Mois : mars 2019

Par Jean-Louis Tison

Pour répondre à cette question, vous devez d’abord connaître la longueur (et pour cela l’intervalle temporel) de la carotte de glace que vous souhaitez extraire de la calotte.

Si vous n’êtes intéressé que par une carotte de quelques dizaines de mètres de long, par exemple pour étudier les propriétés de la neige et du névé (transition de la neige à la glace), vous pouvez utiliser un système simple et léger, entraîné manuellement ou avec un petit moteur au sommet.

À l’autre extrême, si vous souhaitez récupérer 3 000 mètres de glace, jusqu’au fond de la calotte glaciaire, couvrant une période de 800 000 ans, vous devez rassembler tous vos amis à l’étranger (et beaucoup d’argent !) pour un programme de carottage international pouvant durer plus de 5 ans (5 ans correspondent à 5 étés sur le terrain).

Dans ce cas, la perceuse est beaucoup plus complexe et est envoyée dans le trou avec le moteur au-dessus du baril de forage, qui est constitué d’un récipient extérieur (tube) pour collecter les copeaux dus à la coupe de la glace et d’un récipient intérieur pour recueillir la carotte. Au fond de ce dernier se trouve la tête de forage qui, équipée de 2-3 couteaux, creuse un trou en forme d’anneau, isolant ainsi la carotte de la couche de glace.

Les copeaux dus à la coupe sont poussés vers le haut par une « vis d’Archimède » à l’extérieur du tube interne où la carotte est récupérée. Les copeaux, maintenus dans le tube extérieur, sont donc poussés vers le haut pour aboutir dans le récipient supérieur. Lorsque le forage atteint 5 mètres, les tubes sont pleins et la perceuse est ramenée à la surface, les copeaux sont vidés du récipient supérieur et la carotte de glace est récupérée du tube interne.

Tout est contrôlé depuis la surface par un ordinateur connecté au moteur de la perceuse par des câbles électriques rassemblés dans un câble métallique. Quand la glace est atteinte (à environ 100 m de profondeur), le forage est effectué dans un liquide de forage légèrement plus dense que la glace, afin d’éviter que le trou ne se referme d’une année à l’autre (en effet, la glace se déforme sous son propre poids et ferme le trou !). Ce liquide de forage évite également que la perceuse provoque des dommages mécaniques à la carotte lorsque la pression de la glace devient trop importante par rapport à la pression atmosphérique dans le trou.

Pour des profondeurs intermédiaires, comme sur nos sites Mass2Ant (carotte de 300 m, couvrant une période de plusieurs siècles), nous utilisons une version allégée du système de forage en profondeur : la perceuse Eclipse (fabrication canadienne). Comme l’an dernier la qualité des carottes se dégradait à partir de 100 m de profondeur, nous utiliserons une version du système de « forage mouillé » pour la première fois cette année ! Croisez les doigts et attendez les photos de cette année !

En attendant, quelques photos de l’année dernière !

(photos: T.J. Young and Emmanuel Potvin)

La tête de forage avec 3 couteaux, en rotation

Extraction du tube interne (contenant la carotte) du tube extérieur. Dans cette version légère, il n’y a pas de chambre de récupération des copeaux de glace. Les copeaux atteignant le haut de la spirale tombent au sommet de la carotte à l’intérieur du tube interne.

Une bonne carotte…

 … et une mauvaise carotte (cassée) !

La tranchée de carottage et les spécialistes d’Eclipse (Emmanuel et Etienne).

par Jean-Louis Tison

Une des informations les plus fondamentales que nous pouvons extraire des carottages de glace est la température qui existait lorsque la neige se déposait à la surface de la calotte polaire. Aujourd’hui, nous allons tenter de mieux comprendre le principe de ce « thermomètre du passé » (Paléo-thermomètre).

Un petit rappel de chimie de base (Haaa, le bon vieux temps de l’école secondaire !) : La glace, c’est de l’eau solide (H₂O). Elle est constituée d’un assemblage d’atomes d’Oxygène et d’Hydrogène. Les atomes sont caractérisés par un noyau, formé de protons et de neutrons, et d’électrons qui gravitent autour du noyau. Le nombre de protons (nombre atomique) dans le noyau détermine le nom de l’atome. L’oxygène a 8 protons dans son noyau et l’hydrogène seulement 1 proton. Cependant, il existe différentes versions de l’atome d’oxygène et d’hydrogène, en fonction du nombre de neutrons présents dans le noyau. Moins de neutrons dans le noyau rendront l’atome plus léger, plus de neutrons rendrons l’atome plus lourd. Nous appellerons ces différentes versions d’un même atome des « isotopes ».

Une molécule d’eau contenant des isotopes plus légers de l’oxygène sera plus légère qu’une molécule d’eau contenant des isotopes plus lourds de l’oxygène. La Nature a tellement bien fait les choses pour les scientifiques qu’il existe une relation simple (linéaire) entre la température à laquelle la neige s’accumule à la surface de la calotte glaciaire et la proportion de molécules d’eau lourdes et légères dans la neige : Plus basse sera la température, plus importante sera la proportion de molécules d’eau légères dans la neige et vice-versa. Ceci est illustré dans la Figure 1 pour l’Antarctique et le Groenland. Les scientifiques quantifient la proportions d’isotopes légers et lourds dans les molécules d’eau par le symbole d¹⁸O (pour l’oxygène, ou la version lourde la plus abondante est ¹⁸O, comparée à l’isotope léger dominant ¹⁶O). Quand d¹⁸O est négatif, l’échantillon de neige (ou de pluie) contient moins d’isotopes lourds de l’oxygène que la “référence”, qui est de l’eau océanique standard (la plus abondante à la surface de la Terre), et vice versa. Donc, en bref, plus la valeur d¹⁸O de la neige est négative, plus basse est la température quand la neige tombe à la surface de la calotte

glaciaire, et cette relation est linéaire (voir Figure 1). Le même sera vrai pour d²H (aussi écrit dD, D pour Deutérium, la version lourde de l’hydrogène qui comporte deux neutrons dans son noyau).

