Pliocene Global Warming

Traduction en final
Pliocene Global Warming
A Warm Time in the Past
The Pliocene epoch covers the period from approximately 5 to 1.8 million years ago and, as such,
spanned the period of time during which the Earth transitioned from relatively warm climates to the
generally cooler climates of the Pleistocene. This transition included the emergence of the direct
ancestors of humankind and contains the beginnings of cyclic Northern Hemisphere glaciation. The
Pliocene epoch itself contains episodic
climate fluctuations prior to the late
Pliocene cooling, and our focus for study
is a warm period in the middle Pliocene
between 3.15 and 2.85 million years
before present.
This middle Pliocene warming is,
potentially, an analog of the future that
may provide a means of gaining insight
into the effects of global warming.
Additionally, unlike many more ancient
periods, which were also warmer than the
present; the paleogeography of the
Pliocene is similar to the present, many of
the Pliocene plant and animal species are Fig. 1: Pliocene sea surface temperatures. Differences
from modern values values for two selected months.
similar to those that remain today, and
Units are °C.
large numbers of ocean and land-based
cores contain well-dated Pliocene
sediments that are available for
interpretation and mapping.
In our simulations of the middle Pliocene
climate we use the GISS GCM and data
generated and/or compiled by the PRISM
(Pliocene Research, Interpretation, and
Synoptic Mapping) project, part of the
U.S. Geological Survey's Global Change
Research Program. PRISM focuses on
documenting climates of the middle to
late Pliocene, with a primary goal of
providing the climate modeling
community with improved quantitative
global paleoenvironmental information.
Fig. 2: Pliocene and modern vegetation global albedo
distribution. (Click on Fig. VLS
1 or 2www.vivelascience.com
to see a larger version
of the figure.)
Our Pliocene modeling, in turn, helps test the consistency of different sets of paleo observations,
each of which has its own uncertainties.
GCM Simulations of the Middle Pliocene
Estimates of sea surface temperatures (SSTs), based on microfossils from deep ocean cores reveal a
warm phase in the Pliocene between about 3.15 and 2.85 million years ago. Pollen records from
land-based cores, although not as well-dated, also show evidence for a warmer climate at about this
same time and further indicate that continental moisture levels were quite different from today.
What caused the climate to be warmer is not known with certainty, but increased levels of
greenhouse gases have been suggested (see below). Also, previous sensitivity experiments using the
GISS GCM imply that warmer climates, such as those of the Pliocene, can be simulated with
increased ocean heat transport. Recent evidence from North Atlantic deep sea records indicates that
the oceans may very well have played a major role in the warming seen in the Pliocene.
As a test of this hypothesis we applied Pliocene SSTs, together with an estimate of the terrestrial
vegetation cover, as boundary conditions in a GISS GCM simulation (see figures 1 and 2). The
GCM provides the method for investigating the atmospheric processes that might have maintained
the warmer Pliocene climate while consistency between independent palynological estimates of
climate and the simulation results help verify the GCM's sensitivity to altered conditions.
In our experiments we have found both consistencies and inconsistencies between model and datagenerated paleoclimate estimates. Temperature estimates show the greatest consistency, with both
model and data indicating significantly warmer temperatures at high latitudes and diminished
warming nearer to the equator (figure 3). The continental temperatures agree well with estimates
from palynological studies, especially in the circum-North Atlantic region. This is not unexpected
since that region is strongly influenced by the dramatically warmer North Atlantic SSTs. The GCM
also yields temperature increases up to 10°C along the Arctic coasts and shows greatest warming in
the winter. Although the original temperature increase is driven by warmer SSTs, much of the
continental interior warming is generated by an ice-albedo feedback, as reduced snow cover in the
warmer climate reflects less solar radiation away from the surface during winter months (see figure
4). Further warming at high latitudes comes from the increased levels of atmospheric water vapor (a
greenhouse gas) which results from the warm, ice-free ocean conditions.
