L'histoire du volcanisme stratosphérique des 2600 dernières années, revue par les isotopes du sulfate
Publié par Redbran le 11/02/2019 à 14:00
Source: CNRS-INSU
Dans les archives glaciaires, les éruptions volcaniques passées sont associées à des pics de concentration de sulfate. Pour estimer la contribution volcanique aux variations climatiques passées, il est nécessaire de pouvoir distinguer, dans ces enregistrements, les éruptions stratosphériques, à fort impact climatique, des éruptions troposphériques, d'impact faible et local. L'étude des isotopes du sulfate (soufre et oxygène), nous permet de faire cette distinction et d'établir un inventaire des éruptions stratosphériques enregistrées à Dôme () C, Antarctique (L'Antarctique (prononcé [ɑ̃.taʁk.tik] Écouter) est le continent le plus méridional de la Terre. Situé au pôle Sud, il est...), sur les 2600 dernières années.


Des éruptions troposphériques proches de (ou sur) la calotte Antarctique (ici le mont Erebus) peuvent être associées à d'importants pics de sulfate dans les archives glaciaires, sans pour autant avoir eu d'incidence climatique globale. La signature isotopique du sulfate permet de distinguer ces éruptions (troposphériques) locales des éruptions stratosphériques, d'impact climatique significatif. © Bruno Jourdain IGE/UGA/IPEV

La glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) polaire est sans nul doute la meilleure archive dont nous disposons en terme de paléo volcanisme. Les reconstructions du volcanisme passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une...) se basant sur l'analyse des carottes de glace sont nombreuses. Elles alimentent notamment les modèles de forçage climatique, dans le but d'estimer l'effet refroidissant du volcanisme et ses conséquences climatiques, dû aux interactions entre aérosols d'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.) sulfuriques d'origine volcanique, et le rayonnement solaire (En plus des rayons cosmiques (particules animées d'une vitesse et d'une énergie extrêmement élevées), le Soleil rayonne des ondes électromagnétiques dont le...) incident. Différencier, dans les enregistrements volcaniques polaires, les éruptions troposphériques des éruptions dites stratosphériques (à fort impact climatique) est crucial pour estimer le forçage climatique naturel exercé par le volcanisme dans le passé. La découverte d'une signature isotopique particulière sur le sulfate volcanique formé dans la stratosphère (La stratosphère est la seconde couche de l'atmosphère terrestre, se situant au-dessus de la troposphère et sous la mésosphère. Les températures atteintes dans l'atmosphère sont stratifiées,...) nous permet d'établir une reconstruction des éruptions stratosphériques enregistrées à Dôme C, Antarctique, sur les 2600 dernières années.

Jusqu'alors, les reconstructions volcaniques ont été faites à partir d'enregistrements volcaniques bipolaires (carottes de glace issues d'Antarctique et du Groenland), et reposent sur le principe qu'une éruption stratosphérique, à fort impact climatique, entraine un dépôt global de sulfate, mis en évidence par comparaison de carottes de glace de pôles opposés. Les émissions soufrées issues d'une éruption dite troposphérique ont, quant à elles, une faible durée de vie (La vie est le nom donné :) dans cette basse couche de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :), et leur incidence climatique reste négligeable avec des conséquences surtout locales. Cette approche, dite bipolaire, nécessite une excellente synchronisation et datation des carottes de glaces entre elles.


Forage des carottes de névé utilisées pour établir la présente reconstruction volcanique, sur le site de Dôme C, Antarctique. © Bruno Jourdain IGE/UGA/IPEV

Les carottes de glace offrent une alternative intéressante à cette méthode: l'analyse du soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.) des sulfates volcaniques révèle la présence d'anomalies isotopiques (Δ33S ≠ 0) dans les aérosols d'acide sulfurique (L'acide sulfurique (anciennement appelé huile de vitriol ou vitriol) est un composé chimique corrosif de formule H2SO4.) formés dans la stratosphère uniquement, permettant la discrimination entre éruptions troposphériques et éruptions stratosphériques. En 2010-2011, 5 carottes de névé de 100 m de long ont été collectées à Dôme C, Antarctique, grâce à un important soutien logistique (La logistique est l'activité qui a pour objet de gérer les flux physiques d'une organisation, mettant ainsi à disposition des ressources correspondant aux besoins, aux conditions...) de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) Polaire Français Paul-Emile Victor (IPEV), du forage jusqu'au rapatriement des carottes à Grenoble. Ces carottes ont été analysées et échantillonnées dans le but de reconstruire une histoire du volcanisme stratosphérique des 2600 dernières années, par la méthode isotopique.

