La dendroclimatologie
Dans beaucoup d’endroits du monde, et en particulier dans les climats tempérés, il existe une forte saisonnalité dans la répartition annuelle des températures ou des précipitations. Cette saisonnalité se reflète dans la croissance des arbres, qui est le résultat d’une interaction de l’arbre avec son environnement via les feuilles (pour les échanges en carbone et en eau) et les racines (pour les nutriments et également l’eau). Durant l’hiver, l’arbre est en dormance et aucune cellule ligneuse n’est produite. Au printemps, quand les conditions thermiques sont réunies, il y a levée de la dormance et production de cellules ligneuses larges et peu denses (bois initial). A la fin du printemps et au début de l’été, les cellules deviennent plus denses et plus petites (bois final) et à la fin de l’été, il y a arrêt de la production de cellules le long du tronc et l’arbre engrange des réserves pour l’année suivante. Si on coupe un tronc, on constate des alternances entre bandes claires et foncées, dont la combinaison forme un cerne annuel. Si on compare les cernes entre eux, on constate une grande variabilité. Cette variabilité est la conséquence directe des conditions climatiques (température, précipitation, rayonnement solaire) qui ont prévalu pendant ou avant la formation des cellules.
L’analyse dendroclimatique consiste à prélever un certain nombre de carottes dans une forêt donnée, à raison de 2 à 4 carottes par arbre et de 10 à 20 arbres par peuplement. Une carotte est un petit tube prélevé de l’écorce au coeur de l’arbre sur lequel on pourra lire la succession des cernes. On sélectionne des arbres susceptibles de restituer au mieux le paramètre climatique que l’on veut reconstruire. Par exemple, si on veut reconstruire un paramètre hydrique, on choisira de préférence des arbres sur des sols peu profonds incapables d’accumuler beaucoup d’eau. Chaque carotte est ensuite datée par comptage des cernes depuis l’écorce jusqu’au coeur. Le cerne est supposé annuel, mais parfois, la croissance s’arrête en cours de saison à cause d’une sécheresse temporaire et reprend s’il se met à pleuvoir. L’arrêt de croissance qui s’en suit donne ce qu’on appelle un faux cerne. Cette année-là il y a deux cernes. Par ailleurs, certaines années sont tellement défavorables à la croissance que le cerne semble absent. Ces deux types de phénomènes vont produire des erreurs dans la datation des cernes. L’interdatation, c’est-à-dire la comparaison des séries issues de chaque carotte permet d’y remédier. Chaque cerne est mesuré et un ensemble de 20 à 40 séries temporelles est constitué pour chaque peuplement. En plus de l’épaisseur, il est possible de mesurer la densité grâce à un micro-densitomètre. On peut ainsi obtenir l’épaisseur du bois de printemps, celle du bois d’été, la densité moyenne du bois de printemps et la densité maximale. Ce sont les paramètres les plus utilisés.
L’étape suivante consiste à extraire au mieux le signal climatique. Les séries dendrochronologiques sont souvent affectées de tendances liées à l’âge de l’arbre. Des méthodes statistiques sont utilisées pour les extraire. Une seule série moyenne issue d’un peuplement est rarement capable de fournir une reconstruction climatique fiable car les interactions entre climat et croissance sont complexes. Il faut constituer un réseau de chronologies moyennes pour une région donnée, incluant des espèces d’arbres différentes, afin de déconvoluer au mieux la variable climatique désirée. On procède ensuite par une approche statistique, appelée fonction de transfert. On constitue d’un côté une matrice de séries dendrochronologiques, qui sont forcément de longueur variable, et de l’autre on rassemble les séries météorologiques de la même région. Sur la période temporelle commune aux séries météorologiques et dendrochronologiques, on peut calibrer une relation statistique par des méthodes de régression. Cette régression est alors appliquée aux séries dendrochronologies pour les années antérieures à cette période commune. On obtient ainsi des reconstitutions du climat pouvant couvrir des nombreux siècles et même jusque deux millénaires.
