Cours/conférence, Formaterre, Lyon, 25 Octobre 2007. Les climats passés de la Terre à partir des carottes de glace F. Parrenin Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'environnement Grenoble
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
source : IPCC 2007. Les activités humaines modifient La composition de l atmosphère en gaz à effet de serre - Gaz carbonique x1.35 - Méthane x2.30 - 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» 1900-2000 : +15 cm (±5 cm) 1993-2003 : +31 cm/siècle (±7 cm) + permafrost, banquise arctique, glaciers,... source : IPCC, 2007.
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
COURBE DE TEMPERATURE DE LA TERRE AU COURS DES ERES GEOLOGIQUES Luminosité soleil Formation océans Actuel Tectonique Volcans GES Naissance de la Terre
Les forages en Antarctiques DML Berkner Sipple Dome Taylor Dome Talos Dome
Les forages au Groenland NorthGRIP
Dome C coordonnées : 75 06 S 123 20 E altitude : 3 233 mètres température moyenne : -54.8 C température la plus froide : -81.9 C (le 3/09/2007) 1 100 km de la base française Dumont d'urville 1 200 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 1997/1998 : 364m 1998/1999 : 781m 2000/2001 : 1459m Dome C drilling 2001/2002 : 2864m 2002/2003 : 3200m 2004/2005 : 3270m
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 0.9 0 100 20 40 d e p th ( m ) 1 000 60 2 000 80 Y e a r s a fte r th e s n o w fa ll 500 2 600 100 2 900 120 0 0.02 0.04 0.06 0.08 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!
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 [ ] [ ] 18 18 δ O = O 16 O ech 18 O 16 O 1 *1000 SMOW Excès en deutérium d = δ18o 8 δd
Le thermomètre isotopique Lorius and Merlivat, 1977; Johnsen et al., 1989
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
Température dans la glace Dahl-Jensen et al., Nature, 1998.
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 0.6 0.8 1 0 0 10 10 20 20 30 30 40 40 P r o fo n d e u r ( m ) P ro fo n d eu r (m ) zone diffusive 0.4 50 60 Close-Off 70 *15N 80 50 60 70 *40A r 80 90 90 100 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 * 1 5 N o u * 4 0 A r (p e r m il) 1.4 1.6-3 6-3 2-2 8-2 4 T e m p é r a tu r e ( C ) -2 0-1 6 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)
Therm. isotop. - validité au Groenland Le thermomètre isotopique sous-estime les changements de temp. Jouzel, Science, 1999.
modèles de circulation générale de l atmosphère
Stabilité en Antarctique ECHAM4: Spatial Gradients in the Vostok Area (Antarctica) -20-30 -50 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. -60-50 -40 Température simulée ( C) -30
Non stabilité au Groenland ECHAM4: Spatial Gradients in the Summit Area (Greenland) -20-25 -30 'Modern: 0.77' 'PreInd:0.78' '6Kyr:1.' '11Ky:0.9' '14Ky:0.76' '16Ky:0.66' '21Ky:0.74' '175Ky:0.7' -35-55 G. Hoffmann, comm. pers. -50-45 -40-35 -30-25 -20
Non stabilité au Groenland ECHAM4: Seasonal Cycle of T,P, 18 O T [ C] -10 Changement de saisonnalité au Groenland -20-30 -40-50 -60-70 300 P [mm/m] 200 100 18 O [ ] -25-30 -35-40 -45-50 -55 J F M A M J J A S O N D 'Modern' 'PreInd '6Kyr' '11Ky' '14Ky' '16Ky' '21Ky' '175Ky' G. Hoffmann, comm. pers.
Les paramètres orbitaux de la Terre
La théorie astronomique des paléoclimats Confirmée par les carottes de glace données : Petit et al., Nature 1999
La théorie astronomique des paléoclimats Confirmée par les carottes de glace données : Jouzel et al., Science, 2007.
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?
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
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
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
O2/N2, marqueur de l'insolation locale? Kawamura et al., Nature, 2007
Eruptions datées
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)
Comptage des couches annuelles Applicable pour des épaisseurs annuelles > qq cm : Sites à forte accumulation Pas applicable au fond des forages
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 60 000 ans
Les spéléothèmes Kleegrube cave Villars et Soreq
Comparaison aux spéléothèmes Wang et al., 2001 Genty et al., 2003 Spötl et al., 2003 Meese et al., 2003 Petit et al., 1999
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)
Signature des cendres volcaniques Narcisi et al., GRL, 2005
Fréquence des horizons volcaniques Severi et al., CP 2007.
Synchr. Béryllium 10 Raisbeck et al., CP 2007.
Relation climat - GES données : Petit et al., Nature 1999 Bientôt sur 800 000 ans avec le forage EDC...
déphasage CO2 / température retard du CO2 de : 800 ± 600 ans Monnin et al., Science, 2001.
déphasage CO2 / température retard du CO2 de : 800 ± 200 ans le CO2, amplificateur des changements climatiques? Caillon et al., Science, 2003.
GRIP et NorthGRIP Présence d'évts rapides durant le glaciaire Amplitude de température de + de 20 C
Les événements climatiques rapides -35 Température de l'air au Groenland (GRIP) -40-45 8 7 6 5-50 -55-60 31000 32000 33000 34000 35000 36000 37000 Age calendaire (années BP) Variations brutales (qq dizaines d'années seulement) + variations parallèles du CH4. 38000 39000 Johnsen et al. 2001
Les événements climatiques rapides EDML community members, Nature, 2006.
Le modèle de Stommel F=x 1-x 1 0,8 0,6 Σ 0,4 m T1, S1 0,2 T2, S2 y 0-1 0 x 1 2-0,2-0,4 Pôle Équateur -0,6-0,8-1 Présence de plusieurs équilibres stables de la circulation thermohaline
La bascule climatique Nord-Sud Stocker and Johnsen, Paleoceanography, 2003. Bascule de la circulation thermohaline Effet d'inertie au Sud grâce à un réservoir de chaleur
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
The end!