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Nous devons jeter un regard neuf sur le rôle de l’océan Arctique

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L’océan Arctique était recouvert d’un plateau de glace d’une épaisseur pouvant atteindre 900 m et était entièrement rempli d’eau douce au moins deux fois au cours des 150 000 dernières années. C’est ce que viennent de découvrir des scientifiques de l’Institut Alfred Wegener en Allemagne. Conséquences ? De tels apports soudains d’eau douce pourraient expliquer des oscillations climatiques rapides pour lesquelles aucune explication satisfaisante n’avait été trouvée auparavant. Cette meilleure compréhension du passé aidera à mieux prévoir les changements climatiques à venir, dont ceux qui sont attribuables à la vie humaine.

Cette découverte surprenante, rapportée dans le dernier numéro de la revue Nature, parue ce mercredi 3 février 2021, est le résultat de recherches de longue haleine menées par des scientifiques de l’Institut Alfred Wegener (AWI) (1) et du MARUM. Grâce à une analyse détaillée de la composition des dépôts marins, les scientifiques ont pu démontrer que l’océan Arctique ainsi que les mers nordiques ne contenaient pas de sel marin pendant au moins deux périodes glaciaires.
Au lieu de cela, ces océans étaient remplis de grandes quantités d’eau douce sous un épais bouclier de glace. Cette eau pouvait ensuite être libérée dans l’Atlantique Nord en très peu de temps. De tels apports soudains d’eau douce pourraient expliquer des oscillations climatiques rapides pour lesquelles aucune explication satisfaisante n’avait été trouvée auparavant.

L’Arctique n’est pas un continent. L’océan, situé dans le cercle polaire nord, s’étend sur un continent central entouré par les limites nord de la Scandinavie, de l’Amérique du Nord, du Groenland et de la Russie. Avec une longueur de 4 000 kilomètres, une largeur de 2 400 kilomètres et d’une superficie de 14 millions kilomètres carrés, l’océan Arctique est le plus petit océan sur notre planète.
La vie dans l’océan est fortement influencée par la circulation de l’eau et donc par la topographie des fonds marins. La carte montre quatre des bassins de haute mer séparés les uns des autres par les chaînes de montagnes sous-marines.

Il y a environ 60 000 à 70 000 ans, dans une partie particulièrement froide de la dernière période glaciaire, de grandes parties de l’Europe du Nord et de l’Amérique du Nord étaient recouvertes par des calottes glaciaires. La calotte glaciaire européenne s’étendait sur une distance de plus de 5000 kilomètres, de l’Irlande et de l’Écosse jusqu’au bord oriental de la mer de Kara (océan Arctique), en passant par la Scandinavie. En Amérique du Nord, une grande partie de ce qui est aujourd’hui connu sous le nom de Canada était enfouie sous deux grandes nappes glaciaires. Le Groenland et certaines parties du littoral de la mer de Béring ont également été glacés. Quelle était la situation des glaces encore plus au nord, dans l’océan Arctique ? Était-il recouvert d’une épaisse couche de glace marine, ou peut-être que les langues de ces vastes inlandsis flottaient dessus, bien au-delà du pôle Nord ?

Les réponses scientifiques à ces questions étaient jusqu’à présent plus ou moins hypothétiques. Contrairement aux dépôts sur terre, où les blocs erratiques, les moraines et les vallées glaciaires sont les repères évidents des glaciers, seules quelques traces de vastes plates-formes glaciaires ont été trouvées jusqu’à présent dans l’océan Arctique. Les géoscientifiques de l’Institut Alfred Wegener, du Centre Helmholtz pour la recherche polaire et marine (AWI) et du Centre MARUM pour les sciences de l’environnement marin de l’Université de Brême ont maintenant compilé les preuves existantes de l’océan Arctique et des mers nordiques, et les ont combinées avec de nouvelles données pour arriver à une conclusion surprenante.

