Stades isotopiques de l'oxygène

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Les stades isotopiques de l'oxygène sont des épisodes climatiques définis à partir de la variation au cours du temps du rapport entre les isotopes de l'oxygène de masses atomiques 16 et 18 au sein de prélèvements dans les sédiments marins ou dans les calottes glaciaires. Ce rapport est lié à la température de l'eau des océans, qui reflète elle-même le climat global. Les variations cycliques de ce rapport traduisent des changements climatiques au cours de l'histoire géologique.

[modifier] Isotopes de l'oxygène

Une molécule de dioxygène atmosphérique (O₂) peut se présenter sous forme de trois isotopes : O-16, O-17 et O-18 où 16, 17 et 18 représentent les masses atomiques. L’isotope le plus abondant est O-16, avec un faible pourcentage de O-18 et un pourcentage encore plus faible de O-17. L’analyse des isotopes de l’oxygène ne prend en considération que le rapport entre les quantités de O-18 et de O-16 présentes dans des carottages au sein des dépôts de calcaire océanique ou de calottes glaciaires au Groenland et en Antarctique.

Le rapport entre les masses de ces deux isotopes présents dans l’échantillon est comparé à un rapport standard correspondant à une température donnée. La température de l’eau de mer au sein de laquelle le calcaire s’est formé peut alors être estimée. Cette méthode est d’autant plus fiable que le nombre d’échantillons considérés est important.

[modifier] Relation entre calcaire et eau de mer

Le calcaire résulte de l’accumulation de calcite provenant des coquilles de microorganismes marins. La calcite, ou carbonate de calcium (CaCO₃) se forme à partir d’eau (H₂O), et de dioxyde de carbone (CO₂) dissous dans l’eau. Le dioxyde de carbone fournit deux des atomes d’oxygène présents dans la calcite. Le troisième est fourni par l’eau. Le rapport isotopique O16/O18 dans la calcite est donc le même, après compensation, que le rapport dans l’eau de laquelle les microorganismes d’un niveau donné ont extrait leurs constituants.

[modifier] Relation entre isotopes et température

L’isotope O-18 comporte deux neutrons de plus que O-16, de sorte que la molécule d’eau qui le contient est plus lourde d’autant. Son évaporation nécessite donc plus d’énergie qu’une molécule contenant du O-16 et à l’inverse sa condensation implique moins de perte d’énergie.

Une température de l’eau plus chaude implique que les molécules requièrent moins d’énergie pour se vaporiser, puisqu’elles ont déjà plus d’énergie. Une eau plus froide implique que l’eau requiert plus d’énergie pour se vaporiser. Étant plus lourde, une molécule d’eau O-18 requiert plus d’énergie qu’une molécule d’eau O-16 pour quitter l’état liquide, une eau plus froide libère de la vapeur plus riche en O-16. Une eau plus froide collecte donc plus d’O-18 que d’O-16 que ne le fait une eau plus chaude.

[modifier] Relation entre température et climat

Le rapport O-18/O-16 fournit un enregistrement précis de la température passée de l’eau des océans.

Une eau plus froide que l’actuelle de 10 à 15 degrés Celsius correspond à une glaciation. Les précipitations et donc les glaces contiennent de l’eau pauvre en O-18. De grandes quantités d’eau à O-16 étant immobilisées sous forme de masses glaciaires, le taux de O-18 océanique est important.
Une eau dont la température peut aller jusqu’à 5 degrés Celsius de plus qu’à l’heure actuelle correspond à un interglaciaire, le taux d’O-18 étant faible.

L’établissement d’une courbe chronologique des températures indique que le climat a varié de manière cyclique au cours du Pléistocène. Cette technique a permis d’identifier les différentes phases glaciaires et d’établir une chronologie isotopique.