Despite the generally warmer climatic conditions, some areas show overall cooling. Notably, East
Africa cools by 2 to 3°C due to increased low-level cloud cover, which reflects large amounts of
incoming solar radiation back to space. Very few paleo observations are available for some remote
parts of Africa, but our simulation is consistent with the single palynological record that exists for
that region.
Fig. 3: Change in Northern Hemisphere surface air temperatures. Results
of a Pliocene simulation minus a current climate "control" simulation.
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Units are °C.
Estimates of hydrological values such as precipitation, soil moisture, and surface runoff show far
less consistency between the simulation and data than do temperatures. This is not really a
surprising result given that hydrologic processes are notoriously difficult to simulate using coarsegrid numerical models while terrestrial environments (what the data report) are usually quite
heterogeneous.
The most common discrepancy seems to
be an underestimation by the model of
wetter conditions, as interpreted from
pollen records, throughout the Northern
Hemisphere. For example, the model
predicts lower effective moisture
(precipitation minus evaporation) in
western North America, but geologic
records indicate wetter conditions during
the Pliocene. The root of the difference
seems to lie in the northern summer
season, where the model's ground
hydrology responds to the warmer ground
temperatures by drying out. Adding to the
Fig. 4: Feedback mechanisms in the Pliocene Northern
problem, the somewhat diminished
Hemisphere. All values are the zonally averaged
intensity of the atmospheric circulation (a
difference between the Pliocene and current climate
result of reduced latitudinal [i.e. equatorcontrol simulation.
to-pole] temperature gradients) decreases
the ability of the atmosphere to carry
moisture evaporated from the ocean
surface over the continents, where it could
rain out and replenish the soil.
In the Arctic, Pliocene forests dominated where tundra exists today. In altering the specified
vegetation cover to match this change, wetter soil moisture condtions were also assigned.
Throughout the simulation, Pliocene Arctic soils remained wetter than the present day, fed by
increased rainfall originating over the warmer Arctic ocean. The results indicate, at least, that these
specified wet conditions are in equilibrium with the simulated climate.
Pliocene Global Warming: Page 3 of 4
What Caused the Middle Pliocene Warming?
Sea surface temperature patterns such as of the Pliocene (e.g., large warming at mid and high
latitudes with stable tropical temperatures) are inconsistent with the warming caused by increased
CO2 as we understand it from GCM doubled-CO2 experiments. Well-mixed greenhouse gases tend
to warm the tropics substantially as water vapor evaporated from tropical and subtropical oceans
provides a positive feedback to the low latitude warming. However, it is possible that some
combination of CO2 increase and ocean heat transport change may have resulted in the warmer
Pliocene surface temperatures since altered ocean circulation could increase the divergence of heat
from the tropics.
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Our simulations of the Pliocene climate
used near-modern levels of atmospheric
carbon dioxide (315 ppm) but required a
nearly 30% change in the implied
meridional ocean heat transports to
maintain Pliocene conditions. This
additional heat transport implies
substantial changes in the ocean's
thermohaline circulation, wind-driven
circulation, or both. Evidence of such
thermohaline circulation changes comes
from carbon isotopic data from deep-sea
microfossils, which show that the strength
of North Atlantic deep water production
was increased during the middle Pliocene. Fig. 5: Poleward ocean heat transport in the Northern
Wind-driven changes, however, are not yet Hemisphere.
supported by the wind velocities indicated
by model simulations or by geologic
evidence.
We also conducted several Pliocene simulations with varying levels of increased atmospheric
carbon dioxide. Simulated surface energy fluxes were collected from those simulations and were
used to calculate the ocean heat convergence/divergence at each grid cell. From the convergences
we calculated the implied ocean heat transports which would have been necessary to maintain the
specified SST distribution; in this case the SSTs are those derived from Pliocene paleo observations.
