L'évolution des précipitations en Afrique intertropicale entre 5 500 ans BP et 1 500 ans BP (sujet national, juin 2017, partie 2, ex. 2)

Énoncé

Le musée Testut-Latarjet et le musée des Confluences de Lyon ont mis à disposition des chercheurs des fragments d'os et des dents de momies égyptiennes (datées entre 5 500 ans BP* et 1 500 ans BP) dans le but d'y trouver des indices sur le climat africain de cette période.
*BP : Before Present, c'est-à-dire avant 1950.
Synthèse
En utilisant les informations des documents et les connaissances :
  • expliquer comment les études isotopiques menées sur des momies égyptiennes ont permis de reconstituer l'évolution des précipitations en Afrique intertropicale entre 5 500 ans BP et 1 500 ans BP ;
  • montrer que les résultats de cette étude sont en accord avec les données sédimentaires.
Document de référence
Localisation géographique des sites étudiés
Localisation géographique des sites étudiés
Document 1
Variation du δ18O des os et des dents de momies égyptiennes
« L'apatite (phosphate de calcium) constituant de l'os et l'hydroxyapatite (phosphate de calcium hydraté) constituant de l'émail des dents contiennent de l'oxygène dans le groupement phosphate. Des chercheurs ont ainsi pu mesurer le δ18O des fragments d'os et des dents de momies égyptiennes (δ18Op) couvrant une époque entre 5 500 ans BP et 1 500 ans BP. »

Sujet national, juin 2017, partie 2, exercice de spécialité - illustration 2
D'après Touzeau et al., 2013, modifié.
Document 2
Corrélation entre le δ18Op des os et des dents et le δ18Ow de l'eau de boisson
« Le δ18O mesuré dans les os et les dents des êtres humains (δ18Op) est corrélé au δ18O de l'eau de boisson (δ18Ow) par l'équation simplifiée suivante :
18Ow) = 1,54 (δ18Op) − 33,72.
Daux et al., 2008. »

Document 3
Relation entre les précipitations mensuelles (histogramme) et le δ18O moyen mensuel de l'eau de pluie (courbe reliant les carrés) à Entebbe en Ouganda et Addis Abeba en Éthiopie
« En zone intertropicale, le facteur majeur contrôlant la composition du δ18O des eaux de pluie est la quantité de précipitations et non la température. »

Sujet national, juin 2017, partie 2, exercice de spécialité - illustration 3
D'après données IAEA/WMO.
« Dans le cas des Égyptiens, on peut considérer que l'eau de boisson est l'eau du Nil, eau tombée sous forme de pluie au-dessus des régions sources du Nil.  »

Document 4
Variations des flux sédimentaires détritiques dans les lacs Sinnda et Kitina (République du Congo)
« Durant la période étudiée, ces lacs étaient situés en milieu forestier. Dans les milieux forestiers intertropicaux, les particules solides transportées par les cours d'eau proviennent surtout de l'érosion des berges. Ainsi, la charge solide des cours d'eau est directement corrélée aux crues et donc aux précipitations.
Un assèchement complet du lac provoque une interruption de la sédimentation (hiatus). »

