Étude d'une modification climatique dans la région du lac Salinas au Pérou, sujet de métropole, mars 2023, exercice 2
Énoncé
Exercice sur 8 points
Le climat d'une région est défini par deux paramètres principaux : la température et l'humidité. On s'intéresse au climat local du lac Salinas, un lac salé situé à 4 300 m d'altitude dans la région d'Arequipa au Pérou. Des études montrent que ce lac a enregistré une modification de certains paramètres climatiques au cours des 15 000 dernières années.
Le climat d'une région est défini par deux paramètres principaux : la température et l'humidité. On s'intéresse au climat local du lac Salinas, un lac salé situé à 4 300 m d'altitude dans la région d'Arequipa au Pérou. Des études montrent que ce lac a enregistré une modification de certains paramètres climatiques au cours des 15 000 dernières années.
QUESTION :
Montrer quelle variation climatique a affecté la région du lac Salinas au cours des 15 000 dernières années.
Vous organiserez votre réponse selon une démarche de votre choix, intégrant des données des documents et les connaissances utiles.
Document 1 : profil d'une carotte prélevée dans les sédiments du lac Salinas
 Source : d'après « Étude téphrostratigraphique et bio-climatique du Tardiglaciaire et de l'Holocène de la Laguna Salinas, Pérou méridional », Juvigné et al., Géographie physique et Quaternaire, 1997 |
Document 2 : datation par radiochronologie à l'aide de la méthode du 14C
Il existe trois isotopes de l'atome de carbone. Deux sont des isotopes stables : le 12C (majoritaire à 98,9 %) et le 13C. Le troisième isotope, le 14C, est radioactif.
Le CO2 atmosphérique contient principalement l'isotope stable 12C. Cependant, une très faible quantité (1 pour 1012 molécules) de CO2 atmosphérique contient du 14C radioactif.
Ce 14CO2 est produit en continu dans la haute atmosphère. On considère que le rapport 14C/12C du CO2 est relativement stable dans le temps. Cependant, lorsqu'un organisme meurt, il n'échange plus avec son milieu et son propre rapport 14C/12C commence à décroître selon la courbe suivante.
Le CO2 atmosphérique contient principalement l'isotope stable 12C. Cependant, une très faible quantité (1 pour 1012 molécules) de CO2 atmosphérique contient du 14C radioactif.
Ce 14CO2 est produit en continu dans la haute atmosphère. On considère que le rapport 14C/12C du CO2 est relativement stable dans le temps. Cependant, lorsqu'un organisme meurt, il n'échange plus avec son milieu et son propre rapport 14C/12C commence à décroître selon la courbe suivante.
 Sources : d'après l'article « Comment calculer l'âge grâce au carbone 14 », Thierry Lhuillier, 2020, disponible sur http://acces.ens-lyon.fr |
Le temps de demi-vie du 14C est d'environ 5 730 ans, ce qui permet de dater des échantillons contenant du carbone, et pour lesquels la fermeture du système a eu lieu il y a moins de 40 000 ans.
Le tableau suivant présente les mesures effectuées sur les échantillons de tourbe de la carotte de sédiments du lac Salinas.
Le tableau suivant présente les mesures effectuées sur les échantillons de tourbe de la carotte de sédiments du lac Salinas.
| Nom des échantillons | A | B | C |
|---|---|---|---|
| Rapport 14C/12C de l'échantillon | 9,86.10−13 | 3,10.10−13 | 1,69.10−13 |
Document 3 : diagramme pollinique réalisé à partir des échantillons des tourbes localisées dans la carotte de sédiments du lac Salinas
 Source : d'après « Étude téphrostratigraphique et bio-climatique du Tardiglaciaire et de l'Holocène de la Laguna Salinas, Pérou méridional », Juvigné et al., Géographie physique et Quaternaire, 1997 |
Légende :
– Les doubles barres obliques entre 75 et 200 cm signifient que l'échelle n'est plus respectée dans l'intervalle car il n'y a pas de données disponibles.
– Les figurés utilisés correspondent à ceux utilisés dans le document 1.
– Les noms indiqués avec une majuscule (par exemple, Alnus ou Asteraceae) correspondent à des noms de genre ou de famille de végétaux.
– Les doubles barres obliques entre 75 et 200 cm signifient que l'échelle n'est plus respectée dans l'intervalle car il n'y a pas de données disponibles.
– Les figurés utilisés correspondent à ceux utilisés dans le document 1.
– Les noms indiqués avec une majuscule (par exemple, Alnus ou Asteraceae) correspondent à des noms de genre ou de famille de végétaux.
