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Dendrochronologie : les arbres nous parlent

Lire le passé dans les cernes du bois, recueillir le témoignage de charpentes centenaires, prévoir la croissance des arbres sous le climat de demain grâce à des pins vieux de plus de 4 000 ans : il ne s’agit pas de fiction mais d’une science, la dendrochronologie. Une discipline toute récente, déjà utilisée en Essonne pour dater les églises.

Souche de boisLa dendrochronologie est une méthode qui permet de déterminer la période durant laquelle un arbre a vécu et de préciser la date à laquelle il a été abattu. Ce procédé permet ainsi de dater précisément tout objet ou structure en bois : charpente, plafond, retable, etc.
© Corbis

En grec dendron désigne l’arbre, khrônos le temps et logos la science : c’est donc en toute logique que la dendrochronologie permet de remonter le temps en analysant les cernes du bois. Curieusement, c’est à un astronome américain que l’on doit la mise au point de la dendrochronologie au début du XXe siècle. Andrew Ellicott Douglass (1867-1962) s’est intéressé aux cernes de croissance des arbres pour vérifier certaines de ses hypothèses sur des variations climatiques liées au cycle solaire.

Le principe de base est simple : les arbres produisent un cerne de croissance par an, dont la largeur varie essentiellement en fonction du climat. Ces cernes sont facilement visualisables sur les souches sous la forme d’anneaux concentriques. En les comptant et en les analysant, on peut établir, pour chaque espèce d’arbre et par région, un catalogue de référence permettant de remonter le temps de nos jours jusqu’à la préhistoire.

Une technique capable de donner des résultats d’une très grande précision, et qui ne cesse de trouver de nouvelles applications. Datation de monuments, d’épaves, de cités lacustres, de statues : la dendrochronologie rend de précieux services à l’archéologie, mais elle nous renseigne aussi, au-delà de l’histoire de l’homme, sur celle de notre planète. En permettant l’analyse du climat sur plusieurs millénaires, elle ouvre une fenêtre sur le monde de demain. Des charpentes des églises de l’Essonne aux épaves de bateaux en Méditerranée, en passant par des arbres de plus de 4 000 ans en Californie, des experts nous font découvrir leur spécialité à travers un voyage dans l’espace et le temps où les arbres ont la parole…

01.La parole est aux cernes des arbres !

Zone cambialeLa zone cambiale est formée de cellules ayant la capacité de se diviser éternellement pendant toute la vie de l’arbre. Ces cellules en se développant vont former du côté externe, le phloème ; ce tissu spécialisé dans la conduction de la sève élaborée riche en sucres, et du côté interne, les cellules du cambium vont former le xylème ou bois.
© Cedre
Chaque année, entre avril et septembre,
la plupart des arbres des régions tempérées produisent un cerne de croissance. Celui-ci est constitué d’une partie généralement plus claire, le bois de printemps ou bois initial, et d’une partie plus foncée : le bois d’été ou bois final. L’arbre produit son bois par division des cellules de la zone immédiatement localisée sous l’écorce (appelée zone cambiale). Les cellules s’additionnent pour augmenter le diamètre du cœur vers l’écorce : le cerne le plus à l’extérieur (immédiatement sous l’écorce) étant celui de l’année en cours, tandis que le cerne le plus ancien est le plus proche de la moelle. Plus l’année a été humide, plus le cerne produit est large.

En théorie, il suffit donc de compter les cernes pour connaître l’âge de l’arbre, et de les mesurer pour savoir si une année a été plus ou moins sèche. Mais la réalité est infiniment plus complexe. Ainsi, la largeur des cernes n’est pas uniquement fonction des apports en eau mais aussi de la température, de l’altitude, du milieu, etc. En outre, des conditions climatiques particulières (alternance de périodes de sécheresse et de précipitations, notamment) peuvent provoquer l’apparition d’un faux cerne : il en résultera deux cernes pour une même année calendaire ! À l’inverse, des anomalies peuvent aboutir à l’absence de cernes certaines années : les aiguilles des mélèzes, par exemple, sont intégralement consommées par une espèce de chenilles qui pullule tous les huit à dix ans. Cette année-là, faute d’aiguilles, le mélèze ne peut réaliser la photosynthèse, et donc ne peut pas produire un cerne...

