Thermomètre isotopique

L'isotope ¹⁸O de l'oxygène joue un rôle primordial en climatologie puisque grâce à lui on peut définir un thermomètre isotopique permettant de connaître la température moyenne de la planète terre au cours des siècles et des millénaires passés. En effet, le rapport entre les deux types d’oxygène dans l’eau change avec le climat. Si l’on mesure comment varie le rapport ¹⁸O/¹⁶O dans les sédiments marins, les calottes glaciaires ou les fossiles par rapport à une référence standard universelle, on peut connaître le climat des époques passées. La référence utilisée par est basée sur le rapport isotopique ¹⁸O/¹⁶O de l’océan à une profondeur comprise entre 200 et 500 m. Dans la pratique on soustrait du rapport isotopique mesuré, celui de l'eau de mer actuelle est désignée par l'acronyme SMOW qui signifie "Standard Mean Ocean Water" ou "Eau Océanique Moyenne Standard", caractérisé par ¹⁸O/¹⁶O)_SMOW = 2 ‰.

L’évaporation et la condensation sont les deux processus qui influencent le plus le rapport isotopique ¹⁸O/¹⁶O dans les océans. Les molécules ¹⁶OH₂ étant plus massives que les molécules ¹⁸OH₂, elles peuvent s’évaporer plus facilement. Pour la même raison, les molécules de l’isotopologue ¹⁸OH₂ condensent plus facilement que celles de l’isotopologue ¹⁶OH₂. Lorsque l’air se refroidit en s’élevant dans l’atmosphère, ou en se déplaçant vers les pôles, l’humidité se condense et retombe sous forme de pluie enrichie en isotopologue ¹⁸OH₂ plus facilement condensable. La vapeur d’eau restante se trouve don appauvrie en isotopologue ¹⁸OH₂ tandis que l’air continue à se déplacer vers les régions froide polaires. Plus on se rapproche des pôles, plus la pluie ou la neige se trouve donc enrichie en isotopologue ¹⁶OH₂.

Durant les périodes glaciaires, les températures froides se déplacent vers l’équateur entraînant un enrichissement de la pluie en isotopologue ¹⁸OH₂ aux plus basses latitudes en rapport avec des conditions plus douces, tandis que la vapeur d’eau enrichie, elle se déplace vers les pôles et termine son voyage en se condensant sur les calottes glaciaires où elle se trouve emprisonnée. L’eau qui reste dans les océans s’enrichit donc en isotopologue ¹⁸OH₂ par rapport au standard universel, tandis que la glace s’enrichit en isotopologue ¹⁶OH₂. Une forte concentration en isotopologue ¹⁸OH₂ dans les océans se trouve donc corrélé à une forte conentration en isotopologue ¹⁶OH₂ dans les calottes polaires, le rapport exact permettant de connaître quelle quantité de glace recouvrait la Terre à une époque donnée.

Si maintenant le climat se réchauffe, les calottes polaires fondent et l’eau de fonte se retrouve dans les océans, réduisant leur salinité et augmentant leur teneur en isotopologue ¹⁶OH₂. Les périodes chaudes sont donc celles où l’eau de mer présente un rapport isotopique ¹⁸O/¹⁶O supérieur à celui du standard universel car il y a plus de précipitations. En paléoclimatologie, on utilise le rapport isotopique ¹⁸O/¹⁶O de l’eau des glaciers ainsi que celui des coquillages ou des plantes marines, afin d’avoir une idée des températures ainsi que du taux de précipitations du passé. Pour les carottes glaciaires, la chose est simple puisqu’un rapport faible indique des températures plus froides que le standard universel. Pour les coquillages, la mesure est beaucoup plus complexe car les processus chimiques et biologiques à l’origine de la formation des coquille biaise le rapport isotopique de manière très variable en fonction de la température. Les coquilles du phytoplancton, du zoo-plancton ou des coraux sont constituées de calcaire CaCO₃ ou de silice SiO₂. Lorsque ces solides se forment, ils tendent à s’enrichir en isotope ¹⁸O quelque soit le rapport isotopique de l’eau. Plus la température de l’eau est basse, plus l’enrichissement est important. Il faut donc faire des corrections pour accéder au véritable rapport isotopique de l’océan. Cela se fait en regardant d’autres rapports isotopiques comme la balance entre le strontium Sr et le calcium Ca pour les coraux qui sont eux aussi fonction de la température. En mesurant le rapport Sr/Ca des coraux, on peut donc connaître la température de l’océan et estimer ainsi la quantité d’isotope ¹⁸O incorporée pour cette température. Des variations dans le rapport isotopique après cette correction de température, révèlent des changements locaux de la salinité de l’océan en relation avec les taux d’évaporation, de précipitation et d’écoulement des eaux, paramètres liés à la quantité totale de glace sur la Terre.