Document 4 : relevé des diatomées présentes dans la carotte de sédiments du lac Salinas
Les diatomées sont des algues unicellulaires, vivant dans des milieux aquatiques très variés.
 Source : d'après « Étude téphrostratigraphique et bio-climatique du Tardiglaciaire et de l'Holocène de la Laguna Salinas, Pérou méridional », Juvigné et al., Géographie physique et Quaternaire, 1997 |
Les « * » désignent les espèces qui sont reprises dans le document 5b.
Document 5 : écologie des organismes présents dans la carotte de sédiments
Document 5a : milieux de vie actuels des organismes dont les pollens ont été retrouvés dans la tourbe du lac Salinas
| Nom de groupe | Données écologiques |
|---|---|
| Alnus | Tolère les climats assez humides ou secs. |
| Asteraceae | L'association des deux est caractéristique des steppes de haute altitude du Pérou, qui peuvent être plus ou moins sèches ou humides. |
| Poaceae | |
| Cyperaceae | Milieux humides. |
| Lycopodium | |
| Isoetes |
Les groupes sont ici des genres ou familles d'organismes.
Sources : d'après tela-botanica.org ; réseau des botanistes francophones et d'après inpn.mnhn.fr ; Institut national du patrimoine naturel
Document 5b : diatomées et salinité de l'eau
La salinité de l'eau d'un lac augmente lorsque l'évaporation est supérieure à l'apport d'eau par les pluies ou rivières.| Espèce de diatomée | Salinité de l'eau |
|---|---|
| Rhopalodia acuminata | Forte |
| Denticula sp. | Forte |
| Navicula mutica | Moyenne |
| Hantzschia amphioxys | Moyenne |
| Nitzschia perminuta | Moyenne |
| Diploneis sp. | Moyenne |
| Caloneis bacillum | Moyenne |
| Cymbella alpina | Faible |
| Cymbella norvegica | Faible |
| Cymbella falaisensis | Faible |
| Fragilaria lapponica | Faible |
| Navicula gallica | Faible |
| Navicula cfr. disjuncta | Faible |
| Navicula bryophila | Faible |
Corrigé
Différentes méthodes d'étude des climats du passé de la Terre ont montré que le climat terrestre a connu de nombreuses et importantes variations au cours de son histoire. On s'intéresse au climat local du lac Salinas, un lac salé situé à 4 300 m d'altitude dans la région d'Arequipa au Pérou. Quelle variation climatique a affecté la région du lac Salinas au cours des 15 000 dernières années ? Pour répondre à cette question, nous effectuerons une datation absolue de plusieurs couches d'une carotte prélevée dans les sédiments du lac Salinas. Puis l'étude de l'évolution de l'abondance des pollens de cette carotte d'une part, et l'étude de l'évolution de l'abondance des diatomées contenues dans la carotte d'autre part permettront, en tenant compte des exigences écologiques des espèces étudiées, de reconstituer l'évolution climatique de cette région au cours des 15 000 dernières années.
1. Datation absolue des échantillons de la carotte de sédiments du lac Salinas
Une carotte de sédiments profonde de 5 m a été prélevée au fond du lac Salinas pour étudier les variations climatiques sur les 15 000 dernières années (document 1). Cette carotte présente différentes couches, constituées de matériaux volcaniques, de sédiments lacustres et de tourbes. Les couches de tourbe, riches en matière organique non entièrement décomposée, contiennent des atomes de carbone. Ces couches de tourbe peuvent alors être datées par radiochronologie en utilisant la méthode du 14C. En effet, dans la matière organique issue d'organismes morts, le rapport isotopique 12C/14C dépend uniquement, selon la loi de décroissance radioactive, du temps écoulé depuis la fermeture du système, ici la mort de l'organisme. Ainsi, la lecture du graphique présentant l'évolution du rapport 12C/14C en fonction du temps écoulé depuis la mort de l'organisme (document 2) permet de dater les échantillons A, B, et C de la carotte sédimentaire du lac Salinas, comme le présente le tableau suivant.
Tableau présentant la datation absolue des échantillons A, B et C de la carotte sédimentaire du lac Salinas
Ainsi, grâce à la radiochronologie utilisant le 14C, les échantillons de tourbe de la carotte sédimentaire du lac Salinas ont pu être datés : l'échantillon A est daté de 0 à 200 ans, l'échantillon B de − 9 600 ans et l'échantillon C de − 14 400 ans. L'étude de l'abondance des pollens de différentes espèces végétales et celle des différentes diatomées des échantillons permettent de caractériser les modifications du milieu de vie de ces espèces depuis 15 000 ans et donc de reconstituer les évolutions climatiques sur cette période.
