD Utilisation du logiciel Paléobiome : Biomes et conditions climatiques D'après le principe d'actualisme, on peut supposer que dans le passé, les lois régissant la répartition des végétaux étaient les mêmes qu aujourd hui. La végétation du passé (paléo-végétation) est donc utilisée comme indicateur du climat de l'époque (ou paléoclimat). En identifiant puis en dénombrant les grains de pollens à différents niveaux d'une carotte sédimentaire, on peut établir un diagramme pollinique, témoin de l'évolution du peuplement local. Des scientifiques ont foré une tourbière et en on extrait une colonne de 8 mètres de tourbe du Lac Noir en Savoie. (1 mètre correspondant à une durée de 1330 années en moyenne, soit une croissance moyenne de 7,5 cm par siècle). La tourbière du Lac Noir en Savoie. La présence de pollens de différentes espèces végétales a été relevée tout au long de la colonne. Leur nombre peut être présenté sous forme de graphiques selon différentes profondeurs : (tableur Lacnoir.xls) :

8 Quels renseignements nous apportent les différents graphiques quant aux conditions climatiques en vigueur au moment des différents dépôts? L ensemble des données recueillies donne le graphique suivant : (tableur Pollens du Lac Noir.xls) D'après le graphique on peut observer - un peuplement de hêtraie sapinière. dont on vient de parler, - un peuplement de type Chênaie mixte (chêne, noisetier, tilleul) caractéristique d'un climat humide et doux, - un peuplement peu arboré avec graminées, carex et pins signalant un climat plus sec et plus froid. Si l on conserve les courbes correspondant au sapin, hêtre, chêne, noisetier, graminées et pin, on obtient le graphique suivant (tableur : lac noir espèces sélectionnées.xls)

9 Ce graphique montre deux périodes climatiques : lesquelles? (justifiez). Quelles sont les grandes tendances du climat dans la région du Lac Noir au cours des dix-mille ans passés? Réponses : Grâce au diagramme pollinique, on peut dater les changements climatiques vers 5500 ans (profondeur : 4,00 m) pour le plus récent qui correspond à un refroidissement, et vers ans (profondeur : 7,50 m) pour le plus ancien qui correspond à un réchauffement. Quel serait l intérêt de combiner ce type d études en différents points du Globe? Réponse : En combinant les résultats obtenus en différents sites, on construit des cartes de répartition de la végétation à différentes époques. La comparaison de ces cartes révèle des changements climatiques. A partir du doc. 3 p. 103, reconstituez les grandes tendances climatiques de l évolution du climat dans la région du las d Amsoldinger entre ans et -800 ans b.p. («before present» = avant aujourd hui). A partir du doc. 1 p 104, indiquez les grandes modifications climatiques terrestres depuis ans Cours : Le pollen (équivalent du gamète mâle chez les végétaux supérieurs) possède une enveloppe extérieure, l'exine, qui résiste à la plupart des dégradations chimiques et biologiques. Cette enveloppe permet au pollen d'être dispersé dans l'environnement sans être abîmé et d'être fossilisé dans tes sédiments. L'observation d'un pollen permet d'identifier l'espèce émettrice car la taille, la forme, l'ornementation de l'exine sont différentes d'une espèce (ou d'un groupe d'espèces) à l'autre. Les biomes du passé peuvent être reconstitués : Les principales associations végétales (forêt tropicale dense, savane, steppe, forêt tempérée ou encore toundra) sont appelées des biomes. Pour retrouver les espèces végétales présentes en un lieu et à une époque donnée, il faut déterminer avec précision les pollens conservés, en ce lieu. Dans une couche sédimentaire datant de cette époque (tourbe ou limon par exemple) et faire une étude statistique de la fréquence de chaque type pollinique. On obtient ainsi un spectre pollinique qui permet de reconstituer l'association végétale présente à cette époque et indicatrice d'un climat particulier (température-précipitations). La superposition dans les sédiments de spectres polliniques qui diffèrent au cours du temps permet de construire, pour une région donnée, un diagramme pollinique : celui-ci traduit donc l'évolution, en ce lieu, des biomes au cours du temps. Associés à des méthodes de datation, les pollens permettent de retrouver les grandes variations climatiques récentes : sortie de la dernière période glaciaire, optimum climatique de l'holocène, petit âge glaciaire. Activité 4 : les foraminifères et l évolution climatique globale :