"Enfin, quelques espèces de feuillus sont extrêmement difficiles à dater, explique Georges-Noël Lambert, chargé de recherche au laboratoire de chrono-écologie du CNRS (Centre national de la recherche scientifique), à l’université de Franche-Comté. C’est le cas par exemple des charmes, des noyers, des tilleuls ou des noisetiers. Leur bois (dit à pores diffus) est très homogène sur toute l’épaisseur du cerne et les cernes sont difficiles à observer". Ces essences cumulent difficultés d’analyse et de datation, car la relation entre la largeur de leur cerne et les facteurs environnementaux n’a pas été étudiée. "Pour les résineux ou d’autres types de feuillus comme le chêne ou le frêne par exemple (bois dit à zone poreuse), on peut en revanche dater àBois à pores diffus et bois à zones poreusesBois à pores diffus et bois à zones poreuses Légende :Il existe différentes espèces d’arbres. L’hêtre est une espèce de feuillus dont le bois dit à pores diffus est très homogène sur toute l’épaisseur du cerne ce qui rend la datation difficile. Pour les résineux ou d’autres types de feuillus comme le chêne, le bois est dit à zone poreuse et l’on peut dater les cernes à l’année près.
© Cedre
l’année près si l’échantillon va du cœur à l’écorce de l’arbre : lors de fouilles dans le Jura, on a ainsi pu dater une série de pieux conservés dans l’eau depuis 2974 avant JC".

Le dendrochronologue doit donc avoir de sérieuses connaissances en botanique et en environnement, associées à une grande prudence statistique : dans le monde du vivant, l’exception est souvent la règle. Mais globalement, tous les individus d’une même espèce, au sein d’une même région climatique, présentent une courbe de croissance similaire, avec la même alternance de cernes larges et étroits. À une année donnée correspond donc une largeur de cerne. À titre d’exemple, la sécheresse de 1976 est clairement inscrite dans tous les arbres du Nord de la France, marquée par un cerne particulièrement étroit cette année-là.

02.Dendrochronologie : comment remonter le temps

Pour remonter le temps, le principe est le suivant : un chêne toujours vivant aujourd’hui a une partie de vie en commun avec un chêne abattu en 1850, lui-même en partie contemporain d’un chêne abattu deux cents ans plus tôt, etc. Les chercheurs établissent donc une courbe continue en faisant se chevaucher, comme des dominos, des séquences fournies par des bois de plus en plus anciens (voir schéma). Ceci permet de repérer à l’année près la date d’abattage d’un arbre. "Alors que les recherches en dendrochronologie n’ont réellement démarré en France que vers les années 1980, nous sommes déjà en mesure de remonter jusqu’au néolithique" explique Olivier Girardclos, fondateur avec Christophe Perrault d’un laboratoire indépendant, le CEDRE (Centre d’Étude en Dendrochronologie et de Recherche en Écologie et paléoécologie), à Besançon.
Schéma sur la dendrochronologieLa recherche des pièces de bois des différentes époques permet de corréler entre elles les séquences fournies par chaque bois et d'établir une courbe continue afin de former un véritable calendrier. Sur ce schéma les auteurs sont remontés de 1988 à la préhistoire. Pour dater une pièce de bois, on recherche par comparaison sa position dans la courbe générale.
© Fritz SCHWEINGRUBER

La première mission de la dendrochronologie a été d’établir des chronologies de référence, bases de données à trois dimensions comprenant l’espèce d’arbre, l’époque et la "zone géographique climatique" : le nord et le sud de la Loire constituent deux larges zones climatiques, mais une vallée et un plateau d’une même région alpine seront également considérés comme deux zones distinctes, la différence d’altitude influant sur la croissance des arbres.