Sujet national, juin 2017, partie 2, exercice de spécialité - illustration 4
cnrs.fr – J. Bertaux.
Comprendre la question
Cet exercice porte sur la reconstitution du climat datant de 5 500 BP à 1 500 BP en Afrique intertropicale, grâce à l'étude de données isotopiques de l'oxygène obtenues sur des os et des dents de momies égyptiennes. Les données isotopiques permettent d'étudier l'intensité des précipitations dans cette région sur la période étudiée. Puis l'étude des données sédimentaires permet de confirmer la conclusion obtenue avec les données isotopiques. La principale difficulté de ce sujet réside dans le caractère original des documents proposés. Il s'agit de bien mettre en relation les informations issues des documents et de construire une démarche logique. La réponse attendue contient une introduction exposant la problématique, une argumentation structurée exploitant les données issues des différents documents et mises en relation entre elles, et enfin une conclusion répondant à la problématique. Très peu de connaissances sont à utiliser et aucun schéma n'est exigé.
Procéder par étapes
1re étape : identifier le type de réponse attendue.
2e étape : extraire des documents les informations en rapport avec le problème scientifique.
3e étape : construire une réponse structurée mettant en relation les informations issues des documents et des connaissances.
Le tableau suivant présente un exemple de démarche construite au brouillon.
Parties du problème
Éléments issus des documents
Éléments issus des connaissances
Introduction : Comment les études isotopiques menées sur des momies égyptiennes permettent-elles de reconstituer l'évolution des précipitations en Afrique intertropicale entre 5 500 ans BP et 1 500 ans BP ? Comment montrer que les résultats de cette étude sont en accord avec les données sédimentaires ?
Études isotopiques sur des momies égyptiennes et reconstitution de l'évolution des précipitations en Afrique intertropicale entre 5 500 ans BP et 1 500 ans BP.
Document 1. Augmentation du δ18Op des os et des dents des momies égyptiennes entre 5 500 ans BP et 1 500 ans BP.
Document 2. Le δ18Op varie de manière linéaire avec δ18Ow, mesuré dans l'eau de boisson.
Document 3. Le δ18Ow de l'eau de boisson correspond au δ18O de l'eau du Nil, alimenté par la pluie au niveau des sources du Nil. En région intertropicale, les précipitations déterminent le δ18O et plus les précipitations sont importantes, plus le δ18O est faible.
Bilan. Les précipitations ont diminué en Afrique intertropicale entre 5 500 ans BP et 1 500 ans BP.

Le δ18O reflète les proportions relatives en 18O et en 16O, isotopes de l'oxygène.
Confirmation des conclusions des études isotopiques par les données sédimentaires.
Document 4. Entre 5 500 ans BP et 1 500 ans BP, les flux sédimentaires détritiques des lacs Sinnda et Kitina diminuent, avec un assèchement complet du lac Sinnda.
Bilan. Les données sédimentaires confirment la réduction des précipitations déduites de l'étude des momies égyptiennes.

Conclusion

4e étape : rédiger la réponse sur la copie.