Selon leur étude, les parties flottantes des calottes glaciaires nordiques ont recouvert de grandes parties de l’océan Arctique au cours des 150 000 dernières années. Une fois, il y a environ 70 000 à 60 000 ans, et aussi il y a environ 150 000 à 130 000 ans. Au cours de ces deux périodes, de l’eau douce s’est accumulée sous la glace, créant un océan Arctique complètement frais pendant des milliers d’années.

« Ces résultats signifient un réel changement dans notre compréhension de l’océan Arctique dans les climats glaciaires. À notre connaissance, c’est la première fois que l’on envisage un rafraîchissement complet de l’océan Arctique et des mers nordiques – qui ne se produit pas une fois, mais deux fois », déclare le premier auteur, le Dr Walter Geibert, géochimiste à l’Institut Alfred Wegener.

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Vue simplifiée de l’océan Arctique et d’un bouclier glaciaire arctique. Pendant les périodes glaciaires où le niveau de la mer était bas, les échanges avec le Pacifique étaient interrompus et les échanges avec l’Atlantique Nord étaient extrêmement réduits, alors que le bassin arctique recevait encore des apports d’eau douce. L’échange ne pouvait se faire que par des portes étroites dans la cordillère Groenland-Ecosse. La séquence de trois croquis montre (1) une période de rafraîchissement de l’océan Arctique suivie par (2) la libération d’eau douce dans l’Atlantique Nord, lorsque de l’eau salée est entrée dans l’océan Arctique et (3) la fonte soudaine de la calotte glaciaire arctique au contact de l’eau atlantique relativement chaude et salée. ( Réalisation : Martin Künsting)

Le thorium est absent des sédiments, donc l’eau salée a dû être absente

Leur découverte est basée sur l’analyse géologique de dix carottes de sédiments provenant de différentes parties de l’océan Arctique, du détroit de Fram et des mers nordiques. Les dépôts empilés reflètent l’histoire climatique des glaciers passés. En étudiant et en comparant les enregistrements de sédiments, les géoscientifiques ont constaté qu’un indicateur important manquait, toujours dans les deux mêmes intervalles. « Dans l’eau de mer salée, la désintégration de l’uranium naturel entraîne toujours la production de l’isotope thorium-230. Cette substance s’accumule au fond des mers, où elle reste détectable pendant très longtemps en raison de sa demi-vie de 75 000 ans », explique Walter Geibert.

C’est pourquoi les géologues utilisent souvent cet isotope du thorium comme une horloge naturelle. « Ici, son absence répétée et généralisée est le cadeau qui nous révèle ce qui s’est passé. Selon nos connaissances, la seule explication raisonnable à ce phénomène est que l’océan Arctique a été rempli d’eau douce deux fois dans sa jeune histoire – sous forme gelée et liquide« , explique le Dr Jutta Wollenburg, co-auteur et micropaléontologue, également de l’AWI.

Jusqu’à présent, les études montraient une incohérence entre les différents niveaux des mers notamment lors de l’observation des reliefs de corail. « Si l’on accepte le fait que l’eau douce n’était pas seulement stockée sous forme solide, mais aussi sous forme liquide dans l’océan, on retrouve une cohérence entre la localisation des récifs et les calculs des quantités d’eau douce, » explique Walter Geibert.

Photo : Stefan Hendricks, AWI

Une nouvelle image de l’océan Arctique

Comment un grand bassin océanique, relié par plusieurs détroits à l’Atlantique Nord et à l’océan Pacifique, peut-il devenir entièrement neuf ? « Un tel scénario est perceptible si nous réalisons qu’au cours des périodes glaciaires, le niveau mondial des mers était jusqu’à 130 m plus bas qu’aujourd’hui, et que les masses de glace dans l’Arctique ont pu restreindre encore plus la circulation océanique« , déclare le professeur Ruediger Stein, co-auteur de l’ouvrage et géologue à l’AWI et au MARUM.

