Carottes de glace : ce qu'elles révèlent sur les climats passés
La glace est une mémoire. Chaque couche de glace déposée sur une calotte polaire ou un glacier de montagne capture un instantané de l'atmosphère de l'époque — sa composition chimique, ses températures moyennes, sa charge en poussières, ses teneurs en gaz à effet de serre. En prélevant des cylindres de glace depuis la surface jusqu'au soubassement rocheux, les glaciologues extraient une archive climatique d'une précision et d'une continuité que aucun autre type de sédiment ou de roche ne peut égaler.
La carotte de glace est l'outil central de la paléoclimatologie polaire. Les progrès des techniques analytiques depuis les années 1980 ont transformé ce qui était initialement une curiosité de laboratoire en une source d'informations fondamentale pour comprendre le fonctionnement du système climatique de la Terre sur des dizaines à des centaines de milliers d'années. Observer la distribution des glaciers et calottes depuis la carte aide à contextualiser les sites de forage dans leur environnement géographique.
Comment une carotte de glace est prélevée
Le forage glaciologique est une opération logistiquement complexe, particulièrement dans les sites polaires les plus isolés. Une foreuse tubulaire de quelques centimètres de diamètre est descendue dans le trou foré par rotation, découpant un cylindre de glace qui remonte dans le tube. Ce cylindre — la carotte — est extrait à intervalles réguliers, généralement de quelques mètres, et conditionné immédiatement dans un froid contrôlé pour préserver son intégrité. Les carottes sont ensuite acheminées en congélateur jusqu'aux laboratoires où elles seront analysées.
La contrainte principale est la température : toute fonte, même partielle, peut contaminer les bulles d'air et les signaux géochimiques. Sur les plateaux antarctiques centraux, où les températures hivernales descendent régulièrement en dessous de -50°C, cette contrainte est plus facile à respecter qu'en Arctique ou sur les glaciers de montagne où les températures peuvent être proches de 0°C. Les sites de forage polaires nécessitent une infrastructure permanente — un camp scientifique avec des ateliers, des laboratoires de terrain et des logements pour les équipes.
Les proxies climatiques dans la glace
Une carotte de glace contient de nombreux types d'informations climatiques, appelées proxies — des mesures indirectes qui reflètent des paramètres climatiques passés.
Le rapport isotopique de l'oxygène dans les molécules d'eau (δ18O) est le proxy le plus fondamental. Les molécules d'eau contenant l'isotope lourd 18O ont tendance à se condenser en nuages et à tomber sous forme de neige de façon préférentielle dans les régions froides. Plus la température était basse lors de la formation de la neige, plus la glace qui en résulte est appauvrie en 18O. En analysant le rapport 18O/16O dans chaque couche de glace, on reconstitue les variations de température de l'atmosphère au-dessus du site de forage avec une résolution qui peut être annuelle dans les parties supérieures des carottes.
Les bulles d'air piégées dans la glace contiennent de l'atmosphère ancienne. En extrayant et en analysant les gaz de ces bulles, les scientifiques mesurent directement les concentrations passées en CO2, en méthane, en oxyde nitreux et en d'autres gaz à effet de serre. Ces mesures directes ont démontré que les concentrations actuelles de CO2 dans l'atmosphère dépassent celles de tout moment des 800 000 dernières années de façon significative.
Les poussières continentales emprisonnées dans la glace reflètent les conditions éoliennes et la sécheresse des masses continentales. Les acides (sulfates) venant des éruptions volcaniques laissent des pics caractéristiques dans les profils d'acidité, permettant de dater des éruptions historiques et préhistoriques. Les métaux lourds comme le plomb ont montré clairement, dans les carottes alpines, le début de la pollution industrielle à la révolution industrielle et même les activités métallurgiques romaines.
Les grandes carottes polaires et leurs apports
La carotte VOSTOK en Antarctique orientale, forée en coopération franco-russo-américaine depuis les années 1970 jusqu'en 1998, a atteint une profondeur de 3 623 mètres et a fourni un enregistrement climatique s'étendant sur environ 420 000 ans. Elle a révélé quatre cycles glaciaires-interglaciaires complets avec une corrélation remarquable entre les températures et les concentrations en CO2 et en méthane : dans tous les cas, les périodes chaudes correspondaient à des concentrations élevées en gaz à effet de serre.
Le projet EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica) a foré deux carottes en Antarctique dans les années 2000, la plus profonde atteignant 3 270 mètres à Dome C et fournissant un enregistrement couvrant environ 800 000 ans — deux fois plus que la carotte Vostok. EPICA a mis en évidence huit cycles glaciaires-interglaciaires, montrant la régularité quasi astronomique de ces cycles (liés aux paramètres orbitaux de la Terre) tout en révélant des variations secondaires importantes.
La carotte GISP2 au Groenland, forée dans les années 1990, et son contemporain GRIP (Greenland Ice Core Project) ont fourni une résolution temporelle bien supérieure aux carottes antarctiques pour les derniers 110 000 ans, révélant les événements de Dansgaard-Oeschger — des réchauffements rapides de plusieurs degrés en quelques décennies qui ont rythmé la dernière période glaciaire — et leurs liens avec des changements dans la circulation océanique.
Les glaciers de montagne comme archives régionales
Les carottes de glace ne sont pas limitées aux calottes polaires. Des forages sur des glaciers de montagne ont fourni des archives régionales précieuses. Sur le Huascarán au Pérou à 6 048 mètres d'altitude, les équipes de Lonnie Thompson de l'Université d'Ohio ont foré des carottes s'étendant sur 20 000 ans et révélant l'histoire hydrologique des Andes tropicales. Le col du Dôme dans le massif du Mont-Blanc, foré par des équipes françaises, a fourni des archives de la pollution atmosphérique européenne depuis la révolution industrielle.
Sur le plateau tibétain, des dizaines de forages sur des glaciers de 5 000 à 7 000 mètres d'altitude ont fourni des données sur l'évolution de la mousson asiatique depuis des millénaires, documentant des périodes de mousson intense et de sécheresse qui coïncident avec des bouleversements historiques dans les dynasties et populations de la région.
La course à la glace la plus ancienne
La prochaine frontière de la recherche sur les carottes de glace est l'accès à de la glace très ancienne en Antarctique. Des modèles indiquent que dans certaines régions de l'Antarctique orientale, la glace pourrait conserver des archives climatiques remontant à 1,5 million d'années. Le projet international Beyond EPICA cherche à identifier et forer ces sites. Accéder à une telle archive permettrait d'étudier la transition mid-Pléistocène — le changement de rythme des cycles glaciaires d'un cycle de 41 000 ans à un cycle de 100 000 ans — dont les causes sont encore débattues.