Figure 1 : la relation linéaire entre le d¹⁸O (or dD) de la neige et la température de l’air quand elle tombe à la surface de la calotte glaciaire.

Pour chaque couche successive de notre carotte de glace, nous pouvons donc mesurer la proportion d’isotopes lourds et d’isotopes légers de l’oxygène (d¹⁸O) et/ou de l’hydrogène (dD) dans la neige (devenue glace) pour reconstruire la température qui existait au moment où cette couche de neige était à la surface de la calotte. C’est le principe du paleo-thermomètre.

La beauté de la chose, c’est que cela fonctionne à toutes les échelles de temps : par exemple, nous verrons clairement la différence entre une période glaciaire (très froide, avec des valeurs très négatives de d¹⁸O ou dD) et une période interglaciaire (très chaude avec des valeurs beaucoup moins négatives de d¹⁸O ou dD), sur de longues échelles de temps (e.g. 100000 ans). Mais pas seulement !….nous pourrons également discriminer les chutes de neige d’été (plus chaud) et d’hiver (plus froid) de chaque année. Ce fait est crucial, car il va nous permettre de « compter les années », et ainsi de dater la carotte de glace à partir de ces fluctuations saisonnières du signal des isotopes stables de l’eau (d¹⁸O ou dD), comme on peut le voir sur la Figure 2.

En mesurant l’épaisseur de glace qui existe entre deux pics (ou deux creux) du signal saisonnier de d¹⁸O ou dD nous serons capables de reconstruire l’histoire l’intensité des chutes de neige annuelles à la surface de la calotte antarctique au cours des derniers siècles, un des buts principaux du projet Mass2Ant, comme vous l’avez maintenant bien compris !

Figure 2 : Un exemple de profils du d¹⁸O (courbe noire )et dD (courbe bleue claire) entre 20 et 30 m dans la carotte du Derwael Ice Rise, au voisinage des lieux de carottage du projet Mass2Ant (Philippe et al., 2015). Cet intervalle de profondeur couvre 10-11 ans d’accumulation, comme le montrent les fluctuations saisonnières des isotopes stables de l’eau (d¹⁸O.et dD)…”Rendez-vous” dans l’un de nos prochains blogs pour comprendre la signification des autres profils sur la figure!

Ecrit par Jean-Louis Tison

Les carottes de glace sont la mémoire de notre climat. Elles ne sont cependant pas les seules… Il est possible de connaître le climat passé grâce aux sédiments des océans, aux coraux, aux stalactites dans les grottes, aux dépôts lacustres (dans les lacs), aux dépôts de tourbe et à beaucoup d’autres (voir la Figure 1). Toutes ces archives ne donnent en revanche pas les mêmes informations. Aussi, certaines sont datées facilement (un must pour une archive évidemment !) et d’autres moins.

Figure 1 : Un bon résumé des nombreuses archives pouvant être utilisées pour documenter l’histoire du climat et de l’environnement. Ces archives ne prodiguent pas toutes la même quantité d’information.

Les carottes de glace sont extrêmement riches en information, comme vous le découvrirez ici et dans d’autres postes. Elles peuvent donner un enregistrement très détaillé du climat et de l’environnement sur quelques dizaines de milliers d’années. Cependant, jusqu’à maintenant, elles ne remontées dans le temps que jusqu’à moins d’un million d’années, à cause de l’accumulation de neige qui se transforme en glace lorsqu’elle est lentement enterrée dans la calotte glaciaire, qui se déforme sous son propre poids et qui s’écoule à la fois vers le bas – vers le substrat rocheux – et vers l’extérieur – vers l’océan. Ces processus réduisent tellement l’épaisseur de la glace qu’il n’en reste pas après cette limite d’âge. Actuellement, la glace la plus ancienne datée dans une carotte de glace remonte à 800 000 ans. Cependant, un nouveau projet financé par l’Union Européenne a pour objectif de trouver une glace âgée de plus de 1.5 million d’années en Antarctique, et ce nouveau projet de carottage sera le prochain défi des décennies à venir. D’autres pays se sont aussi engagés dans ce challenge : la Russie, l’Australie, le Japon…

Dans notre projet Mass2Ant, comme vous le savez déjà, nous nous concentrerons plutôt sur ces derniers siècles, pour documenter la transition du climat vers cette nouvelle période géologique que certains de nous nomment l’Anthropocène : la période où le climat semble de plus en plus sous l’influence de l’Humanité (principalement depuis la révolution industrielle).

Une archive climatique, comme les carottes de glace, fonctionne toujours de la même manière : on mesure une variable/propriété dans le milieu (la glace par exemple), ce qu’on appelle un « proxy », pour en tirer une information sur une variable climatique ou environnementale (températures, précipitations, vents, contenu de l’atmosphère en gaz à effet de serre etc…). La Figure  ci-dessous liste certaines de ces informations que l’on déduit des carottes de glace.

Restez avec nous et vous en apprendrez plus sur les importantes de ces propriétés au fur et à mesure de notre carottage !