Figure 5 shows the poleward heat transports from this series of Pliocene experiments. The plot
reveals that CO2 levels must be four times current values, and perhaps higher, before ocean heat
transports could be reduced to modern levels. At lower levels of atmospheric CO2 the ocean heat
transports must remain higher than modern in order to maintain anything close to the observed
Pliocene SSTs.
Estimates based on carbon isotope measurements (Raymo and others, 1992; 1996) indicate that
Pliocene atmospheric CO2 levels were, at most, 100 ppm greater than today. Moreover, if we
compare Pliocene and modern ocean heat transport distributions (Figure 5) we find that a poleward
shift in the peak ocean heat convergence would have been necessary to balance the Pliocene SSTs
regardless of the CO2 level. Thus, neither simulation results or data support the conclusion that
Pliocene warming was caused entirely by a large increase in atmospheric CO2 content. We cannot
rule out, however, that some combination of the altered CO2 and altered ocean heat transport caused
the warmer climate of the middle Pliocene.
Final Comments
Simulating past warm climates and identifying model/data contrasts for periods such as the Pliocene
provide a test of the sensitivity of our primary tool for study future climate change: global climate
models. At present, our results do not support the suggestion that Pliocene warming was caused by
carbon dioxide increase since such changes are not consistent with the SST distributions derived
from deep sea cores. There is evidence that changes in ocean circulation and the amount of heat
oceans transport may be one potential cause of the warming.
Still, investigators have found evidence that minor increases in CO2 (up to 380 ppm) did occur in
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the Pliocene. This causes us to wonder whether it is possible that an, climate feedback, as of yet
unknown, associated with small increases in CO2, could lead to the larger changes seen in the ocean
circulation? Certainly the evidence for higher levels of CO2 and stronger thermohaline circulation
challenges recent results from coupled ocean- atmosphere models, which suggest that thermohaline
circulation weakens as global temperature rises. Perhaps the Pliocene warming is uncharacteristic of
next century's expected warming, perhaps the causes are different but the effects will be similar, and
perhaps the Pliocene is a warning that unkown factors still exist that could exacerbate or mitigate
the CO2 increase and global warming.
Successful comparisons, while increasing our confidence in the basic approach, probably occur
coincidentally in some cases and such errors would be difficult to identify. Nevertheless,
mismatches between data interpretations and model results offer undeniable evidence that either the
model, data, or both are innacurrate for a specific region and climate variable. Understanding this
allows us to focus resources and efforts on areas that are likely to afford the most gain. Moreover,
subsequent iterations, based on new treatments of the data or GCM, test the veracity of previous
conclusions.
The GISS Pliocene GCM simulation and the PRISM reconstructions are a first step in the interative
process of data collection and analysis, model experimentation and analysis, and data/model
comparison; the gridded, boundary condition data sets are continuously being refined, updated, and
extended into areas with scarce data. Additional modeling and sensitivity experiments involving
new data sets and updated GCM versions will soon begin. Close cooperation between modeling and
data groups can achieve an overall better understanding of global climate models, data, data
collection and simulation strategies, and the climate changes our society and planet could face
relatively soon.
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LE PLIOCENE
Une Terre beaucoup plus chaude que de nos jours
L'époque du Pliocène couvre la période allant approximativement de 5 à 1,8 millions d'années et,
comme telle, s'est étalée sur une période de temps pendant laquelle la Terre est passée d'un climat
relativement chaud au climat généralement plus froid du Pléistocène.
Cette transition inclut l'apparition des ancêtres directs de l'humanité et correspond au début des
glaciations cycliques de l'hémisphère Nord. Le pliocène lui-même montre des fluctuations
climatiques épisodiques avant le refroidissement de la fin du Pliocène, et notre objectif pour l'étude
est une période chaude au milieu du Pliocène entre 3,15 et 2,85 millions d'années avant notre
époque.
Ce réchauffement au milieu du Pliocène
est, potentiellement, un analogue qui
pourrait donner un aperçu des effets du
réchauffement climatique à venir.
