Le projet EPICA : la carotte antarctique du Dôme C, nouvelle donnée phare de la Paléoclimatologie
Extrait de la Lettre du Changement global n°19 - Programme International Géosphère Biosphère (IGBP) - Programme Mondial de Recherches sur le Climat (WCRP) - Programme International «Dimensions Humaines» (IHDP) - Diversitas - Earth System Science Partnership (ESSP)

Les carottes de glace sont les seules archives permettant la reconstitution directe de la composition de l’atmosphère, en particulier en gaz à effet de serre; elles permettent en outre de reconstituer l’évolution du climat. La carotte qui vient d’être obtenue à Dome C permet de remonter sur près de 800 000 ans.

L’enregistrement sur les derniers 400 000 ans des conditions passées tant climatiques qu’environnementales obtenu à partir de la carotte de glace de Vostok (antarctique) est devenu une référence incontestable. Il a ainsi permis, entre autres, de tester tout une hiérarchie de modèles climatiques. Ceci résulte du fait que la glace constitue un véritable «sédiment atmosphérique» et que son analyse permet d’accéder à la fois :

• au contenu de l’atmosphère passée - en particulier aux grands acteurs des forçages climatiques tels les gaz à effet de serre (CO₂, CH₄, N₂O), les aérosols, etc...,

• aux réponses climatiques telles que celle contenue dans les variations de la composition isotopique de la glace en deuterium ou en ¹⁸O, qui dépendent des changements de température aux hautes latitudes.

L’enregistrement de Vostok (Petit et al., Nature,1999) a donc révélé l’histoire du climat et de l’atmosphère sur les derniers 420 000 ans, avec 4 cycles glaciaire-interglaciaires rythmés environ tous les 100 000 ans par des périodes interglaciaires chaudes. Les variations climatiques et atmosphériques archivées à Vostok oscillent entre des bornes glaciaires et interglaciaires relativement stables : valeurs minimales equivalentes durant les stades glaciaires de la température ainsi que du contenu de l’atmosphère en traces gazeuses à effet de serre, et valeurs maximales du même ordre atteintes durant les interglaciaires. Peut-être plus remarquable est la forte corrélation entre les concentrations atmosphériques en CH₄ et CO₂ et la température de l’air antarctique tout au long de l’enregistrement.

Ainsi jusqu’à récemment, les données disponibles à partir des carottes de glace couvraient au mieux les derniers 420 000 ans, l’enregistrement de Vostok étant le plus long et confirmé climatiquement pour les derniers 340 000 ans par une autre carotte, prélevée elle aussi sur le plateau de l’Antarctique de l’Est, la carotte de Dome Fuji (Watanabe et al., Nature, 2003). Afin d’accéder à un enregistrement des conditions climatiques antérieures, un nouveau forage fut décidé avec pour objet d’obtenir une plus longue séquence .

Le forage EPICA

Lorsque le Dôme C (DC), voir figure 1, fut choisi comme l’un des deux site-cibles du Projet Européen EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica) des voix s’élevèrent dans la communauté des glaciologues sur le risque d’obtenir en ce site un enregistrement n’excédant pas en durée celui de Vostok. En effet, l’épaisseur de la glace correspondant à 420 000 ans d’accumulation de neige à Vostok est de 3 310 m, une épaisseur équivalente à celle trouvée à DC alors que l’accumulation à Vostok est aujourd’hui plus faible qu’à DC. C’était sans compter avec le fait que la glace échantillonnée en profondeur à Vostok s’est formée en amont du site de forage et que les conditions basales qui influencent la dynamique de la glace sont très différentes entre ces deux sites, avec l’existence du plus grand lac sous-glaciaire à la verticale de Vostok. Résultat, l’échelle de temps couverte par le forage d’EPICA DC (EDC), de l’ordre de 800 000 ans, double celle de Vostok et offre la possibilité d’explorer la variabilité du climat et de la composition de l’atmosphère sur une période vierge du quaternaire récent.

L’analyse complète et multi-paramétrique de la carotte EDC (actuellement dans le cadre du projet européen EPICA-MIS) va prendre plusieurs années mais une série de profils «basse résolution» concernant par exemple la composition en deuterium de la glace, sa concentration en poussière ou encore la taille des grains de la glace, et couvrant les 740 000 dernières années ont été publiés en 2004 (EPICA community members, Nature, 2004) .

Plus récemment ont également été publiées les variations passées des gaz à effet de serre (CO₂, CH₄, N₂O) jusqu’à une date de 650 000 ans BP (Siegenthaler et al., Science, 2005; Spahni et al., Science, 2005) prolongeant ainsi de près de 200 000 ans les données recueillies dans la carotte de Vostok.