Ensuite, sur le terrain, les dendrochronologues, qu’ils se trouvent face à une épave sous-marine, à une œuvre d’art (retable par exemple) ou à une charpente, procèdent à peu près toujours de la même façon. Prenons l’exemple d’une charpente. Comme les historiens d’art, ils vont d’abord observer la forme de la charpente, l’assemblage des pièces, la présence ou non de marques de charpentiers, de traces de restaurations. Ainsi, les experts savent que la manière dont le bois a été équarri (taillé à angles droits) est significative : s’il a été scié, il y a de fortes chances qu’il soit postérieur à 1480. Ils prélèvent ensuite avec une tarière (sorte de vrille creuse), dans une dizaine de poutres de la charpente, des carottes d’un diamètre variant de quelques millimètres à deux centimètres, l’essentiel étant d’obtenir le maximum de cernes sur l’échantillon… "Il faut travailler sur des échantillons présentant au moins 50 cernes (de 50 à 80) pour disposer de suffisamment de points de comparaison, souligne Georges-Noël Lambert. Et seule la multiplication des échantillons (5 à 10 idéalement) permet de raisonner sur des valeurs moyennes. Car si pour une espèce et un habitat donnés, les morphologies des cernes sont similaires, on ne trouve pas deux arbres identiques". Les largeurs de cernes sont ensuite mesurées puis transposées sous forme de graphiques ; ceux-ci, comparés par glissement avec la chronologie de référence (voir schéma article 2), indiqueront la période, voire la date exacte, de l’abattage de l’arbre. Georges-Noël Lambert a consacré 25 ans de sa carrière à l’élaboration d’outils mathématiques et statistiques permettant ainsi de "placer" le bon arbre au bon endroit !

Encore les experts doivent-ils faire preuve d’un grand pragmatisme, et ne pas se fier uniquement aux outils statistiques. Par exemple, les courbes de croissance du XIIIe siècle sont très proches de celles du XVIIIe. Et c’est seulement parce que l’on savait que Notre-Dame de Paris datait du XIIIe que l’on n’a pas attribué sa charpente à des bois coupés au XVIIIe ! Totalement interdisciplinaire, la dendrochronologie combine donc biologie, botanique, calculs mathématiques, analyse statistique mais aussi écologie et histoire de l’art.

03.Dans l'Essonne, des églises plus anciennes qu'il n'y paraît

Charpentes à chevrons porteursLes charpentes à chevrons porteurs sont typiques de l’architecture médiévale. Une charpente est un assemblage de pièces de bois servant à soutenir ou élever des constructions.
© Cedre
Depuis 2001, le Conseil général de l’Essonne a confié au CEDRE, la mission de procéder à des études dendrochronologiques des charpentes des églises du département qui doivent être restaurées. En effet, on ne réhabilite pas de la même façon un bâtiment du XVe et du XVIIIe. Cette démarche, unique en France, qui traite de la même manière les sites non classés et les plus prestigieux, réserve bien des surprises.

"Jusqu’à présent, l’histoire de l’art s’appuyait sur la morphologie des charpentes pour en déterminer la période de construction, explique Olivier Girardclos, responsable du CEDRE (Centre d’Étude en Dendrochronologie et de Recherche en Écologie et paléoécologie). Charpentes à fermes et pannesLes charpentes à fermes et pannes datent de la fin du XVe siècle. Les pannes sont des pièces de bois horizontales qui servent à soutenir les chevrons d’un comble dans une charpente. Les fermes sont un assemblage de pièces destinées à porter le faîtage, les pannes et les chevrons d’un comble.
© Cedre
En caricaturant un peu, on considérait qu’il existait deux types de charpentes. Celles à chevrons porteurs, typiques de l’architecture médiévale ; et celles à fermes et pannes, qui remonteraient à la fin du XVe siècle et seraient une simplification des premières." Dans le premier cas, chaque chevron participe au soutien de la couverture, tandis que dans le second cas, la charpente repose sur des grandes équerres de bois (fermes). Or l’église de Vert-le-Petit, dont la charpente est pourtant à fermes et pannes, est bien antérieure au XVe siècle. "Nos études ont montré que les bois de cette charpente ont été abattus à l’automne 1221 ou l’hiver 1222. Ce qui nous a permis de réviser totalement notre conception des relations entre forme et chronologie dans les charpentes !" s’enthousiasme Olivier Girardclos, qui énumère des exemples similaires : "À Saint-Cyr-la-Rivière, la charpente à fermes et pannes datait de 1408-1409, à Bondoufle, elle était antérieure à 1428, à Egly elle remonte environ à 1454... " Le clou est enfoncé : la forme des charpentes ne suffit pas à les dater, puisque contrairement aux "prévisions morphologiques", toutes celles-ci sont antérieures à la fin du XVe siècle. <img width="257" height="363" border="0" src="uploads/RTEmagicC_encadre-dendro.gif" style="float:left; margin-right:14px; margin-bottom:14px;" alt="" /"D’autant plus, poursuit notre spécialiste, qu’un grand écart morphologique ne signifie pas forcément un grand écart chronologique et qu’à l’inverse une forme semblable peut correspondre à des époques très éloignées."

