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What can be learned from glacial
stage 6, as revealed by Vostok
Measurement of the isotopic composition of atmospheric
oxygen trapped in the Vostok ice core during glacial iso-
tope stage 6 (190-140 kyrs BP) leads us to question our
understanding of the atmospheric oxygen cycle. This illus-
trates the importance of reconstructing the past for pre-
dicting future evolution, which requires a good under-
standing of the Carbon and Oxygen cycle. It also shows
the importance of reconstructing past climate by combin-
ing the different available archives : continental, glacial
and oceanic.
The atmospheric
18
O (O
2
) signal
The change of
18
O(H
2
O), the isotopic ratio in sea water, is
a tool of major importance for reconstructing paleoclimates :
its variations in oceanic sediment is driven by the change in
volume of the polar ice caps which, by definition, is an indi-
cator of the glacial (high ice cap volume) / interglacial (low
ice cap volume) climate. The oscillations of the ice cap vol-
ume provide a frame for studying the climate oscillations
during the Quaternary. They impact on the isotopic ratio of
sea water, thus defining the succesive isotopic stages.
In 1985, a project to measure the isotopic ratio of atmospheric
oxygen
18
O(O
2
) in air bubbles trapped in ice (Bender, and al.
1985) was carried out at Gif sur Yvette. Atmospheric oxygen
O
2
, is linked to sea water through biosphere photosynthetic
activity which connects the two reservoirs, CO
2
and H
2
O on
the one hand and O
2
on the other hand. Isotopic fractiona-
tion is involved in the successive steps which occur during this
connection, yielding an isotopic difference of 23 between
atmospheric oxygen (O
2
) and sea water (H
2
O); this difference
is known as «the Dole effect». A quantitative estimate was
made by Bender et al. (1993), who were able to reproduce the
measured values within a few .
According to the above, the succession of glaciations which
periodically change the
18
O of sea water (with an ampli-
tude of about 1.2) should also induce periodic change in
the
18
O of atmospheric oxygen, as the coupling time
between these two reservoirs (of order 1000 years) is much
shorter than the climate oscillations (these are driven by the
precession cycle which is of order 20,000 years). It was in
this context that the first records of
18
O(O
2
), in theVostok
ice core (Antarctica) and in Greenland (Summit) were inter-
preted. The remarkable similarity of the amplitude of the
variations in these two records, a similarity which was
expected because O
2
is well mixed in the atmosphere on the
time scale considered, etablished variations of
18
O (O
2
) as
a useful signal , a good proxy for paleoclimate.
La richesse du stade glaciaire 6,
révélée par Vostok
L'observation du signal atmosphérique dans la carotte
de Vostok lors du stade glaciaire 6 (190-140 ka BP) a
conduit à remettre en question notre compréhension
du cycle de l'oxygène atmosphérique. Cette remise en
cause illustre l'importance de la connaissance du passé
pour pouvoir aborder le futur de l'évolution climatique
qui nécessite une bonne connaissance le cycle du
Carbone et de l'Oxygène est nécessaire. Cette approche
illustre également la nécessité d'une reconstitution
paléoclimatique conjointe à partir des différentes
archives continentales, glaciaires et océaniques.
Le signal isotopique de O
2
atmosphérique
L'isotope
18
O de l'eau de mer est depuis plusieurs décen-
nies l'outil de base pour la reconstitution des paléoclimats
: il permet d'accéder à l'histoire du volume des calottes
des glaces qui recouvrent épisodiquement les hautes lati-
tudes de l'hémisphère Nord et de définir ainsi la succes-
sion de climat glaciaires (grand volume de glaces conti-
nentales, bas niveau marin) et interglaciaire (faible
volume de glaces continentales, haut niveau marin). Ces
oscillations du volume des calottes glaciaires servent de
cadre à l'étude des oscillations climatiques du
Quaternaire; elles se répercutent sur la teneur isotopique
de l'eau de mer, définissant ainsi les stades isotopiques
successifs.
En 1985, se réalisa au CFR (Gif-sur-Yvette) le projet de
mesurer l'isotope de l'oxygène atmosphérique
18
O(O
2
)
contenu dans les bulles d'air emprisonnées dans les glaces
(Bender et al. 1985). L'oxygène de l'air est couplé à celui
de l'eau par l'intermédiaire de l'activité photosynthétique
des plantes qui connecte les deux réservoirs CO
2
et H
2
O
d'une part, et O
2
de l'autre. Les différentes étapes mises en
jeu lors de cette connexion impliquent des fractionnements
isotopiques successifs. L'écart isotopique mesuré entre le
réservoir initial de H
2
O (eau de mer) et final de O
2
(atmo-
sphère) est de l'ordre de 23. Cet écart est connu sous le
nom d'effet Dole. Une estimation quantitative a été entre-
prise par Bender et al (1993) qui a ainsi pu reconstitué
l'ordre de grandeur observé, à quelque près.
Dans un tel schéma, la successions des glaciations qui
changent périodiquement la valeur moyenne de la com-
position isotopique de l'eau de mer d'environ 1,2
doivent se répercuter sur l'évolution de l'isotope de O
2
atmosphérique, les temps de couplage entre les deux iso-
topes mettant en jeu des délais de l'ordre du millénaire,
bien inférieur aux oscillations climatiques qui, elles,
répondent aux cycles de la précession (~20 000 ans ).
C'est dans ce contexte qu'ont été publiés les premiers
enregistrements de
18
O(O2), dans les bulles d'air empris-
Lettre pigb-pmrc France
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