2014/10/21, M2R TUE / Module «Climat et impacts anthropiques» Les paléoclimats. Cours inspiré du chap. 5 du rapport IPCC F.

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1 2014/10/21, M2R TUE / Module «Climat et impacts anthropiques» Les paléoclimats Cours inspiré du chap. 5 du rapport IPCC 2013 F. Parrenin Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'environnement Grenoble

2 Évolution climatique depuis 1850 IPCC, 2013.

3 Les causes du changement climatique IPCC 2013.

4 Les gaz à effet de serre CO2 x 1,4 CH4 x 2,5 N2O x 1,2 IPCC 2013.

5 Pourquoi la paléoclimatologie? Seul moyen d'avoir des «expériences climatiques» observables sur de longues échelles de temps Pour déterminer la variabilité naturelle du climat Quels sont les mécanismes climatiques? Le réchauffement actuel est-il lié à l'homme? Pour tester les modèles sur des conditions différentes de l'actuel Les modèles sont-ils robustes? Pour comprendre l'évolution des espèces Pour déterminer les ressources du sous-sol...

6 Les forçages

7 Le forçage orbital IPCC, Variations dues aux planètes et satellites. Modélisation très précises pour les dernières dizaines de million d'années. Au-delà, le problème devient chaotique. Cf. Laskar et al. (AA, 2004).

8 Le forçage orbital Chaque configuration orbitale est unique.

9 Le forçage solaire IPCC, Dépend principalement de l'activité magnétique du soleil A partir des tâches solaires depuis ~1600 A partir du béryllium-10 des glaces polaires sinon

10 Les tâches solaires Observées par Galilée depuis le XVIIe, puis par ses successeurs.

11 Be, activité solaire et champ magnétique 10 Bard et al., EPSL, Raisbeck et al., CP, La production du 10Be dépend de l'activité solaire et du champ magnétique.

12 Le forçage volcanique IPCC, A partir des horizons volcaniques dans les glaces polaires Nécessite de distinguer les volcans stratosphériques (fort impact) des volcans troposphériques (faible impact)

13 Forçage Volcanique A partir des carottes de glace Incertitudes Biais géographique Étendue de la pénétration atmosphérique Propriétés radiatives des différents aérosols Temps de résidence dans la stratosphère Différentes manières de prendre cela en compte dans les modèles réduction du forçage radiatif global changements géographiques Changement de profondeur optique en aérosols

14 Le CO2 IPCC, 2013 Sols fossiles Densité des stomates dans les feuilles Isotopes du bore dans les foraminifères Méthode des alkénones sur le phytoplancton Nahcolite dans les sédiments lacustres A partir des carottes de glace sur 800 kans

15 CO2, CH4 et N2O sur 800 kans Schilt et al., QSR, 2010 Valeurs et augmentations actuelles sans précédent dans l'enregistrement des carottes (mais effet de diffusion).

16 Les aérosols de poussières minérales IPCC, 2013 Lambert et al., CP, 2012 A partir des sédiments océaniques ou des carottes de glace, effet radiatif direct et indirect (nuages)

17 Synthèse : forçage du dernier millénaire Be-10 et activité du soleil sulfate et éruptions volcaniques CO2 et autres gaz à effet de serre

18 Le niveau des mers A partir de δ18obenthique (corrigé des variations de T) A partir de la salinité de la mer rouge

19 Reconstitution du niveau des mers

20 Les températures de surface IPCC, 2013 SST : méthode des alkénones sur sédiments océaniques Antarctique : deutérium dans les glaces polaires

21 Le thermomètre isotopique Lorius and Merlivat, 1977; Johnsen et al., 1989

22 Explication physique La masse d'air se refroidit à mesure de son trajet vers le pôle Elle perd préférentiellement ses isotopes lourds La régression linéaire s'explique avec un modèle de Rayleigh.

23 Stabilité du thermomètre isotopique en Antarctique ECHAM4: Spatial Gradients in the Vostok Area (Antarctica) O simulé ( ) -30 'Modern: 0.74' 'PreInd:0.69' '6Kyr:0.73' '11Ky:0.74' '14Ky:0.75' '16Ky:0.73' '21Ky:0.65' '175Ky:0.75' -50 Température simulée ( C) G. Hoffmann, comm. pers

24 L'amplification polaire IPCC, 2013

25 L'amplification polaire Rapport ΔT polaire / ΔT global Différentes rétroactions positives Surface de la cryosphère (calottes polaires, glace de mer, sols gelés, neiges saisonnières) Albédo de la cryosphère (carbone suie) Vapeur d'eau et nuages Typiquement de l'ordre de 2 Fort impact sur les calottes polaires et sur le cycle du carbone (sols gelés)

26 Le climat 60-0 Ma Zachos et al., Science, 2001.

27 Les périodes chaudes du passé Actuel : 365 PgC depuis 1750AD +0,89 C depuis 1900AD PETM (Paleocene-Eocene Thermal Maximum) 55.4 Ma BP PgC sur 5-20 kans +4-7 C par rapport à pré-petm EECO (Early Eocene Climate Optimum) 51 Ma BP CO2 ~1000 ppm Pas de calottes, continents et végétation différents C

28 Les périodes chaudes du passé (2) MPWP (Mid-Pliocene Warm Period) Ma BP CO2 : ppm C'est la dernière période avec ces niveaux de CO C par rapport à AD

29 Les cycles glaciaires Pilotés par les chgts orbitaux Avec le CO2 qui joue un rôle d'amplificateur IPCC, 2013

30 La théorie astronomique des paléoclimats Confirmée par les carottes de glace Petit et al., Nature 1999

31 Confirmation de la théorie orbitale deutérium du forage glaciaire EPICA dôme C moyenne des sédiments océaniques ( stack LR04) Jouzel et al. 2007

