Pourquoi la glace de l'Antarctique garde-t-elle de l'air vieux de 800 000 ans ?
― Quand la neige devient glace, l'air des pores est piégé en bulles
Si l'on fore la glace de l'Antarctique jusqu'à 3000 mètres de profondeur, les couches du fond contiennent de l'air vieux de 800 000 ans, prisonnier de minuscules bulles. Les chercheurs d'aujourd'hui l'extraient et le mesurent, alors que nos ancêtres ne maîtrisaient pas encore le feu. La clé : le moment où les pores se ferment pendant la transformation de la neige en glace, et un froid extrême qui ne laisse rien fondre pendant des centaines de milliers d'années.
Regardez de près un glaçon fait au congélateur : il a une partie blanche et trouble. En approchant, on y voit plein de petites bulles.
Ces bulles contiennent l'air emprisonné quand l'eau a gelé. Autrement dit, la glace peut « conserver » un peu de l'air du moment.
Et si une glace ne fondait jamais et durait des centaines de milliers d'années ? En Antarctique, c'est exactement ce qui se passe.
Deux raisons seulement
La neige fraîche est pleine de vides. À mesure que de nouvelles couches s'accumulent, elle est tassée, et vers 100 mètres de profondeur, les vides ne communiquent plus avec l'extérieur. L'air qu'ils contiennent reste piégé en bulles.
À l'intérieur de l'Antarctique, il gèle même en été : la glace ne fond pratiquement jamais. Il neige très peu, et la couche annuelle ne fait que quelques centimètres de glace. De fines couches se sont empilées sur des centaines de milliers d'années.
Avec ces deux conditions, la glace devient « une étagère de boîtes de conserve d'air : les plus récentes en haut, les plus anciennes en bas ». Voyons cela pas à pas.
Comment la neige emprisonne-t-elle l'air ?
La neige tout juste tombée est faite en grande partie de vides. À ce stade, l'air des vides se mélange librement avec l'air de la surface.
Quand la neige s'accumule, les couches du bas sont écrasées par le poids de celles du dessus. Les grains se soudent et se resserrent peu à peu. On appelle cet état intermédiaire entre neige et glace le névé.
Entre quelques dizaines de mètres et 100 mètres de profondeur, le tassement dépasse un seuil. Les passages entre les vides se bouchent et l'air ne peut plus s'échapper. Regardez la moitié haute de la figure 1 : l'air devient alors bulle, et l'air de cette époque est scellé.
Attention : l'air des bulles est un peu plus jeune que la glace qui l'entoure. Même si la neige tombée il y a des milliers d'années est devenue glace, de l'air frais continue d'y pénétrer tant que les pores ne sont pas fermés. Les chercheurs corrigent ce décalage de datation par le calcul.
Pourquoi 800 000 ans peuvent-ils s'empiler ?
La première raison, c'est l'absence de fonte. À l'intérieur de l'Antarctique, la température moyenne descend souvent sous −50 °C et reste négative même en été. Une seule fonte ferait disparaître les bulles : ce froid protège donc l'archive.
La seconde, c'est une neige extrêmement rare. L'intérieur de l'Antarctique est aussi sec qu'un désert, et ce qui s'accumule en un an ne représente que quelques centimètres de glace. Même épaisse, la glace compte des couches annuelles très minces, ce qui permet d'y loger beaucoup d'années.
Voici une autre surprise. Avec 3 centimètres par an, comme à la surface, 3200 mètres de glace ne représenteraient qu'environ 110 000 ans. Pourtant le fond date d'environ 800 000 ans. Les couches profondes ont été étirées, amincies jusqu'à quelques millimètres ou moins, quand la glace s'écoule lentement vers les côtés (côté droit de la figure 1).
On appelle « carotte de glace » ces colonnes de glace extraites. Une carotte forée au Dôme C, en Antarctique, aurait enregistré environ 800 000 ans d'air, selon les publications. À la station japonaise du Dôme Fuji, une carotte d'environ 3000 mètres a aussi été forée ; elle couvrirait environ 720 000 ans.
Au-delà de quelques centaines de mètres, la forte pression écrase les bulles : l'air et l'eau s'associent en cristaux transparents. Remontée à la surface, la glace voit ces cristaux redevenir lentement des bulles. C'est pourquoi on laisse parfois reposer la glace forée avant de la mesurer, pour éviter qu'elle ne se fissure.