L‘analyse dendrochronologique de l’église de Saulx-les-Chartreux fut aussi surprenante : pas un bois ne datait de la même année, même si tous provenaient de chênes français. Les bois du chevet étaient de 1666/1667, ceux du chœur de 1665/1666, tandis que ceux de la nef dataient de 1762, de 1764 ou encore de 1769. Pourtant, sur tous ces éléments figurait une seule et même date : 1771. La clef du mystère ? Elle se trouve dans le marché de l’économie du bois ! Avant le XVIIIe, pour construire une église, on prélevait le bois dans les forêts alentour de la commune, et on bâtissait l’édifice dans la foulée. Mais à partir du XVIIIe, un véritable marché se met en place. Les commerçants vont chercher le bois dans des zones géographiques plus lointaines, ils rapportent des espèces plus diversifiées, qui seront éventuellement stockées avant d’être utilisées. Comme en témoignent les différents éléments de la charpente de l’église de Saulx-les-Chartreux. Mais alors à quoi correspond le 1771 ? Il s’agit simplement de la date du chantier.

"Même si l’objectif est de dater ces églises pour les restaurer intelligemment, l’analyse de nos résultats dépasse la question des charpentes, commente Olivier Girardclos. L’intérêt n’est pas de savoir qu’un chêne est abattu entre 1221 et 1222, mais bien d’approfondir nos connaissances sur l’histoire des techniques en charpente, de voir comment ces innovations ont été acceptées par la société, d’éclaircir les liens entre société, économie forestière et architecture."

04.Les arbres racontent l'histoire du climat

Séquoia Redwood (Californie)Le séquoia est un conifère géant qui fait partie de la famille des taxodiacées. Il ne reste plus de nos jours que deux espèces de séquoia, que l’on rencontre surtout en Californie. Les séquoias sont parmi les plus grands arbres du monde et peuvent atteindre 113 m de haut ! Sur cette image, une des espèces de sequoia, le « Redwood » (bois rouge), a été introduit en Europe en l840.
© Getty
C’est parce que le climat influe sur la morphologie des cernes de croissance des arbres qu’il est possible de se servir de ces cernes pour dater le bois. À l’inverse, on peut donc utiliser ces cernes de croissance pour reconstituer le climat passé : faire de la dendroclimatologie à partir des données de la dendrochronologie. Les experts raisonnent cette fois sur une très longue échelle de temps.

"Nous considérons alors l’arbre comme un "enregistreur" des variations climatiques, explique Georges-Noël Lambert, chargé de recherche au laboratoire de chrono-écologie du CNRS à l’université de Franche-Comté. Toute la difficulté est de déchiffrer correctement le signal enregistré, et de faire abstraction de ce qui relève du "microenvironnement". Par exemple, l’arbre peut avoir eu plus ou moins accès à l’eau ou à la lumière. Ou encore, il aura subi l’impact de la faune et de la flore alentour : son tronc peut avoir été abîmé par un sanglier, ou enserré par du lierre. Autant de "bruits" qui peuvent parasiter le signal. Pour réduire ce "bruit", nous multiplions le nombre d’arbres étudiés dans des environnements différents, de manière à obtenir des moyennes sur d’immenses zones géographiques". Pour le chêne, les chercheurs travaillent ainsi sur une superficie de 200 000 km2, et une chronologie de 1 200 ans, ce qui leur apporte une connaissance du climat de nos jours à Charlemagne.