32 Non-linéarité de la réponse climatique 40 K a a 20 K isotope à EPICA dôme C mécanismes? insolation d été à 65ºN a 40 K a a K K

33 Le LIG (Last InterGlacial) ka IPCC, 2013

34 Le LIG (Last InterGlacial) ka CO2 : pic à 290 ppm Sibérie : +10 C Groenland : +8±4 C à 126 ka BP Antarctique de l'est: +5 C En moyenne : +1-2 C

35 La dernière déglaciation Shakun et al., nature, 2012 Le Sud précède le Nord à cause du phénomène de bascule bipolaire

36 La dernière déglaciation (2) Brook, science, 2013 Température Antarctique et CO2 sont en phase.

37 Comment expliquer +90 ppm de CO2? mesures (EDC) modèle -végétation : -20ppm! -océan : solubilité : +20ppm pompe biologique : +30ppm circulation : +50ppm + contrainte par l isotope 13CO2 Lourantou et al. 2010

38 Les régimes de mousson IPCC, 2013 Liés aux cycles de précession (insolation d'été)

39 Les calottes polaires IPCC, 2013

40 Les derniers 2000 ans IPCC, 2013 Little Ice Age (LIA) Medieval Climate Anomaly (MCA)

41 Les derniers 2000 ans Les derniers 50 ans très probablement les plus chauds des derniers 800 ans dans l'hémisphère Nord Les derniers 30 ans probablement les plus chauds des derniers 2000 ans dans l'hémisphère Nord

42 Les derniers 2000 ans (2) IPCC, 2013 Les modèles sont capables de simuler les principales variations climatiques.

43 Les derniers 2000 ans (3) IPCC, 2013

44 Les arbres Épaisseur des cernes, densité maximum, composition isotopique Bristlecone pine (Pinus longaeva), White Mountains, California. J. Pilcher Cernes d arbre (LTRR, U. of Arizona)

45 Les arbres Facteurs climatiques Température (surtout à haute altitude) Précipitations (surtout à basse altitude) Lumière du soleil; Vent Facteurs non-climatiques âge des arbres (corrigé) sol; compétition entre arbres; différences génétiques; feux; maladies impacts anthropiques; impacts des herbivores

46 Les arbres Effets temporels peu sensible aux paramètres hivernaux Effet mémoire (suite à une année difficile) Datation : dendrochronologie Couverture géographique pas dans les océans pas aux pôles pas dans les zones tropicales (les arbres croissent toute l'année...)

47 La température des sols Diffusion de la chaleur dans les sols Ex : Huang et al., Nature, 2000

48 Localisation des archives - IPCC2007 jusqu'en l'an 1750 Instruments Cernes d'arbres Temp. sols Carottes de glace Autres

49 Localisation des archives - IPCC2007 jusqu'en l'an 1500 Instruments Cernes d'arbres Temp. sols Carottes de glace Autres

50 Localisation des archives - IPCC2007 jusqu'en l'an 1000 Instruments Cernes d'arbres Temp. sols Carottes de glace Autres

51 Les mesures directes - HN

52 Les forages polaires profonds

53 Les forages profonds en Antarctique DML Berkner Sipple Dome WAIS Taylor Dome Talos Dome

54 Les forages profonds au Groenland NEEM NorthGRIP

55 Les forages Andins

56 Dome C coordonnées : S E altitude : mètres température moyenne : C température la plus froide : C (le 3/09/2007) km de la base française Dumont d'urville km de la base italienne Terra Nova Bay

57 Les budgets EPICA : ~50 Meuros St Valentin, Patagonie : ~0.1 Meuros) Photo : G.Dargaud Photo : P. Ginot

58 Technique de forage

59 Le carottier profond carottier électromécanique contraintes mécaniques : découper et extraire les copeaux contraintes thermiques : de -50ºC à 0ºC! Tour de forage 11 m de haut Treuil : 4000 m de cable, 2t Carottier : 10 m de long Longueur de passe : 4 m

60 Le carottier de montagne FELICS Carottier électromécanique Spécialement conçu pour la haute altitude Léger (228 kg) Énergie solaire (ou générateur) Facile à utiliser Cerro Tapado 1999 Carotte: Diamètre = 83 mm Longueur = 95 cm Production: ~140 m en 5 jours Ginot, P., F. Stampfli, D. Stampfli, M. Schwikowski, and H.W. Gäggeler. FELICS, a new ice core drilling system for high-altitude glaciers, 2002.

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68 Les mesures effectuées

69 Reconstructions quantitatives Glace: H2O Impuretés: Poussières, Sel marin, 10 Be, Aérosols volcaniques H218O HDO Air CO2 CH4 Cristaux : Taille forme orientation N20 15N 40Ar 18O + Conductivité de la glace (événements volcaniques) + Mesures physiques dans le trou de forage : température, mouvements.

70 Exemple de découpe physique chimie ` poussières 10cm isotopes de l eau ` isotope cosmogénique (soleil) gaz

71 Le Di-Electrical Profiling (DEP)

72 Les propriétés physiques

73 Isotopes de l'eau

74 Le CO2 (LGGE, Grenoble)

75 Le CH4 (LGGE, Grenoble)

76 Extraction des gaz (LSCE, Saclay) Par fusion regel Pour le 15N, 40Ar, 18O

77 L'analyse en flux continu (LGGE)

78 L'analyse en flux continu (LGGE)

79 Les gaz - spectrométrie laser (LGGE)

80 Le Béryllium 10 (CEREGE, Aix) Avec l'accélérateur ASTER

81 Spectrométrie laser et subglacior 2m système de mesure par spectroscopie laser un système de mesures des isotopes de l eau CEREGE) système embarqué dans un carottier : SubGlacior

82 Fin