(extrait du livre Paléoclimatologie, enquête sur les climat anciens Duplessy & Ramstein (eds) : Interface végétation-atmosphère : les cernes d’arbres, J. Guiot & V. Daux, p. 269-272)
L'analyse du pollen
Pour pouvoir survivre dans des conditions difficiles, la plupart des plantes et des animaux terrestres sont constitués de parties dures qui sont préservées après leur mort dans les sédiments. Pour les plantes supérieures terrestres, il s’agit essentiellement des grains de pollen et des spores qui constituent ainsi un outil très utilisé en paléoclimatologie grâce à leur abondance dans les sédiments humides. Ces grains, qui sont dispersés à plus ou moins grande distance selon leur morphologie et leur taille (entre 5 et 100 μm) sont un maillon essentiel de la reproduction des plantes supérieures. Leur enveloppe (exine) est composée de sporopollinine, une substance très résistante quand elle reste à l’abri de l’oxydation. Les lacs et les tourbières sont donc des milieux privilégiés de conservation de ces restes végétaux. Ces grains sont dispersés par le vent, les insectes, les oiseaux, l’eau. En régions tempérées, c’est le vent qui est le vecteur prépondérant et, à cause de sa relative inefficacité, on retrouve, non loin de leur source, beaucoup de grains de pollen et de spores dans les sédiments continentaux ou marins proches des côtes. Dans la forêt équatoriale, les animaux jouent un rôle beaucoup plus important et beaucoup d’espèces sont de ce fait sous-représentées dans les sédiments.
Après avoir choisi un site représentatif de la végétation environnante, permettant une bonne conservation du pollen et ayant un taux d’accumulation suffisant pour les études à l’échelle temporelle voulue, le palynologue prélève des carottes généralement au centre du lac ou de la tourbière. Les carottes sont étudiées stratigraphiquement, c’est-à-dire couche par couche. Des échantillons sont prélevés à intervalles réguliers sur la carotte et certains d’entre eux sont datés par radiocarbone afin d’établir une chronologie absolue des événements climatiques. Ils sont soumis à des traitements physiques et chimiques afin de rendre les grains de pollen clairement visibles pour examen au microscope optique (voir photo). Les grains sont identifiés sous le microscope à partir de leur exine qui a une morphologie variant selon le type de plante. Le palynologue compte chaque type pollinique avec l’objectif de connaître l’abondance (en grains de pollen) relative des espèces d’arbres ou d’herbacées qui ont produit ces grains. Il n’est pas toujours possible de déterminer chaque espèce précisément et beaucoup de plantes ne sont reconnues qu’au niveau du genre ou même de la famille. En raison de cette hétérogénéité dans la détermination, on emploie le terme de taxon pollinique pour caractériser le type de plante émettrice (un taxon peut être une espèce, un genre ou une famille). Le nombre total de grains comptés varie selon la diversité de la végétation : une végétation tropicale est plus diversifiée qu’une végétation tempérée et nécessite donc un nombre total nettement plus élevé, parfois plus d’un millier de grains comptés par échantillon au lieu de quelques centaines pour une végétation tempérée. Il faut assurer une bonne représentativité statistique des fluctuations détectées. L’abondance relative de chaque taxon constitue un spectre ou assemblage pollinique. Il renseigne sur la composition relative de la végétation environnante, mais ce signal est biaisé par l’abondance du pollen émis, sa capacité et son mode de dispersion. Des méthodes statistiques sont nécessaires pour décoder de manière fiable le spectre pollinique.
L’ensemble des spectres polliniques le long de la carotte est assemblé graphiquement pour fournir un diagramme pollinique dont la complexité dépend du nombre de taxons comptés. L’interprétation d’un tel diagramme est complexe à cause du grand nombre de processus intervenant entre la végétation émettrice et son enregistrement dans le sédiment. Comme dans la plupart des disciplines paléontologiques, l’interprétation se fait par comparaison avec des données actuelles. Ceci supppose que le principe d’uniformité, en vertu duquel le présent est la clé du passé, est bien vérifié. Il l’est en général pour les données du Quaternaire. Pour mener à bien cette vérification, on prélève des échantillons polliniques actuels (ou récents) dans des mousses qui permettent une conservation de plusieurs années et on en compare les spectres polliniques anciens à ceux de la végétation actuelle. D’un point de vue qualitatif, on peut déjà se faire une idée des liens existant entre abondances polliniques et composition de la végétation. Par exemple, l’étude d’un transect altitudinal constitue une image de ce qui s’est passé lors d’un refroidissement du climat. Beaucoup de publications sont basées sur ce type d’approche. Mais si on prélève des spectres polliniques actuels dans des végétations aussi diverses que possible, on peut traiter le problème de manière quantitative et établir des clés d’interprétation objectives. La méthode des analogues permet d’obtenir des informations quantifiées sur le climat en calculant un indice de distance entre chaque spectre fossile et l’ensemble des spectres actuels. Les meilleurs analogues sont les spectres actuels avec la distance la plus faible, c’est-à-dire ceux qui ressemblent le plus au spectre fossile. On calcule alors la moyenne du climat de ces meilleurs analogues, ce qui donne le climat reconstruit pour le spectre fossile. (extrait du livre Paléoclimatologie, enquête sur les climat anciens Duplessy & Ramstein (eds) : Interface air-végétation : le pollen, J. Guiot, p. 229-233)
