Le dernier million d'années de l'histoire de la Terre a été caractérisé par de fréquents « cycles glaciaires-interglaciaires, « les grandes fluctuations du climat qui sont liées à la croissance et à la diminution des massifs, calottes glaciaires continentales. Ces cycles sont déclenchés par de subtiles oscillations de l'orbite et de la rotation de la Terre, mais les oscillations orbitales sont trop subtiles pour expliquer les grands changements climatiques.

"La cause des périodes glaciaires est l'un des grands problèmes non résolus des géosciences, " a déclaré Daniel Sigman, le professeur Dusenbury de sciences géologiques et géophysiques. « Expliquer ce phénomène climatique dominant améliorera notre capacité à prédire les futurs changements climatiques. »

Dans les années 1970, les scientifiques ont découvert que la concentration du gaz à effet de serre atmosphérique dioxyde de carbone (CO 2 ) était d'environ 30 % inférieur pendant les périodes glaciaires. Cela a suscité des théories selon lesquelles la diminution du CO atmosphérique 2 niveaux est un ingrédient clé dans les cycles glaciaires, mais les causes du CO 2 changement est resté inconnu. Certaines données suggèrent que, pendant les périodes glaciaires, CO 2 a été piégé dans l'océan profond, mais la raison en a été débattue.

Maintenant, une collaboration internationale dirigée par des scientifiques de l'Université de Princeton et du Max Planck Institute for Chemistry (MPIC) a trouvé des preuves indiquant que pendant les périodes glaciaires, les changements dans les eaux de surface de l'océan Antarctique ont contribué à stocker plus de CO 2 dans l'océan profond. En utilisant des carottes de sédiments de l'océan Antarctique, les chercheurs ont généré des enregistrements détaillés de la composition chimique de la matière organique piégée dans les fossiles de diatomées, des algues flottantes qui se sont développées dans les eaux de surface, puis est mort et a coulé au fond de la mer. Leurs mesures fournissent des preuves de réductions systématiques des remontées d'eau induites par le vent dans l'océan Antarctique pendant les périodes glaciaires. La recherche apparaît dans le numéro actuel de la revue Science .

Depuis des décennies, les chercheurs savent que la croissance et le naufrage des algues marines pompent le CO 2 profondément dans l'océan, un processus souvent appelé « pompe biologique ». La pompe biologique est entraînée principalement par les tropiques, océans subtropicaux et tempérés et est inefficace plus près des pôles, où CO 2 est rejetée dans l'atmosphère par l'exposition rapide des eaux profondes à la surface. Le pire contrevenant est l'océan Antarctique :les forts vents d'est encerclant le continent antarctique attirent le CO 2 -eau profonde riche jusqu'à la surface, "fuite" de CO 2 à l'atmosphère.

Le potentiel de réduction de l'upwelling éolien pour conserver plus de CO 2 dans l'océan, et ainsi expliquer le CO atmosphérique de l'ère glaciaire 2 rabattement, est également reconnu depuis des décennies. Jusqu'à maintenant, cependant, il manquait aux scientifiques un moyen de tester sans ambiguïté un tel changement.

La collaboration Princeton-MPIC a développé une telle approche, en utilisant de minuscules diatomées. Les diatomées sont des algues flottantes qui poussent en abondance dans les eaux de surface de l'Antarctique, et leurs coquilles de silice s'accumulent dans les sédiments des grands fonds. Les isotopes d'azote dans les coquilles de diatomées varient avec la quantité d'azote inutilisé dans l'eau de surface. L'équipe Princeton-MPIC a mesuré les rapports isotopiques de l'azote des traces de matière organique piégées dans les parois minérales de ces fossiles, qui a révélé l'évolution des concentrations d'azote dans les eaux de surface de l'Antarctique au cours des 150 derniers, 000 ans, couvrant deux périodes glaciaires et deux périodes interglaciaires chaudes.

"L'analyse des isotopes d'azote piégés dans les fossiles comme les diatomées révèle la concentration d'azote en surface dans le passé, " dit Ellen Ai, premier auteur de l'étude et un étudiant diplômé de Princeton travaillant avec Sigman et avec les groupes d'Alfredo Martínez-García et Gerald Haug au MPIC. "Les eaux profondes contiennent des concentrations élevées d'azote dont dépendent les algues. Plus la remontée des eaux qui se produit dans l'Antarctique, plus la concentration d'azote dans l'eau de surface est élevée. Nos résultats nous ont donc également permis de reconstituer les changements de l'upwelling en Antarctique. »

Les données ont été rendues plus puissantes par une nouvelle approche de datation des sédiments antarctiques. Le changement de température de l'eau de surface a été reconstitué dans les carottes de sédiments et comparé aux enregistrements de la température de l'air dans les carottes de glace de l'Antarctique.

« Cela nous a permis de relier de nombreuses caractéristiques du registre de l'azote des diatomées aux changements coïncidents du climat et des océans du monde entier, " a déclaré Martínez-García. "En particulier, nous sommes maintenant en mesure de déterminer le moment du déclin de l'upwelling, quand le climat commence à se refroidir, ainsi que pour relier les changements d'upwelling dans l'Antarctique avec les oscillations climatiques rapides pendant les périodes glaciaires."

Ce timing plus précis a permis aux chercheurs de se concentrer sur les vents en tant que principal moteur des changements d'upwelling.

Les nouvelles découvertes ont également permis aux chercheurs de démêler comment les changements dans l'upwelling antarctique et le CO atmosphérique 2 sont liés aux déclencheurs orbitaux des cycles glaciaires, rapprocher les scientifiques d'une théorie complète de l'origine des périodes glaciaires.

"Nos résultats montrent que le CO atmosphérique provoqué par l'upwelling 2 le changement était au cœur des cycles, mais pas toujours de la manière que beaucoup d'entre nous avaient supposée, " dit Sigman. " Par exemple, plutôt que d'accélérer la descente vers les périodes glaciaires, L'upwelling de l'Antarctique a causé du CO 2 changements qui ont prolongé les climats les plus chauds.

Leurs découvertes ont également des implications pour prédire comment l'océan réagira au réchauffement climatique. Les modèles informatiques ont donné des résultats ambigus sur la sensibilité des vents polaires au changement climatique. L'observation par les chercheurs d'une intensification majeure de l'upwelling provoqué par le vent dans l'océan Antarctique au cours des périodes chaudes du passé suggère que l'upwelling se renforcera également sous le réchauffement climatique. Une remontée d'eau plus forte de l'Antarctique est susceptible d'accélérer l'absorption par l'océan de la chaleur due au réchauffement climatique en cours, tout en ayant un impact sur les conditions biologiques de l'océan Antarctique et de la glace sur l'Antarctique.

"Les nouvelles découvertes suggèrent que l'atmosphère et l'océan autour de l'Antarctique changeront considérablement au cours du siècle à venir, " dit Ai. " Cependant, parce que le CO 2 de la combustion de combustibles fossiles est unique à l'époque actuelle, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour comprendre comment les changements de l'océan Antarctique affecteront la vitesse à laquelle l'océan absorbe ce CO 2 ."

"Upwelling de l'océan Austral, l'obliquité de la Terre, et CO atmosphérique glaciaire-interglaciaire 2 changement" par Xuyuan Ellen Ai, Anja S. Studer, Daniel M. Sigman, Alfredo Martínez-García, François Fripiat, Lena M. Thöle, Élisabeth Michel, Julia Gottschalk, Laura Arnold, Simone Moretti, Mareike Schmitt, Sergueï Oleynik, Samuel L. Jaccard et Gerald H. Haug apparaît dans le numéro du 11 décembre de Science .