Les climats passés de la Terre

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Gauthier Fortier
il y a 6 ans
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1 Cours/conférence, Formaterre, Lyon, 25 Octobre Les climats passés de la Terre à partir des carottes de glace F. Parrenin Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'environnement Grenoble

2 Plan Introduction Le thermomètre isotopique La théorie astronomique La datation de la glace et du gaz Synchronisation des carottes Relation température / GES Les événements rapides des périodes glaciaires

3 source : IPCC Les activités humaines modifient La composition de l atmosphère en gaz à effet de serre - Gaz carbonique x Méthane x Protoxyde d azote x1.18

Évolution climatique depuis 1850 1906-2005 : +0,74 C (±0,18) «11 des 12 dernières années parmi les 12 plus chaudes»

4 Évolution climatique depuis : +0,74 C (±0,18) «11 des 12 dernières années parmi les 12 plus chaudes» : +15 cm (±5 cm) : +31 cm/siècle (±7 cm) + permafrost, banquise arctique, glaciers,... source : IPCC, 2007.

5 Pourquoi la paléoclimatologie? Seul moyen d'avoir des «expériences climatiques» Pour déterminer la variabilité naturelle du climat le réchauffement actuel est-il lié à l'homme? Pour déterminer les mécanismes climatiques Pour tester les modèles sur des conditions différentes de l'actuel

6 COURBE DE TEMPERATURE DE LA TERRE AU COURS DES ERES GEOLOGIQUES Luminosité soleil Formation océans Actuel Tectonique Volcans GES Naissance de la Terre

8 Les forages en Antarctiques DML Berkner Sipple Dome Taylor Dome Talos Dome

9 Les forages au Groenland NorthGRIP

10 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

EPICA: European Project for Ice Coring in Antarctica EDC99 1999/2000 : casing 112m EDC96 1996/1997 : casing 108m

11 EPICA: European Project for Ice Coring in Antarctica EDC /2000 : casing 112m EDC /1997 : casing 108m 1997/1998 : 364m 1998/1999 : 781m 2000/2001 : 1459m Dome C drilling 2001/2002 : 2864m 2002/2003 : 3200m 2004/2005 : 3270m

13 Reconstructions quantitatives Glace: H2O H218O Impuretés: Poussières, Sel marin, 10 Be, Aérosols volcaniques HDO Air CO2 CH4 N20 cristaux : tailles, formes, orientation δ15n δ40ar δ18o + Mesures physiques dans le trou de forage : température, mouvements.

Densification et piégeage des gaz V o s to k fir n D e n s it y 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.

14 Densification et piégeage des gaz V o s to k fir n D e n s it y d e p th ( m ) Y e a r s a fte r th e s n o w fa ll C lo s e d P o r o s it y A ir h y d r a te s M a te r ia l e v o lu tio n Air plus jeune que la glace de 200 à 7000 ans!

15 Isotopes stables de l eau Formes principales de la molécule d eau : H216O, H218O, HD16O Dans l eau de mer : 18 O/16O 2005 ppm et D/H 155 ppm Précision analytique 0.1 ppm [ ] [ ] δ O = O 16 O ech 18 O 16 O 1 *1000 SMOW Excès en deutérium d = δ18o 8 δd

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

17 Le thermomètre isotopique 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 distillation de Rayleigh. relation spatiale isotope température =? relation temporelle isotope température LIMITES : 1- origine des précipitations 2- saisonnalité des précipitations 3- différence entre température de surface et température d inversion

18 Température dans la glace Dahl-Jensen et al., Nature, 1998.

19 Isotope des gaz des bulles - principe F r a c t io n n e m e n t s t h e r m iq u e s e t g r a v ita t io n n e ls à N o r t h - G R I P ( G r o e n la n d ) D e n sité zone convective 0.2 zone non diffusive P r o fo n d e u r ( m ) P ro fo n d eu r (m ) zone diffusive Close-Off 70 *15N *40A r * 1 5 N o u * 4 0 A r (p e r m il) T e m p é r a tu r e ( C ) Enrichissement en molécules lourdes dans les zones froides et au fond du névé Si changement abrupt de température : gradient vertical dans le névé (diffusion de la chaleur lente) et donc signature dans la composition isotopique de l air (δ15n, δ40ar)

20 Therm. isotop. - validité au Groenland Le thermomètre isotopique sous-estime les changements de temp. Jouzel, Science, 1999.