Corrigé

Synthèse
La reconstitution des climats du passé permet de comprendre l'évolution climatique de la Terre au cours du temps et de prédire son évolution future. Il existe différentes méthodes pour reconstituer les climats passés en fonction des périodes de temps étudiées et de la nature des échantillons disponibles. Nous nous intéressons ici à caractériser le climat entre 5 500 ans BP et 1 500 ans BP en Afrique intertropicale, à partir des résultats des études isotopiques de fragments d'os et de dents de momies égyptiennes. Comment les études isotopiques menées sur des momies égyptiennes permettent-elles de reconstituer l'évolution des précipitations en Afrique intertropicale entre 5 500 ans BP et 1 500 ans BP ? Comment montrer que les conclusions de cette étude sont en accord avec les données sédimentaires ? Pour répondre à ces problématiques, nous caractériserons l'évolution du δ18O des dents et des os de ces momies sur la période de temps étudiée, puis nous établirons la relation entre le δ18O et les précipitations afin de déterminer l'évolution des précipitations en Afrique intertropicale de 5 500 ans BP à 1 500 ans BP. L'étude des flux sédimentaires détritiques au niveau des lacs Scinda et Kitina sur cette même période permettra alors de vérifier les conclusions obtenues par les études isotopiques.
D'après le document 1, les chercheurs ont mesuré le δ18Op de l'apatite des os et celui de l'hydroxyapatite de l'émail des dents de différentes momies égyptiennes sur une période allant de 5 500 ans BP à 1 500 ans BP. Le δ18O reflète les proportions relatives en 18O et 16O, qui sont des isotopes de l'oxygène. Le δ18Op des dents augmente au cours du temps de 5 500 ans BP à 1 500 ans BP, passant d'une valeur moyenne de 21,2 ‰ en 5 500 BP à une valeur moyenne de 22,5 ‰ en 1 800 BP. Le δ18Op des os augmente également au cours du temps sur cette même période. Ainsi, δ18Op des dents et celui des os de ces momies augmentent entre 5 500 ans BP et 1 500 ans BP.
Le document 2 présente la relation entre le δ18Op des os et des dents des êtres humains et le δ18Ow de l'eau de boisson. Les deux rapports isotopiques δ18Op et δ18Ow sont reliés par une relation linéaire : toute augmentation du δ18Op se traduit par une augmentation du δ18Ow et réciproquement. Or d'après le document 3, on considère que l'eau de boisson des Égyptiens est l'eau du Nil, provenant de l'eau de pluie tombée sur les régions de la source du Nil Blanc, proche d'Addis Abeba (Éthiopie) et de la source du Nil bleu, proche d'Entebbe (Ouganda). On en conclut qu'étudier les caractéristiques du δ18Ow de l'eau de boisson des Égyptiens revient à étudier le δ18O de l'eau de pluies des régions des sources du Nil.
Le document 3 précise qu'en zone intertropicale, le facteur prédominant de la composition du δ18O des eaux de pluie est la quantité de précipitations. Le graphique représentant l'évolution annuelle des précipitations mensuelles et celle du δ18O moyen mensuel de l'eau de pluie à Entebbe et à Addis Abeba au cours de l'année permet de préciser la relation entre les précipitations mensuelles et le δ18O. À Entebbe, les mois de faibles précipitations (inférieures ou égales à 150 mm), c'est-à-dire les mois de janvier, février, juin, juillet, août, septembre et décembre, correspondent à un δ18O supérieur à 2 ‰. À l'inverse, durant les autres mois, les précipitations sont supérieures ou égales à 150 mm et correspondent à un δ18O inférieur à 2 ‰. De même à Addis Abeba, un δ18O faible est corrélé à des précipitations élevées et un δ18O élevé correspond à des faibles précipitations. On en déduit que plus les précipitations sont importantes, plus le δ18O des eaux de pluie est faible, donc plus le δ18Ow de l'eau de boisson ainsi que le δ18Op des os et des dents de momies sont faibles.
Ainsi, sachant que plus le δ18Op des os des dents des êtres humains est faible, plus les précipitations sont importantes, on en conclut que l'augmentation du δ18Op des dents et des os des momies égyptiennes entre 5 500 ans BP et 1 500 ans BP traduit une diminution des précipitations sur cette même période. Cette évolution climatique en Afrique intertropicale entre 5 500 ans BP et 1 500 ans BP est-elle confirmée par l'analyse des variations des flux sédimentaires dans les lacs Sinnda et Kitina, situés en République du Congo ?
D'après le document 4, le flux sédimentaire détritique dans les lacs Sinnda et Kitina est corrélé aux crues et donc aux précipitations. L'analyse des variations de ce flux sédimentaire concernant le quartz et l'argile au cours du temps permet de reconstituer l'intensité des précipitations passées. Au niveau du lac Kitina, le flux sédimentaire détritique du quartz et de l'argile est d'environ 0,003 g.cm−2.an−1 pour le quartz et pour l'argile en 5 500 BP. Puis ce flux diminue progressivement pour devenir très faible et même nul de 2 500 BP à 1 500 BP. Au niveau du lac Sinnda, la même évolution est observée : le flux sédimentaire détritique du quartz et celui de l'argile, d'environ 0,017 g.cm−2.an−1 en 5 500 BP, diminue par la suite. On observe un hiatus ente 4 000 BP et 1 300 BP. Ce hiatus correspond à une interruption de la sédimentation, qui traduit un assèchement complet du lac de Sinnda, dû à des précipitations réduites. Ainsi, l'étude des flux sédimentaires détritiques des lacs Sninda et Kitina montre que de 5 500 BP à1 500 BP, les précipitations ont diminué en Afrique intertropicale, confirmant les résultats des études isotopiques des momies égyptiennes.
Ainsi pour la période allant 5 500 BP à 1 500 BP, l'étude de l'évolution au cours du temps du δ18Op sur les os et les dents des momies égyptiennes et l'étude de la variation des flux sédimentaires détritiques des lacs Sinnda et Kitina ont permis de mettre en évidence la diminution des précipitations en Afrique intertropicale. Le climat est donc devenu plus sec dans cette région entre 5 500 BP et 1 500 BP. On peut alors s'interroger sur les origines de cette réduction des précipitations en Afrique intertropicale entre 5 500 BP et 1 500 BP.