L’ensemble des spectres polliniques le long de la carotte est assemblé graphiquement pour fournir un diagramme pollinique dont la complexité dépend du nombre de taxons comptés. L’interprétation d’un tel diagramme est complexe à cause du grand nombre de processus intervenant entre la végétation émettrice et son enregistrement dans le sédiment. Comme dans la plupart des disciplines paléontologiques, l’interprétation se fait par comparaison avec des données actuelles. Ceci supppose que le principe d’uniformité, en vertu duquel le présent est la clé du passé, est bien vérifié. Il l’est en général pour les données du Quaternaire. Pour mener à bien cette vérification, on prélève des échantillons polliniques actuels (ou récents) dans des mousses qui permettent une conservation de plusieurs années et on en compare les spectres polliniques anciens à ceux de la végétation actuelle. D’un point de vue qualitatif, on peut déjà se faire une idée des liens existant entre abondances polliniques et composition de la végétation. Par exemple, l’étude d’un transect altitudinal constitue une image de ce qui s’est passé lors d’un refroidissement du climat. Beaucoup de publications sont basées sur ce type d’approche. Mais si on prélève des spectres polliniques actuels dans des végétations aussi diverses que possible, on peut traiter le problème de manière quantitative et établir des clés d’interprétation objectives. La méthode des analogues permet d’obtenir des informations quantifiées sur le climat en calculant un indice de distance entre chaque spectre fossile et l’ensemble des spectres actuels. Les meilleurs analogues sont les spectres actuels avec la distance la plus faible, c’est-à-dire ceux qui ressemblent le plus au spectre fossile. On calcule alors la moyenne du climat de ces meilleurs analogues, ce qui donne le climat reconstruit pour le spectre fossile. (extrait du livre Paléoclimatologie, enquête sur les climat anciens Duplessy & Ramstein (eds) : Interface air-végétation : le pollen, J. Guiot, p. 229-233)
Les archives glaciaires polaires
Le dépôt et la préservation des couches de neige, année après année, permettent l’archivage de nombreux paramètres climatiques et environnementaux dans la structure et la composition de la glace, de ses inclusions gazeuses et de ses impuretés. Les glaces polaires offrent des archives des changements passés de nombreuses variables climatiques, certaines spécifiques au site étudié comme la température et l’accumulation, d’autres à échelle géographique plus large, comme la circulation atmosphérique ou le rythme des moussons. De façon unique, les reconstructions des variables locales, température et accumulation, sont essentiellement issues de processus physiques.
La méthode la plus couramment utilisée pour reconstruire les variations passées de température au centre de l’Antarctique et du Groenland repose sur l’analyse de la composition isotopique de la glace. L’étude de l’abondance des formes isotopiques de la molécule d’eau dans les précipitations, initiée dans les années 1950 par Dansgaard, a permis de mettre en évidence une relation spatiale entre appauvrissement en isotopes lourds et température du site, relation qui est à la base de la notion de « thermomètre isotopique ». Les eaux naturelles, formées principalement des molécules H216O (99,7 %) (le 16 indiquant qu’il s’agit de l’isotope 16 de l’oxygène), présentent également des formes isotopiques stables plus rares, parmi lesquelles 0,2 % de H218O et 0,03% de HD18O (D représente le deutérium 2H). Les concentrations isotopiques sont exprimées en écarts pour mille, en notation δD ou δ18O par rapport à un standard international, le V-SMOW. Aux latitudes tempérées et polaires, on observe une relation linéaire entre les rapports isotopiques des précipitations actuelles et la température du site.
La reconstruction des températures passées s’appuie sur la mesure du rapport isotopique d’une fine bande de glace prélevée le long des carottes, puis sur l’application de la relation isotope-température. Cette estimation des changements passés de température repose sur l’hypothèse que la relation spatiale actuelle est applicable pour estimer la différence de température entre deux périodes données au site de forage ; elle suppose que cette pente dite « temporelle» est égale à la pente spatiale. Dans le meilleur des cas, la précision des mesures par spectrométrie de masse atteint ± 0,5 pour mille pour δD et ± 0,05 pour mille pour δ18O.
Courbe de δ18O à NorthGRIP (Groenland) en noir et à EPICA (Antarctique) en bleu sur la période 140 000 and BP au Présent. Une variation de 0.8 pour mil correspond à 1°C. Sachant que la valeur actuelle est de -34.5 et que la valeur maximale de l’Holocene est de 2 pour mil en plus, on arrive à une température de 2°C au dessus de l’actuelle. L’écart est de 3 pour mil vers 120 000 and BP, soir une température de +2.5°C.
(extrait du livre Paléoclimatologie, enquête sur les climat anciens Duplessy & Ramstein (eds) : Interface air-glace : les glaces polaires, V. Masson-Delmotte & J. Jouzel, p. 219-225)