21 modèles de circulation générale de l atmosphère

22 Stabilité en Antarctique ECHAM4: Spatial Gradients in the Vostok Area (Antarctica) δ18o simulé ( ) -40 'Modern: 0.74' 'PreInd:0.69' '6Kyr:0.73' '11Ky:0.74' '14Ky:0.75' '16Ky:0.73' '21Ky:0.65' '175Ky:0.75' -70 G. Hoffmann, comm. pers Température simulée ( C) -30

23 Non stabilité au Groenland ECHAM4: Spatial Gradients in the Summit Area (Greenland) 'Modern: 0.77' 'PreInd:0.78' '6Kyr:1.' '11Ky:0.9' '14Ky:0.76' '16Ky:0.66' '21Ky:0.74' '175Ky:0.7' G. Hoffmann, comm. pers

24 Non stabilité au Groenland ECHAM4: Seasonal Cycle of T,P, 18 O T [ C] -10 Changement de saisonnalité au Groenland P [mm/m] O [ ] J F M A M J J A S O N D 'Modern' 'PreInd '6Kyr' '11Ky' '14Ky' '16Ky' '21Ky' '175Ky' G. Hoffmann, comm. pers.

25 Les paramètres orbitaux de la Terre

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

27 La théorie astronomique des paléoclimats Confirmée par les carottes de glace données : Jouzel et al., Science, 2007.

28 La théorie astronomique des paléoclimats «Les changements climatiques sont gouvernés par des changements d'insolation» Mais le lien est complexe et pas encore complètement compris! Par exemple : origine du cycle à 100 ka?

29 La datation des archives glaciaires Les méthodes radiométriques ne sont pas applicables (14C, U/Th, Ar/Ar...) Comparaison aux paramètres orbitaux Comparaison à d'autres enregistrements datés Approche par modélisation

30 Datation par modélisation z a z = 0 Accu TI TS 1 dz ' Accu z ' Th z ' Accu et TS à partir de δd h h Th δd Fonte et glissement Socle rocheux Amincissement à partir d'un modèle d'écoulement age à partir d'un modèle de densif. du névé

31 Calage orbital Petit et al., Nature, 1999 Applicable sur toute la carotte Mais précis à seulement ± 5 ka Ne permet pas d'étudier insolation / climat

32 O2/N2, marqueur de l'insolation locale? Kawamura et al., Nature, 2007

33 Eruptions datées

34 Eruptions datées Pas de datation directe sur la cendre Datées historiquement pour le dernier millénaire Sur des laves ou cendres volcaniques audelà (méthodes K-Ar et Ar-Ar)

36 Comptage des couches annuelles Applicable pour des épaisseurs annuelles > qq cm : Sites à forte accumulation Pas applicable au fond des forages

37 Comptage des couches annuelles Rasmussen et al., JGR, 2006 Multi-paramètres et multi-opérateurs ±200 ans jusqu'à la dernière déglaciation ±2000 ans jusqu'à ans

38 Les spéléothèmes Kleegrube cave Villars et Soreq

39 Comparaison aux spéléothèmes Wang et al., 2001 Genty et al., 2003 Spötl et al., 2003 Meese et al., 2003 Petit et al., 1999

40 Synchronisation des carottes - glace Enregistrement de température (N-N et S-S) Enregistrement de poussières (N-N et S-S) Signature des cendres volcaniques (N-N et S-S) Fréquence des horizons volcaniques (N-N et SS) Béryllium 10 (N-S) CH4 (N-S) Oxygène 18 des bulles (N-S)

41 Signature des cendres volcaniques Narcisi et al., GRL, 2005

42 Fréquence des horizons volcaniques Severi et al., CP 2007.

43 Synchr. Béryllium 10 Raisbeck et al., CP 2007.

45 Relation climat - GES données : Petit et al., Nature 1999 Bientôt sur ans avec le forage EDC...

46 déphasage CO2 / température retard du CO2 de : 800 ± 600 ans Monnin et al., Science, 2001.

47 déphasage CO2 / température retard du CO2 de : 800 ± 200 ans le CO2, amplificateur des changements climatiques? Caillon et al., Science, 2003.

48 GRIP et NorthGRIP Présence d'évts rapides durant le glaciaire Amplitude de température de + de 20 C

49 Les événements climatiques rapides -35 Température de l'air au Groenland (GRIP) Age calendaire (années BP) Variations brutales (qq dizaines d'années seulement) + variations parallèles du CH Johnsen et al. 2001

50 Les événements climatiques rapides EDML community members, Nature, 2006.

51 Le modèle de Stommel F=x 1-x 1 0,8 0,6 Σ 0,4 m T1, S1 0,2 T2, S2 y x 1 2-0,2-0,4 Pôle Équateur -0,6-0,8-1 Présence de plusieurs équilibres stables de la circulation thermohaline

52 La bascule climatique Nord-Sud Stocker and Johnsen, Paleoceanography, Bascule de la circulation thermohaline Effet d'inertie au Sud grâce à un réservoir de chaleur

53 Perspectives Forage à NEEM (Groenland) enregistrement du précédent interglaciaire dernière période plus chaude que l'actuel Forage à Dome A (sommet de la calotte Antarctique) enregistrement de + de 1,2 Ma avant les cycles à 100 ka

54 The end!

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