pb : Quelle relation peut-on établir entre les glaces polaires et le climat? Activité4 chap4 TS spe : les glaces polaires et les paléotempératures :

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1 pb : Quelle relation peut-on établir entre les glaces polaires et le climat? Activité4 chap4 TS spe : les glaces polaires et les paléotempératures : Saisir des informations et les mettre en relation Livre p Vidéo carotte polaire Le document 1 permet de préciser la relation existant entre les proportions des isotopes de l oxygène présents dans l eau ou la glace et la température du lieu de précipitation. Le logiciel proposé permet d afficher l ensemble des stations ayant réalisé des mesures isotopiques, d en extraire celles qui sont les plus représentatives et d obtenir le graphique 1b : ce dernier montre clairement une corrélation simple entre température et δ18o. On comprend ainsi comment, en mesurant le rapport δ18o (ou le rapport δd) sur des glaces polaires, on peut accéder à des paléotempératures grâce à un thermomètre isotopique convenablement «calibré». Le document 2 montre le graphe obtenu à partir des mesures du rapport δ18o dans le forage du Dôme C en Antarctique (même lieu que les graphiques des Activités Pratiques 1 relatifs à la concentration en certains gaz atmosphériques). Les paléotempératures indiquées ont été calculées à partir de l équation de la droite correspondant au thermomètre isotopique (document 1). Ce graphique présente les variations de températures en durée, en amplitude et permet d effectuer une comparaison entre ces variations et celles portant sur l évolution des gaz atmosphériques présentées dans la double page précédente. Le document 3 a pour objectif de faire comprendre aux élèves la nécessité de réaliser des corrélations entre les mesures arctiques et antarctiques afin de s assurer que les variations climatiques enregistrées sont bien globales. Réponse aux questions Doc. 1 : La carte montre que plus la latitude augmente plus la valeur du rapport δ18o diminue. Cela signifie que le rapport de concentration 18O/16O diminue : les précipitations sont donc proportionnellement enrichies en 16O (ou appauvries en 18O). En effet, une masse d air se charge de vapeur d eau vers les basses latitudes. Au cours de son transport vers les hautes latitudes, elle va s appauvrir progressivement en isotopes lourds, au fil des condensations successives. Plus la masse d air se refroidit, plus elle se condense, et plus l eau des précipitations est appauvrie en oxygène 18 (le phénomène est comparable en ce qui concerne le deutérium D ou 2H). En corrélant les valeurs du rapport δ18o mesurées dans les précipitations avec les relevés de température aux différentes latitudes correspondantes, on obtient une représentation linéaire. On dispose ainsi d un «thermomètre» : la mesure du δ18o correspond bien à une température. Remarquons qu il est nécessaire de calibrer la droite obtenue en un lieu donné car la correspondance δ18o/t C dépend de nombreux facteurs locaux. Enfin, comme tout permet de penser que la corrélation entre δ18o et température a toujours été la même par le passé, cette méthode permet de mesurer des températures «fossilisées» sous forme de rapports δ18o mesurables dans les glaces anciennes. Doc. 1 et 3 : En utilisant le graphe du document 1 pour les variations du δ18o, on constate que l amplitude des variations de température mesurées est comprise entre 46 C et 36 C environ. 1

2 Doc. 2 : Ce graphique montre plusieurs (8) cycles climatiques marqués par une augmentation relativement brusque de la température (entrée dans une période interglaciaire) et une baisse plus progressive (retour vers une période glaciaire). Les 4 derniers cycles glaciaires, d une durée moyenne de ans, sont nettement visibles. L amplitude maximale des variations de température s élève à 15 C pour le dernier cycle. De nombreuses oscillations plus ou moins importantes existent en particulier à l intérieur des périodes glaciaires. Doc. 3 : Les forages GISP, GRIP au Groenland et Vostok en Antarctique permettent : de préciser l évolution des paléotempératures au cours des derniers ans ; de comparer ces variations dans les deux régions polaires. Les graphes δ18o et δd sont très semblables. Ils permettent d établir qu il y a ans la température a commencé à chuter ( 12 C) pour atteindre un minimum il y a ans. De nombreuses petites oscillations marquent cette période glaciaire et sont visibles (notamment de ans à ans). Puis, la température augmente «rapidement», jusque vers ans (amplitude de l ordre de + 12 C) et reste élevée, avec des oscillations : nous sommes désormais en période interglaciaire. À Vostok, les grandes variations précédentes sont repérables de façon à peine décalées dans le temps, les oscillations à l intérieur de la période glaciaire sont moins marquées. La bonne corrélation entre les deux pôles suppose qu il existe une origine globale aux grandes variations constatées. Synthèse : L utilisation d un thermomètre isotopique fondée sur le rapport de concentration d isotopes (18O et 16O d une part, 1H et 2H d autre part), calibré à la zone d extraction des carottes glaciaires, permet de mettre en évidence une succession de périodes glaciaires et interglaciaires d une amplitude globale de 10 à 15 C et dont l origine est naturelle et non anthropique. Le 18O de la glace Le dioxygène est un mélange isotopique de 99,8% d'16o et 0,2% d'18o, les mêmes proportions règnent dans l'eau (H218O et H216O). On constate que la concentration en 18O dans les glaces polaires est inférieure à celle des eaux océaniques et que la concentration en 18O dans les glaces est fonction de la température de précipitation de la neige. L'accumulation d'inlandsis sur les continents, lors des périodes glaciaires s'est traduite par un enrichissement relatif de l'eau océanique en 18O. Les variations du rapport 18O/16O dans les glaces et les océans au cours du temps constituent des paléothermomètres permettant de connaître l'évolution du climat. Pour étalonner le thermomètre isotopique, on évalue le rapport 18O/16O dans des échantillons de neige en fonction de la température de précipitation, par rapport au standard de l'eau océanique, en utilisant la formule conventionnelle: Le 18O s'exprime en /oo et varie dans le même sens que 18O/16O. - La notion de thermomètre isotopique : 2