10 Recherche : (en quelques lignes) qu est-ce qu un foraminifère (anatomie ; mode de vie ; milieu)? Observation à la loupe binoculaire : Les préférences écologiques des différentes espèces de Foraminifères : Comme pour beaucoup d êtres vivants, la répartition des Foraminifères obéit à des préférences écologiques. On pourra associer une espèce à un type de climat et donc ensuite, reconnaissant l espèce et par le principe d actualisme, reconstituer le climat. La répartition des Foraminifères est liée à la température de l eau, et constitue donc un indicateur de la température : Données actuelles. Montrez comment les foraminifères peuvent confirmer les changements climatiques observés au cours des dernières années b.p.? Cours : Les foraminifères sont des organismes unicellulaires (protozoaires) aquatiques qui fabriquent une sorte de «coquille» calcaire appelée test. Après leur mort, ces tests tombent au fond de l'océan et s'accumulent dans les sédiments. En faisant une étude statistique des espèces de foraminifères présents dans les sédiments (en effet, certaines espèces ont des exigences climatiques précises et leur présence fournit des informations sur la température de l'eau de mer). La multiplication des sondages réalisés dans les sédiments océaniques a permis d'obtenir, sur plus de ans, une image des paléoclimats mondiaux, qui confirme les données obtenues par ailleurs. Remarque : plus le δ 18 O du test des foraminifères est faible, plus la paléo-température de l'eau est élevée (à l'inverse de ce qui a été constaté dans les glaces). L étude du δ 18 O du test des foraminifères est donc une source d indications précieuses quant à l évolution du climat. Activité 5 : Etude de l évolution des glaces et de celle du climat actuel : (à partir du livre pp 106 à 109).

11 Les forages dans les glaces polaires, associés aux études sur les pollens et les carbonates ne donnent que peu d'indications sur les variations très récentes du climat. Des informations plus précises peuvent être tirées de l'étude de l'extension et du volume des glaces polaires d'une part, des glaciers continentaux d'autre part. Une évolution différente dans l'arctique et dans l'antarctique Les glaces polaires sont constituées d'une part par la banquise (étendue saisonnière de glace de quelques mètres d'épaisseur au maximum qui flotte sur la mer), d'autre part par la calotte polaire, ou inlandsis, qui est un glacier de très grande étendue reposant sur un substratum rocheux et pouvant atteindre plusieurs kilomètres d'épaisseur. Des observations par satellite montrent que, depuis 1978, la banquise arctique perd environ 2,7% de sa superficie par décennie ; elle a perdu, par ailleurs, près de 40% de son épaisseur. En Antarctique, en revanche, les mesures par satellite ne montrent pas actuellement de diminution de surface. Les glaciers continentaux sont des archives des modifications récentes du climat L'équilibre d'un glacier continental (la conservation de son volume de glace) repose sur plusieurs paramètres climatiques. En effet, un glacier est stable lorsqu'il y a équilibre entre les apports réalisés en amont dans la zone d'accumulation (alimentée par des précipitations neigeuses) et les pertes situées en aval au niveau du front du glacier, où la fonte glaciaire alimente un torrent sous-glaciaire. Ainsi, non seulement les températures, mais aussi les précipitations, interviennent dans l'avancée ou le recul d'un glacier. À quelques exceptions près, la plupart des glaciers montagnards étudiés sont en phase de recul. Le recul des glaciers continentaux est observé de façon quasi généralisée depuis trois à quatre décennies, avec une nette augmentation au cours des 20 dernières années.

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