L'étude des climats passés - la paléoclimatologie - implique l'interrogation des les informations chimiques et biologiques stockées dans les archives naturelles, comme les carottes de glace et les sédiments océaniques.

Par exemple, les mesures sur les carottes glaciaires de l'Antarctique sont utilisées pour reconstituer les changements de température passés au-dessus de la calotte glaciaire et les concentrations mondiales de gaz à effet de serre atmosphériques.

L'estimation des températures passées est une pièce fondamentale du puzzle paléoclimatique. Il nous aide à comprendre comment chaque région réagit aux épisodes majeurs du changement climatique mondial.

Jusqu'à maintenant, la plupart des informations dont nous disposons sur les températures passées proviennent des sédiments océaniques et des carottes de glace. Ceux-ci contiennent des propriétés chimiques qui changent en grande partie en réponse à la température.

Mais ceux-ci ne nous renseignent que sur la température dans les bassins océaniques et les régions polaires.

Qu'en est-il des masses continentales qui occupent le reste de la surface de la Terre, sur lesquelles nous vivons ?

Il s'avère que les options dans les environnements terrestres sont limitées :les archives naturelles que nous étudions ont tendance à manquer des propriétés qui sont des indicateurs directs de la température.

Dans une étude récente publiée dans Communication Nature , nous avons montré que les variations du magnésium (Mg) dans une archive rarement étudiée – les spéléothèmes submergés – imitent les changements de température de l'océan sur des centaines de milliers d'années.

Les spéléothèmes sont des dépôts minéraux de carbonate de calcium qui se forment dans les grottes.

Les stalagmites sont les exemples les plus connus et sont largement utilisées dans les études sur les changements climatiques et environnementaux passés. Les spéléothèmes submergés sont différents. Ils poussent dans les piscines des grottes et les lacs, et parfois sous la nappe phréatique.

Dans notre étude, nous avons foré une carotte d'un spéléothème immergé à Laghetto Basso, une piscine située à l'intérieur du système de grottes massives d'Antro del Corchia en Toscane, Italie.

D'abord, nous avons prélevé une série d'échantillons espacés d'un millimètre le long du profil de croissance de la carotte.

La teneur en Mg de ces échantillons a été analysée par des collègues de l'Australian Nuclear Science and Technology Organisation.

Les résultats, qui couvrent les quatre derniers cycles glaciaires (environ les 350 derniers, 000 ans), montrent une corrélation remarquable avec les modèles de température de surface de la mer enregistrés dans les carottes de sédiments océaniques de l'Atlantique Nord.

C'était passionnant, mais inattendu, découverte pour notre équipe car elle suggérait que nous avions trouvé une propriété chimique qui répond aux changements de température.

Pour vérifier cette similitude, nous avons concentré notre attention sur une tranche de temps dans cet intervalle appelée Terminaison II - c'était la période où l'avant-dernière ère glaciaire a pris fin, daté entre 136, 000 et 128, il y a 000 ans.

En cette période de réchauffement, les températures des océans à proximité ont augmenté de 8℃ en quelques milliers d'années, nous nous attendions donc à une forte augmentation des concentrations de Mg dans le spéléothème subaquatique.

Cette fois, nous avons échantillonné le spéléothème à l'aide d'un faisceau laser de trois centièmes de millimètre de diamètre, et mesuré l'abondance de différents éléments sur un spectromètre de masse à l'École des sciences de la Terre de l'Université de Melbourne.

Nous avons trouvé que les résultats étaient exactement comme nous l'avions prévu, mais encore plus convaincant :une forte augmentation de Mg s'est produite exactement au même moment que la forte augmentation des températures océaniques rapportée dans d'autres études.

Donc, Comment fonctionne Mg comme capteur de température ?

Mg a une forte affinité pour les minéraux de carbonate de calcium, en particulier la calcite. Il peut occuper la position des ions calcium (Ca) dans la structure cristalline de la calcite. Surtout, lorsque la température de la solution augmente, la quantité de Mg se retrouvant dans la calcite augmente également.

Si la concentration de Mg dans la solution reste constante, mais la température de l'eau augmente, la concentration de Mg dans la calcite augmentera.

Mais il y a un hic.

Dans les eaux des grottes, le rapport Mg sur Ca est rarement constant dans le temps - il change en fonction de la quantité d'eau qui traverse la roche aquifère en route vers l'endroit où le spéléothème se développe.

Cet « effet hydrologique » l'emporte généralement de loin sur la dépendance à la température du magnésium.

Mais des spéléothèmes subaquatiques, comme celui que nous avons étudié, sont différents.

Elles poussent environ 10 fois plus lentement que les stalagmites formées à partir de la même eau de grotte. En effet, les réactions qui transfèrent les ions dissous dans l'eau de la piscine au cristal de calcite solide sont extrêmement lentes.

Il apparaît que la dépendance à la température du partage du Mg de l'eau de la piscine vers la calcite est significativement plus élevée dans l'environnement à réaction lente de la piscine, à tel point qu'il contrecarre tout effet hydrologique.

Depuis des décennies, les océanographes ont mesuré les concentrations de Mg dans les microfossiles marins et les coraux pour estimer les températures océaniques passées. Cela fonctionne bien dans ce cas, car les variations de Mg dans l'eau de l'océan au cours des derniers millions d'années sont relativement faibles.

Mais notre étude est la première à montrer que le Mg dans un spéléothème peut agir comme un proxy de température. C'est parce que les scientifiques n'ont jamais envisagé les spéléothèmes subaquatiques auparavant.

Notre prochaine étape consiste à convertir les changements relatifs de la teneur en Mg en valeurs de température absolues pour produire une série chronologique de changements de température sur le site de la grotte.

Les résultats de notre étude ouvrent de nouvelles opportunités passionnantes dans la recherche d'enregistrements terrestres des températures passées.