Le dioxyde de carbone des bulles oscillait entre environ 180 pendant les périodes glaciaires froides et environ 280 à 300 pendant les périodes chaudes (en parties par million d'air). En 800 000 ans, il n'aurait jamais dépassé 300. L'atmosphère actuelle dépasse 420.
En résumé
La glace antarctique garde de l'air ancien parce que, pendant la transformation de la neige en glace, les pores se ferment et forment des bulles, et parce que cette glace, presque sans fondre, s'est empilée pendant des centaines de milliers d'années. Plus on descend, plus les couches sont étirées et minces : une colonne de 3000 mètres contient ainsi 800 000 ans.
La glace antarctique, c'est de l'air mis en boîte par la neige.
Forer 3000 mètres, c'est remonter 800 000 ans.
Pour savoir comment la glace s'écoule vers les côtés, voir « Pourquoi un glacier, pourtant de la glace dure, coule-t-il comme une rivière ? » ; pour ce qui se passe au fond de cette même glace, voir « Pourquoi y a-t-il un lac qui ne gèle pas sous l'endroit le plus froid de la Terre ? ». Et pour comprendre pourquoi l'Antarctique est si froid, lisez aussi « Pourquoi l'Antarctique est-il bien plus froid que l'Arctique ? ».
- Remplissez deux verres d'eau : l'un avec de l'eau du robinet telle quelle, l'autre avec de l'eau bouillie puis refroidie.
- Mettez les deux au congélateur, puis sortez-les une fois gelés et regardez-les à contre-jour.
- La glace d'eau du robinet devrait avoir des bulles blanches regroupées au centre. Quand l'eau gèle de l'extérieur vers l'intérieur, l'air dissous est repoussé vers le centre et s'y retrouve piégé.
La glace antarctique n'est pas de l'eau gelée mais de la neige tassée, donc les bulles se forment un peu différemment. Dans les deux cas, pourtant, l'air est scellé à l'intérieur au moment où tout se solidifie.
Pour aller plus loin ― termes, formules et liens avec les manuelsDu collège aux cours universitaires spécialisés : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de sciences de la Terre du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Non vu au lycée : cours universitaire spécialisé (glaciologie, paléoclimatologie)
- RechercheMême à l'université, pas enseigné comme acquis : sujet actuellement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Calotte glaciaire : vaste et épaisse masse de glace recouvrant un continent. Il en existe aujourd'hui en Antarctique et au Groenland.
- Carotte de glace : colonne de glace extraite en forant la calotte. La profondeur correspond à l'âge.
- Névé : neige tassée en voie de devenir glace. L'air des vides communique encore avec l'extérieur.
CollègeLycéeVérifier par la formule : combien d'années dans 3200 mètres de glace ?
Comme pour des strates, on estime l'âge des couches empilées en « divisant l'épaisseur totale par l'épaisseur d'une année ». Calculons d'abord avec l'épaisseur de surface, puis comparons à l'âge réel.
| En symboles | t ＝ z ÷ λ |
| En mots | années enregistrées ＝ profondeur de glace ÷ épaisseur d'une année |
| D'où vient cette formule ? | Selon le principe de superposition (plus bas, plus ancien), on suppose une couche par an et on compte les couches. Si les couches s'amincissent, λ varie avec la profondeur. |
| t | années enregistrées (ans) |
| z | profondeur de glace (mètres) |
| λ | épaisseur d'une année de couche (mètres), exprimée en équivalent glace |
| Longueur de la carotte du Dôme C | environ 3200 m |
| Accumulation annuelle près de la surface (en équivalent glace) | environ 0,03 m |
| Âge de la glace près du fond | environ 800 000 ans (800000 ans), d'après les publications |
| Profondeur où les pores se ferment en bulles | environ 100 m |
| Années si l'épaisseur restait celle de la surface | 3200 ÷ 0,03 ≒ 106667 |
| Épaisseur annuelle moyenne déduite de l'âge réel (m) | 3200 ÷ 800000 ＝ 0,004 |
| Conversion en millimètres | 0,004 × 1000 ＝ 4 |
| De combien l'épaisseur a diminué par rapport à la surface | 0,03 ÷ 0,004 ＝ 7,5 |
| Années avant la fermeture des bulles (ordre de grandeur) | 100 ÷ 0,03 ≒ 3333 |
Avec l'épaisseur de surface, on obtiendrait environ 110 000 ans, alors que la réalité est d'environ 800 000 ans. En moyenne, une année est amincie à environ 4 millimètres, et plus encore près du fond. De plus, l'air continue de se renouveler pendant les quelques milliers d'années précédant la fermeture : l'air des bulles est donc plus jeune de quelques milliers d'années que la glace autour (en réalité, la faible densité du névé fait estimer une durée un peu plus courte).
