Près d'un quart des terres de l'hémisphère nord, s'élevant à quelque 9 millions de miles carrés, est recouvert de pergélisol—sol, sédiment, et des roches qui sont gelées pendant des années. De vastes étendues de pergélisol se trouvent en Alaska, Sibérie, et l'Arctique canadien, où des températures glaciales persistantes ont retenu le carbone, sous forme de morceaux de plantes et d'animaux en décomposition, enfermé dans le sol.

Les scientifiques estiment que plus de 1, 400 gigatonnes de carbone sont piégées dans le pergélisol terrestre. Alors que les températures mondiales grimpent, et le dégel du pergélisol, ce réservoir gelé pourrait potentiellement s'échapper dans l'atmosphère sous forme de dioxyde de carbone et de méthane, amplifie considérablement le changement climatique. Cependant, on sait peu de choses sur la stabilité du pergélisol, aujourd'hui ou dans le passé.

Maintenant géologues au MIT, Collège de Boston, et ailleurs ont reconstitué l'histoire du pergélisol au cours des derniers 1,5 million d'années. Les chercheurs ont analysé des gisements de grottes dans des endroits de l'ouest du Canada et ont trouvé des preuves que, entre 1,5 million et 400, il y a 000 ans, le pergélisol était sujet au dégel, même dans les hautes latitudes arctiques. Depuis, cependant, le dégel du pergélisol s'est limité aux régions subarctiques.

Les résultats, Publié dans Avancées scientifiques , suggèrent que le pergélisol de la planète est passé à un état plus stable au cours des 400 derniers, 000 ans, et a été moins sensible à la décongélation depuis lors. Dans cet état plus stable, le pergélisol a probablement retenu une grande partie du carbone qu'il a accumulé pendant cette période, ayant peu d'occasions de le libérer progressivement.

"La stabilité des 400 derniers, 000 ans peuvent en fait jouer contre nous, en ce qu'il a permis au carbone de s'accumuler régulièrement dans le pergélisol au cours de cette période. La fonte actuelle pourrait entraîner des rejets de carbone dans l'atmosphère beaucoup plus importants que par le passé, " déclare le co-auteur de l'étude David McGee, professeur agrégé au Département de la Terre du MIT, Atmosphérique, et sciences planétaires.

Les co-auteurs de McGee sont Ben Hardt et Irit Tal au MIT; Nicole Biller-Celander, Jérémy Shakun, et Corinne Wong au Boston College; Alberto Reyes à l'Université de l'Alberta; Bernard Lauriol à l'Université d'Ottawa; et Derek Ford à l'Université McMaster.

Réchauffement empilé

Les périodes de réchauffement passé sont considérées comme des périodes interglaciaires, ou périodes entre les périodes glaciaires mondiales. Ces fenêtres géologiquement brèves peuvent réchauffer suffisamment le pergélisol pour le dégeler. Des signes d'ancien dégel du pergélisol peuvent être observés dans les stalagmites et autres dépôts minéraux laissés par l'eau se déplaçant à travers le sol et dans les grottes. Ces grottes, en particulier aux hautes latitudes arctiques, sont souvent éloignés et difficiles d'accès, et comme résultat, l'histoire du pergélisol est peu connue, et sa stabilité passée dans les climats en réchauffement.

Cependant, en 2013, des chercheurs de l'Université d'Oxford ont pu échantillonner des gisements de grottes de quelques endroits à travers la Sibérie; leur analyse a suggéré que le dégel du pergélisol était répandu dans toute la Sibérie avant 400, il y a 000 ans. Depuis, les résultats ont montré une gamme très réduite de dégel du pergélisol.

Shakun et Biller-Celander se sont demandé si la tendance vers un pergélisol plus stable était une tendance mondiale, et a cherché à mener des études similaires au Canada pour reconstituer l'histoire du pergélisol là-bas. Ils se sont associés aux pionniers des spéléologues Lauriol et Ford, qui ont fourni des échantillons de dépôts de grottes qu'ils ont collectés au fil des ans dans trois régions de pergélisol distinctes :le sud des Rocheuses canadiennes, Parc national Nahanni dans les Territoires du Nord-Ouest, et le nord du Yukon.

Au total, l'équipe a obtenu 74 échantillons de spéléothèmes, ou des sections de stalagmites, stalactites, et pierres de coulée, d'au moins cinq grottes dans chaque région, représentant différentes profondeurs de grottes, géométries, et les histoires glaciaires. Chaque grotte échantillonnée était située sur des pentes exposées qui étaient probablement les premières parties du paysage de pergélisol à dégeler avec le réchauffement.

Les échantillons ont été envoyés par avion au MIT, où McGee et son laboratoire ont utilisé des techniques géochronologiques précises pour déterminer l'âge des couches de chaque échantillon, chaque couche reflète une période de dégel du pergélisol.

"Chaque spéléothème s'est déposé au fil du temps comme des cônes de signalisation empilés, " dit McGee. " Nous avons commencé par le plus à l'extérieur, couches les plus jeunes à ce jour la dernière fois que le pergélisol a dégelé."

Changement arctique

McGee et ses collègues ont utilisé des techniques de géochronologie uranium/thorium pour dater les couches de chaque spéléothème. La technique de datation repose sur le processus naturel de désintégration de l'uranium en son isotope fille, thorium 230, et le fait que l'uranium est soluble dans l'eau, alors que le thorium ne l'est pas.

"Dans les rochers au-dessus de la grotte, comme les eaux s'infiltrent à travers, ils accumulent de l'uranium et laissent du thorium, " explique McGee. " Une fois que l'eau atteint la surface de la stalagmite et précipite au temps zéro, tu as de l'uranium, et pas de thorium. Puis progressivement, l'uranium se désintègre et produit du thorium.

L'équipe a foré de petites quantités de chaque échantillon et les a dissous par diverses étapes chimiques pour isoler l'uranium et le thorium. Ensuite, ils ont passé les deux éléments à travers un spectromètre de masse pour mesurer leurs quantités, le rapport dont ils ont utilisé pour calculer l'âge d'une couche donnée.

De leur analyse, les chercheurs ont observé que les échantillons prélevés au Yukon et dans les sites les plus au nord contenaient des échantillons d'au moins 400, 000 ans, suggérant que le dégel du pergélisol ne s'est pas produit dans ces sites depuis lors.

"Il y a peut-être eu un dégel peu profond, mais en termes de dégel de toute la roche au-dessus de la grotte, cela ne s'est pas produit depuis les 400 derniers, 000 ans, et était beaucoup plus courant avant cela, " dit McGee.

Les résultats suggèrent que le pergélisol terrestre était beaucoup moins stable avant 400, il y a 000 ans et était plus sujet au dégel, même pendant les périodes interglaciaires où les niveaux de température et de dioxyde de carbone atmosphérique étaient comparables aux niveaux modernes, comme d'autres travaux l'ont montré.

"Pour voir cette preuve d'un Arctique beaucoup moins stable avant 400, il y a 000 ans, suggère même dans des conditions similaires, l'Arctique peut être un endroit très différent, " dit McGee. " Cela soulève des questions pour moi sur ce qui a poussé l'Arctique à se déplacer vers cet état plus stable, et qu'est-ce qui peut l'amener à en sortir. »