En outre, contrairement à de nombreuses
périodes plus anciennes, qui ont
également été plus chaudes que le présent,
la paléogéographie du Pliocène est
similaire à l'actuelle, nombre de plantes
du Pliocène , d'espèces animales sont
semblables à celles qui restent
aujourd'hui, et un grand nombre des
carottes prélevées dans les sédiments des
océans et des terres peuvent être bien
datées et permettent une interprétation de Fig. 1 Pliocène: températures de la mer en surface.
Différences par rapport aux valeurs modernes, pour
la cartographie.
deux mois sélectionnés. Unités ° C.
Dans nos simulations du climat du
milieu du Pliocène, nous utilisons le
modélisateur GISS GCM et les données
sont générées et / ou compilés par le
PRISM (Générateur cartographique) , un
outil de l'US Geological Survey 's Global
Change Research Program. PRISM
s'intéresse spécifiquement au climat du
milieu à la fin du Pliocène, avec comme
objectif principal de fournir des données
quantitatives simulées à la communauté
mondiale pour la description des
paléoenvironnements.
Notre modélisation du Pliocène, à son
tour, contribue à tester la cohérence des
différentes séries d'observations
paléontologiques, dont chacune a ses
propres incertitudes.
Fig. 2: albedo dû à la végétation au Pliocène et
aujourd'hui ,
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Simulations du Pliocène moyen
Les estimations des températures de surface de la mer (SST), basée sur les microfossiles à partir des
carottes océaniques révèlent une phase chaude au Pliocène entre environ 3,15 et 2,85 millions
d'années.
Du pollen contenu dans les carottes d'origine tellurique , bien que pas aussi bien daté, montre aussi
des preuves d'un climat plus chaud à cette période et indique en outre que les niveaux d'humidité du
continent étaient tout à fait différente d'aujourd'hui.
Ce qui a causé le climat plus chaud n'est pas connue avec certitude, mais des niveaux accrus de gaz
à effet de serre ont été proposés (voir ci-dessous). De même, des expériences précédentes en
utilisant le MCG GISS ont montré que les climats plus chauds, tels que ceux du Pliocène, peuvent
être simulé à partir de l'augmentation des transports océaniques de chaleur.
Des données récentes provenant de prélèvements en eau profonde de l'Atlantique Nord indique que
les océans paraissent avoir joué un rôle majeur dans le réchauffement au cours du Pliocène.
Pour tester cette hypothèse, nous avons utilisé la température de surface des mers au Pliocène, avec
une estimation de la couverture végétale terrestre, comme conditions aux limites dans une
simulation du MCG GISS (voir figures 1 et 2). Le MCG fournit la méthode pour étudier les
processus atmosphériques qui pourraient avoir maintenu le climat plus chaud au Pliocène tout en
restant en cohérence avec les estimations indépendantes de palynologie et les résultats de simulation
permettront de vérifier la sensibilité de la GCM au cours de la modification des paramètres.
Au cours de nos essais, nous avons identifié des accords et des incohérences entre le modèle et les
données générées par les estimations paléoclimatiques.
Les estimations de la température montrent la plus grande cohérence, avec les modèles et les
données indiquant des températures beaucoup plus douces à des latitudes élevées et un
réchauffement plus faible près de l'équateur (figure 3). Les températures continentales sont en bon
accord avec les estimations d'études palynologiques, en particulier dans les régions autour
l'Atlantique Nord. Ce n'est pas étonnant vu que la région est fortement influencée par le
réchauffement spectaculaire de l'océan dans l'Atlantique Nord . Le MCG donne également des
hausses de température jusqu'à 10 ° C le long des côtes de l'Arctique et montre le plus fort
réchauffement en hiver. Bien que l'augmentation de la température initiale soit entraînée par
l'océan, une grande partie du réchauffement à l'intérieur du continent est générée par une rétroaction
de l'albédo de la glace, la couverture de neige plus réduite dans un climat plus chaud reflète moins
le rayonnement solaire de la surface pendant les mois d'hiver (voir figure 4) donc l' albedo diminue.
