Cours M2R, Grenoble, 17 Octobre 2008. Les archives climatiques de la Terre F. Parrenin Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'environnement Grenoble
Plan Introduction Les carottes de glace Reconstruction des températures de surface La datation des carottes Les variations du niveau des mers (TD)
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
Cours M2R, Grenoble, 26 Octobre 2007. Les archives glaciaires
Reconstruction des températures Le thermomètre isotopique La composition isotopique des gaz Les températures dans les trous de forage La modélisation Référence : N. Caillon, thèse, 2002.
Les forages en Antarctique 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
Comment forer? Tour de forage 11 m de haut Treuil 4000 m de cable 2 t. Carottier Longueur de passe : 4 m Carottier : 10 m de long Illustration : L. Augustin
Reconstructions quantitatives Glace: H2O H218O Impuretés: Poussières, Sel marin, 10 Be, Aérosols volcaniques HDO Air CO2 CH4 N20 δ δ δ cristaux : tailles, formes, orientation N 40 Ar 18 O 15 + Mesures physiques dans le trou de forage : température, mouvements.
Isotopes stables de l eau Formes principales de la molécule d eau : H216O, H218O, HD16O [ ] [ ] 18 la notation δ : 18 δ O = O 16 O ech 18 O 16 O SMOW 1 *1000 D/HSMOW=155,76 ppm 18 O/16OSMOW=2005,20 ppm
La droite des eaux météoriques Jouzel et al., 1987. Processus affectant la composition isotopique processus dépendant de la masse processus indépendant de la masse Excès en deutérium d = δ D 8 δ 18O
Le thermomètre isotopique Lorius and Merlivat, 1977; Johnsen et al., 1989
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.
Le thermomètre isotopique relation spatiale isotope température =? relation temporelle isotope température LIMITES : Origine des précipitations Saisonnalité des précipitations Différence entre température de surface et température d'inversion
Température dans les trous de forage La température varie en surface Ce signal est «advecté» en profondeur avec la glace Le diffusion rend la méthode imprécise pour les périodes anciennes Dahl-Jensen et al., Nature, 1998.
Température dans la glace Dahl-Jensen et al., Nature, 1998 Optimum Holocène Dernier Maximum Glaciaire optimum médiéval petit âge de glace => le thermomètre isotopique sous-estime l'amplitude des chgts de T.
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)
Isotope des bulles - principe Gaz à composition atm. constante : 15N, 40Ar Leur composition isotopique dépend du fractionnement dans le névé Ts Fractionnement gravitationnel : Fractionnement thermique : Tb
Exercice GRIP DO12 Calculer le ΔT dans le névé : effet gravitationnel supposé constant avec 15N avec 40Ar Pourquoi les deux anomalies sont différentes? En déduire l'effet thermique et l'effet gravitationnel Puis le nouveau ΔT Puis la variation de colonne diffusive
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 O simulé ( ) δ -50 18-40 '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:0.7 8' '6 Kyr:1.' '1 1Ky:0.9 ' '1 4Ky:0.7 6' '1 6Ky:0.6 6' '2 1Ky:0.7 4' '1 75 Ky:0.7' -35-55 G. Hoffmann, comm. pers. -5 0-4 5-4 0-3 5-30 -25-2 0
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.
Températures - conclusions Au Groenland, le thermomètre isotopique valable qualitativement mais sous-estime les variations de T à cause du changement de saisonnalité En Antarctique, le thermomètre isotopique ne semble pas affecté par le chgt de saisons doit être confirmé avec des approches alternatives (temp. dans les trous de forage)
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 h h Th δ D Fonte et glissement Socle rocheux 1 dz ' Accu z ' Th z ' Accu et TS à partir de δ D Amincissement à partir d'un modèle d'écoulement age à partir d'un modèle de densif. du névé
Exercice âge à un dôme S z B Calculer l'âge au dôme en fonction de z, sachant que l'amincissement varie linéairement entre 0 et 1. En déduire l'âge à 30 m du socle pour une épaisseur de 3000 m et une accumulation de 3 cm/an.
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 au-delà (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 On utilise un enregistrement non climatique Signature des cendres volcaniques (N-N et S-S) Fréquence des horizons volcaniques (N-N et S-S) 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.
La datation des archives glaciaires Plusieurs méthodes Certaines précises pour l'âge absolu, D'autres pour la synchronisation, D'autres pour la durée des événements, => méthode statistique pour combiner ces différentes sources d'information
Reconstitution du niveau des mers