Les paléoclimats

2013/12/03, 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
Évolution climatique depuis 1850
IPCC, 2013.
Les causes du
changement
climatique
IPCC 2013.
Les gaz à effet
de serre
●
CO2 x 1,4
●
CH4 x 2,5
●
N2O x 1,2
IPCC 2013.
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 ?
Les forçages
Le forçage orbital
IPCC, 2007.
●
●
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).
Le forçage orbital
●
Chaque configuration orbitale est unique.
Le forçage solaire
IPCC, 2013.
●
Dépend principalement de l'activité magnétique du soleil
●
A partir des tâches solaires depuis ~1600
●
A partir du béryllium-10 des glaces polaires sinon
Les tâches solaires
Observées par Galilée
depuis le XVIIe, puis par
ses successeurs.
10
Be, activité solaire et champ magnétique
Bard et al., EPSL, 1997.
Raisbeck et al., CP, 2007.
●
La production du 10Be dépend de l'activité solaire et du
champ magnétique.
Le forçage volcanique
IPCC, 2013.
●
●
A partir des horizons volcaniques dans les glaces polaires
Nécessite de distinguer les volcans stratosphériques
(fort impact) des volcans troposphériques (faible impact)
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
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
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).
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)
Synthèse : forçage du dernier millénaire
Be-10 et activité du soleil
sulfate et éruptions volcaniques
CO2 et autres gaz à effet de serre
Le niveau des mers
●
A partir de δ18Obenthique (corrigé des variations de T)
●
A partir de la salinité de la mer rouge
Reconstitution du niveau des mers
Les températures de surface
IPCC, 2013
●
SST : méthode des alkénones sur sédiments océaniques
●
Antarctique : deutérium dans les glaces polaires
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.
Stabilité du thermomètre isotopique
en Antarctique
ECHAM4: Spatial Gradients in the Vostok Area (Antarctica)
-20
-40
δ18O 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)
-70
-60
G. Hoffmann, comm. pers.
-50
-40
-30
L'amplification polaire
IPCC, 2013
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)
Le climat 60-0 Ma
Zachos et al., Science, 2001.
Les périodes à fort CO2 du passé
●
●
●
Actuel :
–
365 PgC depuis 1750AD
–
+0,89°C depuis 1900AD
PETM (Paleocene-Eocene Thermal Maximum) 55.4 Ma BP
–
4500-6800 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
–
+9-14°C
Les périodes chaudes du passé (2)
●
MPWP (Mid-Pliocene Warm Period) 3.3-3.0 Ma BP
–
CO2 : 350-450 ppm
–
C'est la dernière période avec ces niveaux de CO 2
–
+1.9-3.6°C par rapport à 1901-1920AD
Les cycles
glaciaires
●
●
Pilotés par les
chgts orbitaux
Avec le CO2 qui
joue un rôle
d'amplificateur
IPCC, 2013
La théorie astronomique des paléoclimats
Confirmée par les carottes de glace
Petit et al., Nature 1999
Confirmation de la théorie orbitale
deutérium du
forage
glaciaire
EPICA dôme C
moyenne des
sédiments
océaniques
(‘stack’ LR04)
Jouzel et al. 2007
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
3
2 21 K
Le LIG (Last InterGlacial) 129-123 ka
IPCC, 2013
Le LIG (Last InterGlacial) 129-123 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
La dernière déglaciation
Shakun et al.,
nature, 2012
●
Le Sud précède le Nord à cause du phénomène de
bascule bipolaire
La dernière déglaciation (2)
Brook, science,
2013
●
Température Antarctique et CO2 sont en phase.
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
Les régimes de mousson
IPCC,
2013
●
Liés aux cycles de précession (insolation d'été)
Les calottes polaires
IPCC,
2013
Les derniers 2000 ans
IPCC, 2013
Little Ice
Age (LIA)
Medieval Climate
Anomaly (MCA)
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
Les derniers 2000 ans (2)
IPCC, 2013
●
Les modèles sont capables de simuler les principales
variations climatiques.
Les derniers 2000 ans (3)
IPCC, 2013
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)
http://en.wikipedia.org/wiki/Dendroclimatology
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
Les arbres
Effets temporels
peu sensible aux paramètres hivernaux
Effet mémoire (suite à une année difficile)
Datation : dendrochronology
Couverture géographique
pas dans les océans
pas aux pôles
pas dans les zones tropicales (les arbres croissent toute
l'année...)
La température des sols
Diffusion de la chaleur dans les sols
Ex : Huang et al., Nature, 2000
Localisation des archives - IPCC2007
jusqu'en l'an 1750
Instruments
Cernes d'arbres
Temp. sols
Carottes de glace
Autres
Localisation des archives - IPCC2007
jusqu'en l'an 1500
Instruments
Cernes d'arbres
Temp. sols
Carottes de glace
Autres
Localisation des archives - IPCC2007
jusqu'en l'an 1000
Instruments
Cernes d'arbres
Temp. sols
Carottes de glace
Autres
Les mesures directes - HN
Les forages polaires profonds
Les forages profonds en Antarctique
DML
Berkner
Sipple Dome
WAIS
Taylor Dome
Talos Dome
Les forages profonds au Groenland
NEEM
NorthGRIP
Les forages
Andins
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
Les budgets
EPICA : ~50 Meuros
St Valentin, Patagonie : ~0.1 Meuros)
Photo : G.Dargaud
Photo : P. Ginot
Technique de forage
Le carottier profond (1)
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
Le carottier profond (2)
●
●
●
carottier électromécanique
contraintes mécaniques :
découper et extraire les copeaux
contraintes thermiques : de
-50ºC à 0ºC !
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.
Les mesures effectuées
Reconstructions quantitatives
Glace:
H2O
Impuretés:
Poussières,
Sel marin,
10
Be,
Aérosols
volcaniques
…
H218O
HDO
Air
CO2
CH4
Cristaux :
Taille
forme
orientation
N20
δ15N
δ40Ar
δ18O…
+ Conductivité de la glace (événements volcaniques)
+ Mesures physiques dans le trou de forage : température, mouvements.
Exemple de découpe
physique
chimie
`
poussières
isotopes de l’eau
`
10cm
isotope
cosmo-génique
(soleil)
gaz
Le Di-Electrical Profiling (DEP)
Les propriétés physiques
Isotopes de l'eau
Le CO2 (LGGE, Grenoble)
Le CH4 (LGGE, Grenoble)
Extraction des gaz (LSCE, Saclay)
Par fusion regel
Pour le 15N, 40Ar, 18O
L'analyse en flux continu (LGGE)
L'analyse en flux continu (LGGE)
Les gaz - spectrométrie laser (LGGE)
Le Béryllium 10 (CEREGE, Aix)
Avec l'accélérateur ASTER
Spectrométrie laser et subglacior
2m
système de
mesure par
spectroscopie
laser
un système de mesures des isotopes
de l’eau
(Finnigan @ CEREGE)
système embarqué dans un carottier : SubGlacior
Fin