Alors que le réchauffement aux hautes latitudes vient de l'augmentation des niveaux de vapeur
d'eau atmosphérique (un gaz à effet de serre) qui résulte de la plus grande chaleur des eaux libres
dans les zones glacées.
Malgré les conditions climatiques généralement plus chaudes, certains zones montrent un
refroidissement. Notamment, l'Afrique se refroidit de 2 à 3 ° C en raison de l'augmentation du
couvert nuageux à basse altitude, ce qui renvoie une grande quantité du rayonnement solaire
incident vers l'espace. Il existe très peu d'études paléontologiques sur certaines régions reculées
d'Afrique, mais notre simulation est cohérente avec le dossier palynologiques unique qui existe pour
cette région.
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Fig. Fig. 3: Anomalies des températures de surface. Les unités sont ° C.
Les estimations des valeurs hydrologiques telles que les précipitations, l'humidité du sol et le
ruissellement de surface montrent beaucoup moins de cohérence entre la simulation et les données
que ne le font les températures. Ce n'est pas vraiment un résultat surprenant étant donné que les
processus hydrologiques sont notoirement difficiles à simuler en utilisant des modèles à grandes
grilles numériques tandis que les milieux terrestres (ce qu'indiquent les données) sont généralement
très hétérogènes.
L'anomalie la plus visible semble être une
sous-estimation par le modèle des
conditions plus humides, telle qu'elle est
interprétée à partir des analyses du pollen,
dans tout l'hémisphère Nord. Par
exemple, le modèle prévoit une
diminution de l'humidité résiduelle
(précipitations moins évaporation) en
Amérique du Nord occidentale, mais les
enregistrements géologiques indiquent des
conditions humides durant le Pliocène.
L'explication de la différence semble
résider dans la saison d'été de
l'hémisphère Nord, où l'hydrologie du sol
Fig. 4: Les mécanismes de rétroaction dans
modélisée répond à l'augmentation de
température du sol par un assèchement. l'hémisphère Nord au Pliocène. Les valeurs représentent
S'ajoute à ce problème, l'intensité quelque les anomalies entre la simulation au Pliocène et le climat
actuel de contrôle.
peu diminuée de la circulation
atmosphérique (un résultat de la réduction
du gradient thermique entre pôle et
équateur) ce qui diminue la capacité de
l'atmosphère à se charger d'humidité provenant de la surface de l'océan pour la déverser ensuite sur
les continents et ainsi humidifier la terre.
Dans l'Arctique, la forêt dominait au Pliocène là où la toundra existe aujourd'hui. Dans la
modification de la végétation spécifiée pour correspondre à ce changement, des conditions plus
humides du sol sont également nécessaires. Tout au long de la simulation, les sols au Pliocène dans
l'Arctique sont restés plus humides que de nos jours, alimentés par l'augmentation des précipitations
en provenance de l'océan Arctique plus chaud. Les résultats indiquent, au moins, que ces
conditions spécifiques d'humidité des sols sont en corrélation avec le climat simulé.
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Quelle est la cause du réchauffement climatique du Pliocène Moyen ?
Les scénarios relatifs à l'augmentation de température de l'océan au pliocène (par exemple, de
grandes réchauffement aux latitudes moyennes et arctiques avec des températures stables tropicales)
sont incompatibles avec le réchauffement provoqué par l'augmentation du CO 2 comme résultat
simulé du doublement de la teneur en CO 2. Le mélange des gaz à effet de serre a tendance à
réchauffer les tropiques ce qui augmente sensiblement la vapeur d'eau évaporée des océans
tropicaux et subtropicaux fournissant une rétroaction positive au réchauffement des basses latitudes.