Les connexions peu profondes comme le détroit de Béring ou les sons de l’archipel canadien étaient alors au-dessus du niveau de la mer, coupant entièrement la connexion avec l’océan Pacifique. Dans les mers nordiques, de grands icebergs ou nappes glaciaires s’étendant sur le fond de la mer limitaient l’échange de masses d’eau. L’écoulement des glaciers, la fonte des glaces en été et les rivières se déversant dans l’océan Arctique continuaient à fournir de grandes quantités d’eau douce au système, au moins 1200 kilomètres cubes par an. Une partie de cette quantité aurait été acheminée par les mers nordiques à travers les rares et étroites liaisons plus profondes de la dorsale Groenland-Écosse vers l’Atlantique Nord, empêchant l’eau salée de pénétrer plus au nord. Cela a eu pour effet de rafraîchir l’océan Arctique.

Les scientifiques de l’Institut Alfred Wegener déclarent que « Nous devons jeter un regard neuf sur le rôle de l’océan Arctique. »

« Une fois que le mécanisme des barrières de glace a échoué, l’eau saline plus lourde pourrait à nouveau remplir l’océan Arctique« , déclare Walter Geibert. « Nous pensons qu’il pourrait alors déplacer rapidement l’eau douce plus légère, ce qui entraînerait un déversement soudain de la quantité d’eau douce accumulée au-dessus de la limite sud peu profonde des mers nordiques, la dorsale Groenland-Ecosse, dans l’Atlantique Nord« .

Un concept qui suppose que d’énormes quantités d’eau douce sont stockées dans l’océan Arctique et disponibles pour une libération rapide aiderait à comprendre le lien entre une série de fluctuations climatiques passées. Il permettrait également d’expliquer certaines divergences apparentes entre les différentes manières de reconstituer le niveau des mers du passé. « Les restes des récifs coralliens ont montré que le niveau de la mer était un peu plus élevé pendant certaines périodes froides que ne le suggèrent les reconstructions à partir de carottes de glace de l’Antarctique ou les reconstructions à partir des coquilles calcaires de petits organismes marins« , explique Walter Geibert. « Si nous acceptons maintenant que l’eau douce a pu être stockée non seulement sous forme solide sur terre, mais aussi en partie sous forme liquide dans l’océan, les différentes reconstructions du niveau de la mer concordent mieux et nous pouvons concilier l’emplacement des récifs coralliens avec les calculs du bilan en eau douce« .

Les rejets d’eau douce de l’océan Arctique pourraient également servir d’explication à certains événements abrupts du changement climatique au cours de la dernière période glaciaire.

Au cours de ces événements, les températures au Groenland pourraient augmenter de 8 à 10 degrés centigrades en quelques années, ne revenant aux températures glaciaires froides d’origine qu’au cours de centaines ou de milliers d’années. « Nous voyons ici un exemple d’un point de basculement du système terrestre dans le climat arctique passé. Nous devons maintenant étudier plus en détail comment ces processus étaient interconnectés et évaluer comment ce nouveau concept de l’océan Arctique contribue à combler les lacunes de nos connaissances, notamment en ce qui concerne les risques de changement climatique d’origine humaine« , déclare Walter Geibert.

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Source : Nature -Walter Geibert, Jens Matthiessen, Ingrid Stimac, Jutta Wollenburg, Ruediger Stein : Épisodes glaciaires d’un océan Arctique d’eau douce recouvert par une épaisse plate-forme de glace. Nature (2021), DOI : 10.1038/s41586-021-03186-y

(1) L’Institut Alfred Wegener, Centre Helmholtz pour la recherche polaire et marine (AWI) mène des recherches dans l’Arctique, l’Antarctique et les océans des hautes et moyennes latitudes. Il coordonne la recherche polaire en Allemagne et fournit des infrastructures importantes à la communauté scientifique internationale, telles que le brise-glace de recherche Polarstern et les stations de l’Arctique et de l’Antarctique. L’Institut Alfred Wegener est l’un des 19 centres de recherche de l’Association Helmholtz, la plus grande organisation scientifique en Allemagne.

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