Une étude, dont les résultats intitulés «Optical clumped isotope thermometry of carbon dioxide»  ont été publiés dans la revue Scientific Reports, a permis, grâce au développement du premier instrument laser pour mesurer les quatre espèces les plus abondantes de CO₂, composées d’isotopes ¹²C, ¹³C, ¹⁶O et ¹⁸O, de remonter à la température d’équilibration des carbonates. Un puissant outil pour les sciences de la Terre (paléoclimat, atmosphère…) a ainsi été élaboré.

Rappelons tout d'abord que «la répartition d’isotopes ¹²C/¹³C et ¹⁶O/¹⁸O dans le dioxyde de carbone (CO₂), ou dans les carbonates dont on peut extraire le dioxyde de carbone et ainsi le mesurer, est un traceur largement répandu et utilisé depuis longtemps dans les sciences de la Terre».

Dans ce contexte, «une approche très récente s’intéresse plus particulièrement à la répartition de ces isotopes entre quatre variantes de la même molécule : l’espèce isotopique de CO₂ le plus abondant (¹²C¹⁶O₂), les variantes substituées une fois par un isotope rare (¹³C au lieu de ¹²C ou ¹⁸O au lieu de ¹⁶O) et la variante très rare, ¹³C¹⁶O¹⁸O, doublement substituée par un isotope lourd».

Du fait qu'en équilibre thermodynamique, «la redistribution de ces quatre isotopes sur les quatre variantes dépend exclusivement de la température» sans être influencée «par d’autres variables environnementales (pH, rapports ¹³C/¹²C et ¹⁸C/¹⁶O…)», ce traceur est «un thermomètre particulièrement robuste et intéressant».

Alors que, jusqu’à présent, «ce type de mesures est le domaine de spectromètre de masse spécialisé qui permet de quantifier l’abondance relative du très rare ¹³C¹⁶O¹⁸O à une précision de 10^-5», le nouveau développement instrumental mené dans le cadre de cette étude «est basé sur l’utilisation de lasers infrarouges afin de mesurer le rapport entre les quatre isotopologues du CO₂».

Concrètement, «pour la première fois, la température de CO₂ dissout dans l’eau thermale de trois sources différentes du bassin du Rhin supérieur (une à Soultz/Alsace et deux autres à Bad Hombourg/Hesse) est mesurée par cette nouvelle méthode utilisant l’équilibre entre isotopologues ¹²C¹⁶O₂, ¹³C¹⁶O₂, ¹²C¹⁶O¹⁸O et ¹³C¹⁶O¹⁸O».

Il apparaît «dans deux des trois cas», que «la température correspond à celle de l’eau à la surface, tandis qu’à Soultz, la température est beaucoup plus élevée, reflétant une convection rapide de l’eau». Au bout du compte, «la double mesure par spectromètre de masse et par instrument laser permet de conclure que l’analyse par l’instrument laser offre presque la même exactitude pour un temps d’échantillonnage comparable».

Après cette expérience prometteuse, l'étude prévoit «qu’une évolution de l’instrument permettra d’atteindre dans un futur proche l’exactitude des spectromètres de masse tout en réduisant le temps d’analyse de quelques heures à une dizaine de minutes», le grand potentiel de la nouvelle méthode découlant du fait que la mesure est directe.

Plus précisément, «en comparant seulement les abondances relatives de quatre espèces isotopiques, on peut en déduire la température d’équilibration sans aucune ambiguïté, ceci est démontré par la comparaison entre expérience et calcul théorique». C'est un avantage «par rapport à la spectrométrie de masse qui nécessite des informations et des calibrations supplémentaires». Ainsi, cette méthode devrait même permettre «de mesurer des composés isotopiques extrêmement rares tels que l’isotopologue ¹²C¹⁸O₂, qui n’est jusqu’ici jamais détecté».