Cette première reconstruction des éruptions stratosphériques par la méthode isotopique fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι Κορσέων) appelés plus communément Fourni, sont un archipel de petites îles grecques...) une validation indépendante des reconstructions antérieures. Pour la majorité des éruptions, la présente reconstruction confirme la qualité des plus récentes reconstructions bipolaires, avec une bonne corrélation entre signaux bipolaires et signaux stratosphériques identifiés par l'isotopie. Cependant, la méthode isotopique met en évidence des évènements stratosphériques de hautes latitudes, non bipolaires mais néanmoins significatifs d'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) climatique. Il arrive en effet que les aérosols issus d'une éruption stratosphérique localisée dans les hautes latitudes se cantonnent à un seul hémisphère. L'analyse isotopique révèle également, en profondeur, des signaux troposphériques jusqu'alors considérés comme bipolaires. Elle permet donc d'affiner les précédentes reconstructions, et de valider, ou non, l'utilisation de certains signaux volcaniques comme repères temporels robustes dans le travail de datation.

Tandis que l'analyse isotopique du soufre nous renseigne sur la nature de l'éruption, l'analyse isotopique de l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) révèle un effondrement du traceur (Δ17O) suite à deux éruptions majeures. Cette évolution du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont...) isotopique reflète soit une altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique...) d'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) particulièrement importante, soit un épuisement de l'ozone (L’ozone (ou trioxygène) est un composé chimique comportant 3 atomes d’oxygène (O3). Sa structure est une résonance entre trois états. Métastable aux conditions ambiantes, l’ozone a...) atmosphérique, provoqué par une large injection de composés halogénés.

Etendue à d'autres régions (hémisphère nord) et types de sites (forts taux d'accumulation), cette approche isotopique constitue un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se...) puissant pour affiner et compléter les reconstructions du volcanisme passé, et à terme, pour mieux quantifier l'impact du volcanisme sur le climat (Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une région donnée pendant une période de temps...).


Dans les carottes de glace, les éruptions volcaniques sont associées à des pics de concentration de sulfate. L'analyse isotopique du sulfate volcanique permet de différencier les éruptions stratosphériques (en rouge), à fort impact climatique, des éruptions troposphériques (en bleu), d'incidence climatique négligeable et locale. Les éruptions enregistrées à Dôme C (Antarctique) sur les 2600 dernières années sont majoritairement d'origine stratosphérique.

Ces recherches ont été menées grâce au soutien de l'Agence nationale de la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...), de l'Institut National des Sciences de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) (INSU/CNRS), de l'Observatoire des sciences de l'Univers de Grenoble (OSUG), de l'Institut Polaire Français Paul-Emile Victor (IPEV), de la région Rhône-Alpes, de la commission Fulbright, de la fondation BNP-Paribas et de la Japan Society for the Promotion of Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de connaissances, d'études...).


Note:
Les laboratoires français qui ont participé à cette étude sont l'Institut des géosciences de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels,...) (IGE, CNRS/IRD/Université Grenoble Alpes/Grenoble INP) et le Laboratoire de géologie (La géologie, du grec ancien γη- (gê-, « terre ») et λογος (logos,...) de Lyon (LGL-TPE, ENS/CNRS/Université de Lyon).


Références publication:
E. Gautier, J. Savarino, J. Hoek, J. Erbland, N. Caillon, S. Hattori, N. Yoshida, E. Albalat, F. Albarede & J. Farquhar 2600-years of stratospheric volcanism through sulfate isotopes, Nature Communications (2019) doi:10.1038/s41467-019-08357-0

Contact chercheuse:
Elsa Gautier, IGE
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