LycéeLycée+Bulles et glace révèlent même les températures passées
LycéeAu lycée, en sciences de la Terre, on présente la concentration en dioxyde de carbone des carottes de glace et les variations de température comme l'alternance de périodes glaciaires et interglaciaires. Environ tous les 100 000 ans, froid et chaud alternaient, et le dioxyde de carbone montait et descendait en phase.
Lycée+La température se lit non pas dans les bulles, mais dans l'eau de la glace elle-même. Certaines molécules d'eau contiennent de l'oxygène ou de l'hydrogène un peu plus lourds que la normale. Plus la neige est tombée à une époque froide, plus la proportion de molécules lourdes est faible : ce rapport (rapport isotopique de l'oxygène ou de l'hydrogène) sert donc d'indice de la température passée.
Univ.Densification du névé et décalage d'âge du gaz
La transformation de la neige en glace est étudiée en glaciologie sous le nom de « densification du névé ». On considère que les bulles se ferment quand la densité dépasse environ 0,83 gramme par centimètre cube ; on appelle cette profondeur la profondeur de fermeture des bulles. La différence entre l'âge de l'air des bulles (âge du gaz) et celui de la glace s'appelle le « delta-âge » ; elle est plus grande lors des périodes froides où il neige peu. La relation entre profondeur et âge s'estime avec des modèles d'âge, comme celui de Nye, qui suppose un écoulement de la glace, puis se précise en recoupant couches de cendres volcaniques et autres archives. En profondeur, les bulles d'air se transforment en hydrates d'air (hydrates de clathrate).
📖 Démonstrations et suite : Carotte de glace (Wikipédia, en japonais) ／ Calotte glaciaire antarctique (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore bien compris
- Existe-t-il de la glace de plus d'un million d'ans ? Un projet européen a annoncé en 2025 avoir atteint de la glace de plus de 1,2 million d'années. Son analyse progresse, car elle pourrait expliquer pourquoi le cycle glaciaire est passé de 40 000 à 100 000 ans vers 1 million d'années.
- Dans quelle mesure les couches du fond sont-elles perturbées ? Près du socle rocheux, l'écoulement et la chaleur terrestre peuvent plier ou faire fondre les couches ; il est difficile de savoir jusqu'où l'ordre chronologique est préservé.
- Le contenu des bulles est-il vraiment celui de l'époque ? On a signalé que le dioxyde de carbone peut réagir avec des impuretés de la glace et varier légèrement ; la prudence est surtout de mise pour la glace du Groenland.
Cet article n'est donc lui aussi qu'une « explication de l'état actuel des connaissances ». Les âges peuvent être révisés par de nouveaux forages et analyses.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Où dans l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : superposition des couches / changements d'état | Plus bas, plus ancien ; la neige devient glace |
| Lycée | Sciences de la Terre : évolution de l'environnement terrestre | Glaciaire et interglaciaire, variations du dioxyde de carbone |
| Lycée+ | Sciences de la Terre : paléotempératures par les isotopes | Lire la température d'après la part d'eau lourde |
| Univ. | Glaciologie, paléoclimatologie | Densification du névé, delta-âge, modèles d'âge |
| Recherche | Quête de la plus vieille glace | Glace de plus d'un million d'ans, perturbation des couches du fond |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Preuve que le CO₂ actuel dépasse tout ce qu'ont connu les 800 000 dernières années |
- Lüthi, D. et al. (2008) High-resolution carbon dioxide concentration record 650,000–800,000 years before present. Nature 453
- EPICA community members (2004) Eight glacial cycles from an Antarctic ice core. Nature 429
- National Institute of Polar Research (国立極地研究所), documentation explicative sur le forage profond de la glace du Dôme Fuji
- Wikipédia (japonais) « 氷床コア » (carotte de glace)
- Wikipédia (japonais) « 南極氷床 » (calotte glaciaire antarctique)
※ Cet article est une vulgarisation scientifique. Les valeurs indiquées sont des repères et des estimations pour comprendre le mécanisme. Les âges et les concentrations des carottes de glace varient selon les études et pourront être mis à jour par de futures analyses.