Figure 2 – Enregistrement de la carotte EDC

EPICA DC révèle des cycles glaciaires - interglaciaires à deux modes

L’enregistrement de la carotte EDC en deuterium sur les derniers 420 000 ans reproduit fidèlement celui de Vostok. Pour la période antérieure à celle couverte par Vostok, entre 430 et 740 kans BP, cet enregistrement indique, comme dans les enregistrements isotopiques marins (voir par exemple (Lisiecki and Raymo, Paleoceanography, 2005), des cycles glaciaires – interglaciaires de plus faible amplitude et révèle que les périodes interglaciaires étaient moins chaudes mais en moyenne plus longues. Reste bien sûr à comprendre les mécanismes qui expliquent ce contraste entre les quatre derniers cycles climatiques et ceux qui les ont précédés, et savoir, en particulier, si les gaz à effet de serre ont pu jouerun rôle significatif. L’analyse des gaz dans la glace est un exercice qui prend du temps et c’est plus d’un an après la publication de la courbe isotopique qu’ont été publiés les résultats relatifs aux mesures des gaz à effet de serre, permettant, en combinaison avec l’enregistrement de Vostok, de couvrir les derniers 650 000 ans (figure 2).

Les enseignements majeurs sont de plusieurs ordres :

• Les concentrations atmosphériques en CO₂ et CH₄, actuellement atteintes et qui continuent à croître en raison des émissions anthropogéniques, dépassent déjà respectivement de 27% et de 230% les niveaux les plus élevés observés au cours des derniers 650 000 ans.

• Les périodes interglaciaires antérieures à 430 000 ans, qui sont moins chaudes que les suivantes, présentent des concentrations en CO₂ et CH₄ plus faibles que celles caractéristiques des quatre périodes interglaciaires les plus récentes. Cette information est climatiquement d’importance car elle indique que la proportionnalité entre gaz à effet de serre et température antarctique est sensiblement conservée pour des modes climatiques différents.

• Dans les conditions couvertes par l’enregistrement, la réponse du cycle du carbone à un réchauffement climatique reste du même ordre en termes de mécanisme impliqué et de degré d’amplification du changement climatique par ces gaz à effet de serre.

Figure 3 – Comparaison de la durée du stade interglaciaire MIS 11 et de l’Holocène

Le stade isotopique marin 11 : un interglaciaire-clé

La transition vers 420 000 ans entre les deux modes climatiques que nous venons d’évoquer (figure 2) correspond au passage du stade isotopique marin 12 (glaciaire) au stade isotopique marin 11 (stade interglaciaire). D’après les reconstitutions climatiques obtenues à partir des carottes océaniques, le stade 11 est généralement considéré comme un interglaciaire unique, particulièrement long; il est, du point de vue orbital, un proche analogue de l’époque actuelle et des prochaines dizaines de milliers d’années avec une excentricité de l’ellipse que décrit la terre autour du soleil particulièrement faible et une orbite qui s’apparente quasiment à un cercle durant plusieurs dizaines de milliers d’années. La carotte EDC confirme qu’il s’agit, de loin, de l’interglaciaire chaud le plus long que nous ayons connu au cours des derniers 450 000 ans, avec une durée d’environ 28 000 ans (figure 3). Cette durée est à comparer avec celle de l’Holocène, l’interglaciaire en cours dans lequel nous vivons et qui a débuté il y a 11 000 ans. Peut-on alors prédire à quel moment nous devrions entrer en glaciation dans un mode climatique non-perturbé par l’homme ? Question importante puisqu’une phase naturelle d’entrée en glaciation pourrait contrebalancer la tendance au réchauffement climatique, provoquée par les activités anthropogéniques. La compréhension actuelle de l’impact des paramètres orbitaux sur le climat conduit à estimer que l’interglaciaire actuel sera comparable, voire même plus long, que l’interglaciaire qu’a connu le stade 11 (Berger and Loutre, 2003). Ainsi vraisemblablement le retour à une glaciation dans les prochains siècles/millénaires n’est pas envisageable et on ne peut donc compter dessus pour contrebalancer le réchauffement climatique d’origine anthropique.

La carotte EDC a déjà permis d’obtenir bien d’autres résultats scientifiques qui permettent de progresser dans la compréhension du système atmosphère-climat. A leur lumière, à celle des exemples montrées ici, et en regard de la moisson de résultats à venir, l’enregistrement de EDC peut être qualifié sans trop d’emphase de nouvelle «icône» de la paléoclimatologie.

Le programme EPICA

Le programme EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica) est un programme scientifique européen (CE et ESF) financé par la Communauté Européenne et les contributions nationales de l’Allemagne, de la Belgique, du Danemark, de la France, de l’Italie, de la Norvège, des Pays-Bas, du Royaume-Uni, de la Suède et de la Suisse. En France les supports de l’Institut National des Sciences de l’Univers (INSU) et de l’Institut polaire Paul Emile Victor (IPEV) ont été déterminants.