3 Belin Edition 2012 Préciser comment évolue la valeur du deltad évolue quand la teneur en deutérium de l eau diminue Belin Edition

4 Du fait de température constamment négatives, les calottes polaires ont accumulé des épaisseurs de glaces pouvant dépasser 3 Km En effectuant des mesures sur les précipitations actuelles, on a constaté une relation entre la température à laquelle surviennent ces précipitations et la composition isotopique de l eau. Les deux éléments constitutifs de l eau sont exploitables : pour l hydrogène on s intéresse au rapport D/H et pour l oxygène au rapport 18O/16O. Dans les deux cas : plus la température est basse plus l eau est apprauvie en isotope lourd donc plus l indice isotopique ᵟD ou ᵟ18O est faible. La composition isotopique de la glace, à différentes profondeurs dans une carotte, nous renseigne donc sur la température locale à l époque des précipitations.. Pb : que peuvent apporter les foraminifères dans l étude des climats? Activité 5 chap4 TS spe : les données des foraminifères TP 2 TS spe : l évolution globale du climat à partir des données des foraminifères. Livre p Le document 1 représente une cartographie mondiale réalisée à partir des banques de données polliniques relatives à de nombreux sites. Dans les cartes présentées, il est possible de faire tracer aux élèves les limites de certains biomes représentatifs et de suivre au cours du temps leur extension géographique. Le document 2 apporte des informations sur les foraminifères et présente une activité pratique réalisable en classe qui consiste, à partir de boues océaniques prélevées lors de campagne de forage (campagne du Marion Dufresne), à solubiliser les sédiments et à réaliser un tri sur colonne de tamis (tamis 125 μm). Une simple identification des différentes familles de foraminifères ou, si l échantillon le permet, un comptage du nombre d individus peut être réalisé. Si l on dispose de deux niveaux différents, on peut alors discuter des différences de contenu, émettre des hypothèses sur l origine des variations constatées et surtout faire prendre conscience de la maigre fiabilité des estimations réalisées. Le document 3 identifie les exigences climatiques de trois espèces de foraminifères et montre un graphe relatif à un forage réalisé à l équateur : ce graphe peut être construit à partir d une banque de données téléchargeables en demandant aux élèves de justifier le choix des espèces figurant dans la banque de données. Réponse aux questions : Doc. 1 : Les biomes à observer sont ceux pour lesquels les données sont nombreuses : les forêts (tempérées, tempérées chaudes ou boréales) de l hémisphère Nord (Europe et Amérique du Nord) donnent une bonne image de l évolution climatique. Ces forêts, sont inexistantes à ans où les données polliniques disponibles montrent l existence d une toundra sèche dans le sud de l Europe. Il y a ans, la forêt tempérée occupe presque toute l Europe y compris l Europe du Nord alors qu à une époque récente, la zonation climatique est bien marquée (en Europe comme en Amérique du Nord) par la forêt boréale au Nord, la forêt tempérée réduite aux latitudes d environ 45 degrés, et la forêt tempérée chaude occupant le sud de l Europe et le sud de la côte est-américaine. On peut ainsi reconstituer un scénario climatique : un climat très froid il y a ans (période glaciaire), un optimum climatique il y a ans (maximum interglaciaire) puis des modifications climatiques (un léger refroidissement dans le nord de l Europe) entraînent une zonation plus marquée des trois biomes forestiers. Doc. 2 et 3 : L abondance actuelle de trois foraminifères (N. pachyderma, G. bulloïdes, G. ruber) dépend de la localisation des forages réalisés dans l Atlantique Nord et donc de la température des eaux océaniques. Ces espèces actuelles ont donc des exigences thermiques strictes (5 C pour N. pachyderma, 16 C pour G. bulloïdes et 25 C pour G. ruber). Le graphe de droite réalisé à partir d un sondage réalisé à 0 de latitude et 23 longitude ouest permet d identifier les modifications de la température océanique en estimant que les exigences climatiques actuelles sont transférables au passé. Entre ans et ans, les foraminifères les plus abondants sont N. pachyderma, signant une température relativement froide (aux environ de 14 C) ; entre ans et ans, le nombre d individus appartenant à l espèce G. ruber augmente brutalement, signant un réchauffement des eaux superficielles alors que N. pachyderma existe encore. La coexistence des deux espèces permet d envisager une température océanique aux alentours de 18 4