Tableau présentant la datation absolue des échantillons A, B et C de la carotte sédimentaire du lac Salinas
| Échantillon | Profondeur | Rapport 14C/12C | Âge |
| A | 0,4 m | 9,86.10−13 | entre 0 et 200 ans |
| B | 2 m | 3,10.10−13 | 9 600 ans |
| C | 4,3 m | 1,69.10−13 | 14 400 ans |
Ainsi, grâce à la radiochronologie utilisant le 14C, les échantillons de tourbe de la carotte sédimentaire du lac Salinas ont pu être datés : l'échantillon A est daté de 0 à 200 ans, l'échantillon B de − 9 600 ans et l'échantillon C de − 14 400 ans. L'étude de l'abondance des pollens de différentes espèces végétales et celle des différentes diatomées des échantillons permettent de caractériser les modifications du milieu de vie de ces espèces depuis 15 000 ans et donc de reconstituer les évolutions climatiques sur cette période.
2. Étude palynologique des échantillons de tourbe de la carotte du lac Salinas
L'étude des grains de pollen des échantillons de tourbe de la carotte de sédiments du lac Salinas permet l'identification des différentes espèces présentes à l'époque de la formation de ces sédiments. Le comptage des grains de pollen des différentes espèces végétales dans les couches de la carotte permet de reconstituer l'évolution de l'abondance relative de ces pollens au cours du temps, comme le montre le diagramme pollinique du document 3.
Les pollens d'Asteraceae et de Poaceae sont principalement présents de la surface jusqu'à 2 m de profondeur, sachant qu'aucune donnée pollinique n'est disponible entre 75 et 200 cm. Pour des profondeurs supérieures à 2 m, des pollens de Cyperaceae et de Lycopodium sont présents, en plus de ceux des Asteraceae et des Poaceae. Or, selon le document 5a qui présente les milieux de vie actuels des espèces végétales produisant ces pollens, l'association des Asteraceae et des Poaceae est caractéristique des steppes sèches ou humides, alors que les espèces Cyperaceae ou Lycopodium sont spécifiques des milieux humides. Le principe d'actualisme appliqué ici permet de déterminer le climat d'une période donnée en se fondant sur les exigences écologiques actuelles des espèces végétales dont les grains de pollen sont issus. Ainsi, on peut en déduire que les pollens datant de l'actuel à − 9 600 ans (correspondant à une profondeur inférieure ou égale à 2 m) sont issus d'espèces végétales (Asteraceae et Poaceae) caractéristiques des steppes sèches ou humides. De − 9 600 ans à − 14 400 ans, la présence de pollens d'espèces caractéristiques de milieux humides (Cyperaceae et Lycopodium), associée à la présence de pollens d'espèces caractéristiques des steppes sèches ou humides (Asteraceae et Poaceae), indique qu'à cette période, le milieu était plus humide qu'il ne l'était entre l'actuel et − 9 600 ans. L'absence de données polliniques entre 75 et 200 cm de profondeur ne permet pas de préciser l'évolution de la végétation et donc du climat entre − 3 600 ans environ et − 9 600 ans. Cependant, on peut conclure que l'étude palynologique indique que l'environnement du lac Salinas serait devenu plus sec à partir de − 9 600 ans.
Les pollens d'Asteraceae et de Poaceae sont principalement présents de la surface jusqu'à 2 m de profondeur, sachant qu'aucune donnée pollinique n'est disponible entre 75 et 200 cm. Pour des profondeurs supérieures à 2 m, des pollens de Cyperaceae et de Lycopodium sont présents, en plus de ceux des Asteraceae et des Poaceae. Or, selon le document 5a qui présente les milieux de vie actuels des espèces végétales produisant ces pollens, l'association des Asteraceae et des Poaceae est caractéristique des steppes sèches ou humides, alors que les espèces Cyperaceae ou Lycopodium sont spécifiques des milieux humides. Le principe d'actualisme appliqué ici permet de déterminer le climat d'une période donnée en se fondant sur les exigences écologiques actuelles des espèces végétales dont les grains de pollen sont issus. Ainsi, on peut en déduire que les pollens datant de l'actuel à − 9 600 ans (correspondant à une profondeur inférieure ou égale à 2 m) sont issus d'espèces végétales (Asteraceae et Poaceae) caractéristiques des steppes sèches ou humides. De − 9 600 ans à − 14 400 ans, la présence de pollens d'espèces caractéristiques de milieux humides (Cyperaceae et Lycopodium), associée à la présence de pollens d'espèces caractéristiques des steppes sèches ou humides (Asteraceae et Poaceae), indique qu'à cette période, le milieu était plus humide qu'il ne l'était entre l'actuel et − 9 600 ans. L'absence de données polliniques entre 75 et 200 cm de profondeur ne permet pas de préciser l'évolution de la végétation et donc du climat entre − 3 600 ans environ et − 9 600 ans. Cependant, on peut conclure que l'étude palynologique indique que l'environnement du lac Salinas serait devenu plus sec à partir de − 9 600 ans.
