La paléoclimatologie a pour but de reconstituer l’histoire du climat et d’en comprendre les mécanismes. Cela est rendu possible par le fait que les conditions climatiques ont une influence sur les matières et sur les êtres vivants. Les moraines ne sont pas les seuls témoins des variations climatiques passées. Ainsi, les variations d’étagement de la végétation ou du niveau des rivières, les glaces et sédiments ainsi que les coraux renferment de précieuses informations sur les climats passés et les réactions du système climatique.

Il faut attendre les années 1960 pour que les progrès techniques permettent d’obtenir des mesures fiables et de d’améliorer les méthodes de datation des données paléoclimatiques. De très nombreuses données ont été recueillies suite à la multiplication des programmes de sondage ou de carottages dans les sédiments océaniques. Le plus spectaculaire est le Deep Sea Drilling Project (1968 – 1983), coordonné par le Scripps Institution of Oceanography et l’université de Californie, San Diego. Le programme a donné lieu à des sondages profonds effectués par le navire Glomar Challenger et a permis de recueillir de précieuses données sur la formation des fonds océaniques et leur expansion. Le DSDP ne doit pas éclipser les autres carottages effectués dans des eaux moins profondes et dont l’étude a fait faire d’énormes progrès à la connaissance de l’évolution climatique du Quaternaire.

Les carottages en milieu polaire

La base antarctique Vostok est la première station installée sur le continent Antarctique. Elle a été installée par les russes (anciennement soviétiques) en 1957 à l’occasion de l’année géophysique internationale pour l’étude du climat. Le site a été choisi parce qu’il offre des possibilités de forages profonds. Peu après, les français et américains installent non loin leur propre base de recherche : “Dumont D’Urville”, dite “Dôme C”, située à la côte du secteur français de Terre Adélie, et “Byrd”. La proximité des équipes de recherche donne spontanément lieu à une coopération internationale.

Dans les années 1970, une première série de forages est réalisée par les scientifiques en hivernage. Ils forent à une profondeur comprise entre 500 et 952 mètres dans le but d’étudier la teneur en oxygène isotopique de l’eau composant les calottes et de dater la dernière glaciation. En 1978, un forage de 1024 mètres a offert 40 000 ans d’archives glaciaires et ainsi permis d’accéder au cœur de la dernière glaciation.

Par-ailleurs, ces carottages apportent également des renseignements très précieux concernant l’évolution de la composition atmosphérique. En effet, lors de sa formation, la glace emprisonne des bulles d’air qui plus tard témoignent de la composition atmosphérique de l’époque. Il est donc possible, à partir de l’air piégé dans les glaciers et dans la glace elle-même, de reconstruire des séries temporelles des gaz traces et des aérosols atmosphériques.

L’extraction des bulles d’air contenues dans les glaces antarctique puis, leur analyse chimique, permit aux chercheurs de faire une découverte retentissante. La teneur en gaz carbonique de la dernière période glaciaire, entre 20 000 et 40 000 ans au moins, était inférieure d’environ 30\% à celle de la période actuelle.

Dans les années 1980, ni les forages américains, ni les forages du «Dôme C» des Français ou ceux de «Dye» des Américains et des Danois au Groenland n’atteignaient des profondeurs suffisantes pour couvrir la totalité du dernier cycle glaciaire qui commença il y a environ 110 000 ans. Et, de ce fait, il était difficile de tirer des conclusions définitives sur des corrélations possibles entre l’ensoleillement, lié aux paramètres astronomiques de la théorie de Milankovitch, et ces cycles glaciaires. Le forage de Vostok en revanche, permettait d’accéder à la précédente période glaciaire avec environ 150 000 ans d’enregistrement.

La maîtrise de l’analyse de la teneur en méthane (CH4) des atmosphères passées, sa corrélation avec la teneur en gaz carbonique (CO2) et la température, reconstituée à partir des analyses isotopiques, attirèrent l’attention de la communauté scientifique internationale.

L’objectif des scientifiques était de couvrir plusieurs cycles glaciaires et les forages de Vostok continuèrent, toujours de plus en plus profonds.

  • Trou 3G en 1984 : 2202 mètres de profondeur
  • Trou 4G en 1990 : 2546 mètres de profondeur
  • Trou 5G en 1996 : 3623 mètres soit 420 000 ans et près de 4 cycles glaciaires

Les corrélations étroites entre teneur en gaz carbonique (et méthane) et température, sont confirmés cycles après cycles, mais les évolutions de ces paramètres sont affinées et détaillées notamment en ce qui concerne les transitions entre les périodes glaciaires et interglaciaires chaudes et apportent des idées et des hypothèses nouvelles pour expliquer l’origine de ces oscillations climatiques. Il semble maintenant ne faire aucun doute qu’il existe bien un lien entre cycle climatique et insolation comme l’avait prévu Milankovitch.

Ci-dessous une reconstitution des variations de températures atmosphériques passées, établie à partir des relevés de concentration mesurés à la station de Vostok. On observe une corrélation directe entre les fluctuations de la concentration en CO2 et en CH4 avec celle de la température. Ainsi, au cours de ces 150 000 ans, plus il faisait chaud plus la concentration en CO2 et CH4 de l’atmosphère était élevée et inversement pour les périodes froides.

Ainsi ces enregistrements simultanés des variations de température et de concentration de l’atmosphère en gaz carbonique et en méthane montrèrent que celles de l’effet de serre qui en découlent jouaient un rôle essentiel et apportaient des réponses aux insuffisances de cette théorie astronomique. En effet celle-ci explique bien le cycle principal de 100 000 ans qui correspond au forçage astronomique attribué aux variations de l’excentricité de l’orbite terrestre autour du Soleil, mais à lui seul, ce forçage est trop faible pour induire une oscillation climatique d’amplitude aussi marquée que celle observée. C’est l’effet de serre par ses interactions dans des boucles de rétroactions complexes avec la biosphère et l’océan, dont la capacité d’absorber les gaz à effet de serre dépend de la température, qui peut expliquer l’amplitude de ces cycles glaciaires.

Pour aller plus loin

Note de fin

De manière générale, la précision des datations diminue à mesure que l’on remonte dans le temps et les méthodes de datation sont souvent spécifiques à certaines échelles de temps. Les enregistrements des cernes de croissance des arbres sont en général les plus précis, et offrent une précision à l’année près ou à la saison près (sur des millénaires). Il y a un ensemble d’indicateurs paléoclimatiques qui disposent également de couches annuelles (par exemple, les coraux, les sédiments varvés, certaines concrétions de grottes et certaines carottes de glace) mais les modèles d’âge associés à ces indicateurs ne sont pas toujours exacts à l’année près. Les méthodes radiométriques continent à progresser. Chaque système radiométrique est utile pour une certaine période de temps et les études paléoclimatiques publient presque toujours les incertitudes analytiques. Comme il peut y avoir des incertitudes supplémentaires, des méthodologies ont été développées pour vérifier les hypothèses et les tester avec des méthodes indépendantes. Ainsi, les variations séculaires du radiocarbone sont bien connues au cours des derniers 12 000 ans et relativement bien comprises pour les derniers 35 000 ans.