5 C. Après ans, G. ruber est presque exclusivement présent témoignant d une accélération du réchauffement océanique et d une température océanique supérieure à 20 C (là encore, prendre garde à l orientation de l échelle de temps). Les deux types d indices, continentaux (pollens) et océaniques (foraminifères), donnent des indications concordantes sur l évolution du climat depuis ans : la période glaciaire prend fin il y a ans et lui succède une période interglaciaire dont l optimum climatique se situe il y a ans. Pb : Quels indices peuvent apporter les glaciers dans la reconstitution des climats? Activité 6 chap 4 TS spe : Les indices donnés par les glaciers : Livre p Le document 1 illustre d une part l extension de la banquise arctique (étendue de mer gelée) mais aussi l évolution d un glacier continental en Alaska à travers deux photographies. Le document 2 permet d appréhender la variation de l extension des glaces (banquise et calotte polaire) mais aussi la variation de masse, obtenue grâce à de nouveaux capteurs satellitaires (Cryosat 2 développé par l ESA : agence spatiale européenne). Le document 3 montre la fragmentation de la banquise antarctique et la dérive de gigantesques icebergs. Réponse aux questions : Doc. 1, 2 et 3 : La surveillance satellitaire de l Arctique (inlandsis et banquise) de 1979 à 2011 montre une surface en réduction d environ 1 % par an, en particulier au niveau de la glace de mer. Ces modifications sont aussi visibles dans le paysage au niveau des langues glaciaires dont la longueur est en nette diminution depuis un siècle. Les glaces antarctiques sont elles aussi sous surveillance satellitaire ce qui permet de suivre des phénomènes de mois en mois mais aussi des événements plus ponctuels comme les débâcles d icebergs géants tel l iceberg B15-A, détaché de la barrière de glace de Ross en l an 2000, le plus grand iceberg dont l existence ait jamais été enregistrée. Doc. 1, 2 et 3 : Alors que la superficie des glaces arctiques est mesurée en diminution de 8 % par an, celle des glaces antarctiques semble assez constante de 1978 à Depuis quelques années, des mesures laser effectuées par hélicoptère, confrontées à des données prises par satellite (projet Icesat de la Nasa), permettent d appréhender l épaisseur des glaces (donc leur volume et leur masse). Les données montrent une diminution de masse bien marquée depuis 2006 environ L évolution récente du climat appréhendée à travers les mesures de superficie et d épaisseur des glaces polaires est marquée par un changement des températures estivales et hivernales entraînant, en particulier en Arctique, une diminution des glaciers et de la banquise. Livre p Le document 1 aborde la dynamique d un glacier continental depuis la zone d accumulation en amont à la zone d ablation en aval et évoque les produits déposés par les glaciers : les moraines. Il précise aussi les conditions d un équilibre glaciaire (ni recul, ni extension) en relation avec les conditions climatiques hivernales et estivales (température et précipitations). Le document 2 permet d illustrer la notion de bloc erratique, historiquement à l origine de la découverte, dans la première moitié du XIXe siècle, de grandes modifications climatiques et du possible transport par les glaciers d énormes blocs en dehors de leur province géologique d origine. Ce document permet de confirmer l existence de deux maximum glaciaires : ans (Riss) et (Würm). 5