3. Étude des populations de diatomées présentes dans la carotte de sédiments du lac Salinas
Les diatomées sont des algues unicellulaires vivant en milieu aquatique comme les lacs. Après leur mort, leur squelette peut être fossilisé dans les sédiments du fond de leur milieu aquatique. Les espèces de diatomées fossilisées dans la carotte du lac Salinas ont été identifiées et leur abondance relative en fonction de la profondeur a été estimée, comme le présente le document 4. Chaque espèce de diatomée présente une exigence plus ou moins forte vis-à-vis de la salinité de l'eau (document 5b).
Dans les échantillons sédimentaires profonds de 25 et de 95 cm, les diatomées Rhopalodia acuminata et Denticula sp., caractéristiques d'une forte salinité, sont retrouvées en abondance, associées à d'autres diatomées moins abondantes et caractéristiques d'une salinité moyenne de l'eau, comme Navicula mutica. Pour les échantillons profonds de 200 à 420 cm, déposés entre − 9 600 ans et − 14 400 ans, aucune diatomée caractéristique d'une salinité forte n'est observée, à l'exception de rares Rhopalodia acuminata à 200 cm de profondeur. Ces échantillons profonds contiennent des diatomées Cymbella alpina, Cymbella norvegica, Cymbella falaisensis, Fragilaria lapponica, Navicula gallica, Navicula cfr. disjuncta et Navicula bryophila, qui sont toutes caractéristiques d'une faible salinité de l'eau. On peut donc en déduire que l'environnement du lac Salinas est devenu plus salé à partir de − 9 600 ans.
Ainsi, l'étude palynologique des échantillons de tourbe de la carotte sédimentaire du lac Salinas et l'étude des populations de diatomées fossilisées dans cette même carotte permettent d'établir qu'au moins une variation climatique importante a affecté la région du lac Salinas au cours des 15 000 dernières années. Cette variation climatique correspond à un climat devenu plus sec vers − 9 600 ans. Le caractère plus sec du climat peut être dû à une augmentation de la température, ayant entraîné une augmentation de l'évaporation, ou à une diminution des précipitations, c'est-à-dire à une baisse de l'apport en eau par les pluies et les rivières. Il serait intéressant d'étudier d'autres indicateurs climatiques pour confirmer cette conclusion et expliquer l'origine de cette variation climatique.
Dans les échantillons sédimentaires profonds de 25 et de 95 cm, les diatomées Rhopalodia acuminata et Denticula sp., caractéristiques d'une forte salinité, sont retrouvées en abondance, associées à d'autres diatomées moins abondantes et caractéristiques d'une salinité moyenne de l'eau, comme Navicula mutica. Pour les échantillons profonds de 200 à 420 cm, déposés entre − 9 600 ans et − 14 400 ans, aucune diatomée caractéristique d'une salinité forte n'est observée, à l'exception de rares Rhopalodia acuminata à 200 cm de profondeur. Ces échantillons profonds contiennent des diatomées Cymbella alpina, Cymbella norvegica, Cymbella falaisensis, Fragilaria lapponica, Navicula gallica, Navicula cfr. disjuncta et Navicula bryophila, qui sont toutes caractéristiques d'une faible salinité de l'eau. On peut donc en déduire que l'environnement du lac Salinas est devenu plus salé à partir de − 9 600 ans.
Ainsi, l'étude palynologique des échantillons de tourbe de la carotte sédimentaire du lac Salinas et l'étude des populations de diatomées fossilisées dans cette même carotte permettent d'établir qu'au moins une variation climatique importante a affecté la région du lac Salinas au cours des 15 000 dernières années. Cette variation climatique correspond à un climat devenu plus sec vers − 9 600 ans. Le caractère plus sec du climat peut être dû à une augmentation de la température, ayant entraîné une augmentation de l'évaporation, ou à une diminution des précipitations, c'est-à-dire à une baisse de l'apport en eau par les pluies et les rivières. Il serait intéressant d'étudier d'autres indicateurs climatiques pour confirmer cette conclusion et expliquer l'origine de cette variation climatique.