Ces études sont très récentes, mais les premiers résultats, publiés en 2005, sont déjà tout à fait remarquables. "Ils mettent en évidence un phénomène ondulatoire, c’est-à-dire des variations cycliques du climat dont on ne connaît pas la périodicité et qu’on ne sait pas encore interpréter, commente le chercheur. Si on arrivait à comprendre ces variations, on serait tout simplement en mesure de prédire le climat ! Mais c’est loin d’être gagné."

À l’Institut Méditerranéen d'Écologie et de Paléoécologie, Frédéric Guibal mène des recherches similaires : "Nous avons la chance de disposer, notamment dans la vallée alpine des Merveilles, de mélèzes âgés d’un millier d’années qui sont de très précieux témoins vivants des variations climatiques et environnementales. En considérant l’épaisseur de leurs cernes et la densité de leur bois, il a été possible de reconstruire les températures estivales sur 1 000 ans. Cela nous a permis de mettre en évidence un "petit âge glaciaire", entre le XVIe siècle et le XIXe : un léger abaissement des températures avec en parallèle une variation de la pluviométrie". Aux États-Unis, où vivent encore, en Californie, des pins de plus de 4 000 ans, les chercheurs ont archivé les climats sur 8 000 ans. Ils disposent, grâce à ces arbres vénérables, d’une chronologie continue extrêmement fiable (les arbres ont nécessairement grandi leur lieu de coupe). Ces chiffres donnent le vertige, mais restent cependant dérisoires à l’échelle climatique où l’on compte le plus souvent en millions d’années.

05.Gérer les forêts de demain

La chênaie de Tronçais dans l’AllierCette photo est prise vers l'étang de Morat, précisément dans la parcelle 234 de la réserve de la célèbre Futaie Colbert qui rassemble encore aujourd'hui certains des plus vieux (350 ans) et des plus célèbres chênes de la forêt de Tronçais comme le chêne de Morat ( 340 ans, 39 mètres de haut).
© Christophe RUE
Les informations qu’apporte la dendrochronologie sur le climat sont couramment utilisées en sylviculture. Comme l’indique Jean-Luc Dupouey, directeur de recherche à l’Institut National de la Recherche Agronomique (INRA) à Nancy, "le nombre et la largeur du cerne, mais aussi sa densité, son contenu chimique (en éléments nutritifs comme en isotopes) sont autant de marqueurs apportant des renseignements utiles pour la gestion des forêts. Ils servent à analyser la croissance des arbres, mesurer leur production de bois, mais aussi, par exemple, à comprendre pourquoi ils dépérissent dans telle ou telle zone."

Par exemple, dans la chênaie de Tronçais, dans l’Allier, au début des années 80, les chênes d’une très grande valeur commençaient à dépérir : alors qu’on a immédiatement accusé les pluies acides, la dendrochronologie a démontré que le principal responsable était la sécheresse de 1976. Elle renseigne aussi sur l’impact de la pollution avec des résultats un peu paradoxaux. En observant la croissance des arbres sur deux siècles, les experts se sont aperçus qu’ils poussaient plus rapidement aujourd’hui. Une conséquence sans doute de l’effet de serre : plus de CO2, plus d’azote et des températures légèrement supérieures leurs permettent de mieux grandir. Il n’y a cependant pas lieu de se réjouir, car si les sécheresses se généralisent du fait de ce même effet de serre, nos forêts sont en danger. "Autre application environnementale : la dendrochronologie permet de savoir de combien de mètres et depuis combien de temps la forêt progresse ou régresse, explique Jean-Luc Dupouey. Dans nos montagnes, où elle regagne du terrain sur les pâturages abandonnés ; mais aussi beaucoup plus au nord de l’Europe, à la limite de la forêt boréale et de la toundra, ce qui permet de suivre de près l’impact du changement climatique."

Si les arbres ne peuvent pas prédire le climat de demain, ils sont déjà capables de nous montrer l’impact que nous avons sur notre environnement. Ce n’est pas le moindre des mérites de la dendrochronologie que de "donner la parole" à ces témoins plusieurs fois centenaires…

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