6 Les documents 3 et 4 illustrent des observations et mesures séculaires et décennales montrant un net recul des langues glaciaires associé à une perte de masse correspondant à une fonte glaciaire importante. Les trois documents permettent aux élèves de comprendre l intérêt des glaciers alpins pour l étude des variations climatiques à différentes échelles de temps. Doc. 1 : Pour comprendre comment les événements climatiques influent sur l évolution d un glacier, il suffit de lire les informations figurant dans l aplat jaune. Doc. 1 et 2 : La présence de blocs erratiques et de moraines dans la région lyonnaise confirme l existence de périodes glaciaires, en particulier la dernière glaciation identifiée localement par les relevés polliniques. Doc. 3 et 4 : Depuis plus d un siècle, on assiste à un recul des glaciers argumenté par les cartographies, les photographies, les témoignages et actuellement les mesures. Corrélativement à ce qui se passe au niveau des glaces polaires, les bilans de masse, décroissants depuis 1985, sont en chute très importante (pour les trois glaciers étudiés) depuis l année 2000, avec une perte équivalant à une épaisseur d eau de 16 mètre soit une perte équivalente à celle de la période Les changements climatiques (températures estivales et hivernales en hausse, chute des précipitations hivernales locales) sont à l origine des évolutions observées. L étude des glaciers continentaux vérifie les autres données (pollens, 18O des carottes glaciaires, mesures par satellite du volume des glaces polaires) et donne une image locale des changements climatiques globaux ayant affecté le globe depuis ans. L observation par satellite des zones polaires permet de constater un recule des glaces. Les glaciers continentaux constituent des archives climatiques sur quelques siècles. La plupart des glaciers de montagne sont en phase de recul depuis ans ce qui est cohérent avec le réchauffement climatique moyen. Pb : Comment a évolué la composition de l atmosphère terrestre? III-EVOLUTION DE LA COMPOSITION ATMOSPHERIQUE TERRESTRE : Activité 7 chap 4 TS spe : les archives atmosphériques Saisir des informations, les interpréter, savoir communiquer Document 1 p 98 6

7 Belin Edition 2012 Montrer en quoi les carottes de glace peuvent nous renseigner sur la composition atmosphérique des temps passés. Expliquer pourquoi un échantillon de glace et les gaz contenus dans celui-ci peuvent avoir des âges différents. Document 2 p 98 Les documents 1 et 2 illustrent le forage et l obtention de carottes de glaces ainsi que la présence visible au microscope de bulles d air emprisonnées entre les cristaux de glace, véritables archives de l atmosphère au moment de la constitution de la glace. 7

8 Le document 2 montre les graphiques obtenus après mesures des concentrations de trois gaz (CO2, N2O, CH4) contenus dans les carottes de glace antarctique du forage Dôme C de la mission Epica (European Project for Ice Coring in Antarctica), forage de mètres de profondeur ayant permis de remonter à ans. Résumer les informations apportées par l analyse des carottes de glace prélevées en Antarctique : Les graphiques obtenus grâce aux mesures réalisées à partir du forage au Dôme C en Antarctique permettent d observer des variations périodiques de trois gaz à effet de serre : le dioxyde de carbone, le protoxyde d azote et le méthane. Les trois graphes peuvent être corrélés et montrent 7 à 8 phases (durant environ ans) où les concentrations varient en moyenne de 55 % pour CO2, de 42 % pour N2O et de 75 % pour CH4. Les courbes montrent des oscillations autour d un point moyen relativement constant sauf pour le CO2 où les variations semblent plus marquées depuis ans et pour le méthane qui voit sa concentration fortement augmenter dans la période la plus récente. Document 3 p 99 En quoi les mesures récentes apportent-elles des informations nouvelles. À la différence de l échelle temporelle précédente, à l échelle du millier d années, les concentrations des trois gaz montrent toutes une augmentation nette depuis 1850 et extrêmement forte depuis 1950 : courbes en forme de «crosse de hockey». Les valeurs mesurées actuellement (390 ppm de CO2, 1,75 ppm de CH4, 320 ppb de N2O) dépassent toutes nettement les concentrations maximales atteintes depuis ans. Les mesures actuelles par satellite de la concentration en CO2 confirment les données glaciaires et précisent la répartition géographique avec des concentrations particulièrement élevées dans l hémisphère Nord entre 30 et 60 de latitude. Proposer une interprétation à l évolution de la teneur atmosphérique en CCl4 L évolution de la concentration en tétrachlorure de carbone ne peut s expliquer que par les activités humaines domestiques et industrielles. Les mesures réalisées dans la glace sont ainsi cohérentes avec le développement de l utilisation des CFC dans les années 1950 puis sa réglementation à partir des années Les bulles d air emprisonnées dans les glaces polaires permettent de mettre en évidence des variations cycliques, de l ordre de ans, de la concentration de certains gaz à effet de serre ; elles montrent aussi que, depuis 150 ans, on observe une augmentation inégalée depuis ans des concentrations en CO2, N2O et CH4. La précision des mesures et la réalisation de nombreux forages permettent actuellement de suivre sur quelques dizaines d années, l évolution de certains polluants atmosphériques d origine humaine. 8

9 Belin Edition 2012 Pour aller plus loin : - Foraminifère et reconstitution climatique - Variation du niveau marin et climat - Des anomalies de températures - Histoire du climat 9

10 - La glace mémoire du climat - Histoire de l atmosphère - Les variations climatiques - Diagramme pollinique Métier : - Glaciologue - Météorologue 10