Le fractionnement de l'oxygène dans les nuages

Objet : nuage Date : Lun, 17 Déc 2001 11:41:49 De : Michelle Barbier.

« Lorsqu'un nuage se déplace de l'Atlantique vers le Massif Central (par exemple), au fur et à mesure que la température diminue, le coefficient de fractionnement augmente. L'¹⁶O se concentre de plus en plus dans la vapeur et l'¹⁸O de plus en plus dans la phase liquide. Je voudrais savoir pour quelle température on a autant de ¹⁶O et de ¹⁸O ? est-ce possible dans la nature ? »

Dans l'eau naturelle (océan, lac, vapeur, glace, etc), le rapport H₂¹⁸O/H₂¹⁶O est de l'ordre de 1/500 (0,002). Cette composition isotopique varie extrêmement peu, quelques pour-cents au plus, typiquement 1à 2% à nos latitudes, et jusqu'à 3-4% aux hautes latitudes. C'est pour cela que l'on utilise la notation δ (delta grec), qui permet d'exprimer de telles petites variations. On a choisi d'exprimer ces variations en ‰ et pas en pourcentages par commodité.

Ce δ est calculé comme suit :

ou "éch" représente l'échantillon d'eau dont on exprime la composition, par rapport à une référence "réf".

Figure 1. Composition isotopique des eaux naturelles

En haut, exprimée en rapport isotopique (nombre de molécules de H₂¹⁸O par rapport à H₂¹⁶O). En bas, composition exprimée en δ par rapport à la composition océanique moyenne de 1/500.

Les termes « appauvrissement » et « enrichissement » isotopiques se réfèrent toujours à ce rapport isotopique H₂¹⁸O/H₂¹⁶O. Dire que la pluie est « enrichie » par rapport à la vapeur du nuage veut dire exactement que son rapport H₂¹⁸O/H₂¹⁶O est plus élevé que celui de la vapeur. Mais ceci n'a rien à voir avec les quantités respectives de H₂¹⁸O et H₂¹⁶O : dans la pluie, il y aura toujours moins de H₂¹⁸O (et de H₂¹⁶O) que dans le nuage, puisque la pluie en provient et le rapport H₂¹⁸O/H₂¹⁶O est proche de 1/500 dans les deux cas.

Figure 2. Relation entre masses d'isotopes (m) et rapports massiques isotopiques (R)

La masse de vapeur dans le nuage est "m_V", très proche de la masse d'H₂¹⁶O, idem pour la masse "m_P" de la pluie. La masse d'H₂¹⁸O dans la vapeur est m_V x R_V, dans la pluie m_P x R_P. La masse de pluie est plus faible que celle de vapeur dont elle provient, soit m_V > m_P (typiquement m_P ~ 5 à 10% de m_V). Les rapports isotopiques eux sont très proches : R_V ~ R_P ~ 1/500, mais à cause du fractionnement isotopique entre vapeur et liquide, on a strictement R_V < R_P (R_V ~ 0,99 x R_P). Les masses de H₂¹⁸O et H₂¹⁶O sont donc toujours plus grandes dans le nuage que dans les précipitations (mv > mp , et mv x Rv > mp x Rp), tandis que le rapport isotopique est toujours plus faible dans la vapeur que dans les précipitations (R_V < R_P).

"L'appauvrissement isotopique" d'un nuage transporté de l'Atlantique vers le Massif Central (pour reprendre l'exemple), ne provient pas directement de l'effet de la température sur le fractionnement isotopique entre vapeur et précipitations. En effet, ce fractionnement est relativement constant : il passe de 10‰ à 25°C à 14‰ à -20°C. L'appauvrissement provient de l'épuisement en vapeur du nuage à cause des précipitations successives.

Figure 3. Appauvrissement en vapeur et évolution du rapport H₂¹⁸O/H₂¹⁶O d'un nuage (transport de l'Atlantique vers le Massif Central)

Notez la différence de 10‰ entre la composition isotopique de la vapeur et des précipitations, due au fractionnement isotopique.