D4 Proxies et paléoclimat

Topique

Les proxys paléoclimatiques sont des enregistrements naturels qui préservent les informations sur les conditions climatiques antérieures à la période des mesures instrumentales. Parmi les principaux figurent les carottes de glace, les sédiments marins, les spéléothèmes – stalactites et stalagmites –, les cernes des arbres et les coraux. Chacun enregistre des propriétés différentes de l'environnement et possède une fonction de transfert qui relie la grandeur effectivement préservée à la variable climatique que l'on souhaite reconstruire. Chaque proxy possède également une certaine résolution temporelle et une incertitude associée à son calibrage.

Les carottes de glace fournissent certains des enregistrements les plus directs. Les bulles d'air piégées lors de la formation de glace contiennent des échantillons de l'atmosphère ancienne et permettent de déterminer les concentrations de gaz tels que le dioxyde de carbone et le méthane. La glace elle-même fournit également des informations sur la température grâce à la composition isotopique de l’eau. Le fractionnement des isotopes de l'oxygène pendant l'évaporation et la condensation dépend de la température, de sorte que le rapport entre les isotopes enregistrés dans les précipitations peut être utilisé comme indicateur des conditions thermiques dans lesquelles il s'est formé.

Ce rapport isotopique est calibré en comparant actuellement la composition des précipitations avec les températures observées. L'étalonnage peut ensuite être appliqué à la vieille glace pour reconstituer les températures passées. Cependant, l'interprétation comporte des incertitudes, car le signal isotopique peut également être affecté par des facteurs tels que des changements dans la circulation atmosphérique ou dans la région d'origine de l'humidité. Une variation isotopique ne dépend donc pas nécessairement exclusivement de la température.

Les sédiments marins constituent une autre archive climatique durable. Les coquilles de foraminifères planctoniques et benthiques s'y accumulent, dont le carbonate de calcium préserve des informations sur les conditions de l'océan au moment de sa formation. L’un des indicateurs utilisés est encore une fois la composition isotopique de l’oxygène. Dans ce cas, le signal dépend à la fois de la température de l’eau et de la composition isotopique de l’océan lui-même, qui est liée à la quantité d’eau stockée dans les glaces continentales. Lorsque le volume global de glace augmente, la composition isotopique de l’eau de mer restante change.

Un deuxième signal conservé dans les coquilles est le rapport entre le magnésium et le calcium. Cette relation dépend de la température à laquelle le carbonate s'est formé et augmente de manière non linéaire avec elle. Sa mesure fournit donc une estimation indépendante de la température ancienne des océans. La combinaison des deux indicateurs est particulièrement utile : le rapport magnésium/calcium permet dans un premier temps d'estimer la température et cette information peut ensuite être utilisée pour interpréter le signal isotopique de l'oxygène et séparer l'influence thermique de celle liée aux changements du volume global de glace.

D'autres archives naturelles agrandissent et complètent ces reconstitutions. Les spéléothèmes enregistrent les changements environnementaux à mesure qu'ils se développent à travers des couches minérales successives ; Les cernes des arbres conservent des informations annuelles liées aux conditions qui affectent leur croissance, et les coraux intègrent dans leurs squelettes des signaux chimiques liés au milieu marin. Chacun a des limites de sensibilité climatique, de résolution temporelle et d’étalonnage différentes.

La reconstruction paléoclimatique repose ainsi sur l'interprétation des propriétés physiques, chimiques ou biologiques conservées dans les enregistrements naturels à l'aide de fonctions de transfert préalablement calibrées. La combinaison de différents proxys nous permet d’étendre les connaissances climatiques bien au-delà des enregistrements instrumentaux et de reconstruire des variables telles que la température, la composition atmosphérique, les conditions océaniques et le volume des glaces sur des milliers, voire des millions d’années. En combinant des enregistrements indépendants et en considérant leurs incertitudes, il est possible d'obtenir une vision plus complète de la manière dont le système climatique a varié au cours du passé géologique.

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