Toutefois, il est possible qu'une combinaison de l'augmentation du CO 2 et des changements dans
le transport de chaleur océanique puissent donner lieu à des températures de surface plus chaudes
depuis le Pliocène ; la modification de la circulation océanique pourrait augmenter la divergence de
la chaleur des tropiques.
Nos simulations du climat du Pliocène
utilisent des niveaux quasi-moderne de
dioxyde de carbone atmosphérique (315
ppm), mais nécessitent un changement de
près de 30% dans la chaleur transportée par
l'océan méridional pour maintenir les
conditions du Pliocène. Ce transport de
chaleur supplémentaire implique des
changements substantiels dans la
circulation thermohaline de l'océan, ou
dans le régime des vents agissant sur la
circulation, ou dans les deux.
Une preuve de ce changement de la
circulation thermohaline provient de
Fig. 5: vers le pôle transport de chaleur océanique dans
données isotopiques des microfossiles
l'hémisphère Nord.
d'eau profonde, qui montrent que le
courant d'eau profonde dans l'Atlantique
Nord a été augmenté au cours du Pliocène
moyen.
Cependant les changements dus aux vents ne sont pas encore corrélés par les vitesses du vent
obtenues par les simulations ou par les preuves géologiques.
Nous avons également réalisé plusieurs simulations du Pliocène avec différents niveaux de dioxyde
de carbone dans l'atmosphère .
On a pu simuler les flux de surface en énergie qui a permis de calculer la chaleur de l'océan pour
chaque cellule de la grille. Pour les modèles convergents, nous avons calculé le transport de
chaleur de l'océan qui aurait été nécessaire pour maintenir la distribution spécifiée de la SST, dans
ce cas la SST provient d'observations paléontologiques du Pliocène.
La figure 5 montre la chaleur transportée vers le pôle dans cette série d'expériences Pliocène.
L'élément majeur révèle que le niveau de CO 2 doit être quatre fois plus grand que la valeur
actuelle, et peut-être plus, avant que le transport de chaleur de l'océan puisse être réduit à un niveau
moderne. A des niveaux plus faibles en CO 2, le transport de chaleur océanique doit rester supérieur
au moderne afin de maintenir la SST observée au Pliocène.
Les estimations fondées sur des mesures des isotopes du carbone (Raymo et autres, 1992; 1996)
indiquent que l'atmosphère du Pliocène contient un niveau de CO 2 au plus, supérieure à 100 ppm
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par rapport à aujourd'hui. Au demeurant , si l'on compare au Pliocène la distribution de chaleur et
les transports océaniques (figure 5), nous constatons que le passage vers les pôles nécessite un pic
de chaleur pour équilibrer la SST du Pliocène quel que soit le niveau de CO 2. . Ainsi, ni les
résultats des simulations , ni les données appuient la conclusion que le réchauffement du Pliocène a
été causé uniquement par une forte augmentation de CO 2 atmosphérique. Nous ne pouvons pas
exclure, toutefois, que certaines combinaisons entre la modification de CO 2 et le transport
maritime de chaleur aient pu causer le réchauffement du climat du Pliocène moyen.
Conclusion
La simulation des climats chauds du passé et la possibilité d'identifier les divergences modèles /
données pour les périodes du Pliocène fournir un test de la sensibilité de notre principal outil pour
étudier les changements climatiques à venir: les modèles climatiques mondiaux.
À l'heure actuelle, nos résultats ne soutiennent pas l'idée que le réchauffement du Pliocène a été
causé par l'augmentation du dioxyde de carbone, car de tels changements ne sont pas compatibles
avec les distributions de la SST provenant de carottes de mer profonde. Il est prouvé que les
changements dans la circulation océanique et la quantité de transport de la chaleur des océans
puissent être une des causes potentielles du réchauffement.
Pourtant, les chercheurs ont trouvé des preuves que des augmentations mineures de CO 2 (jusqu'à
380 ppm) se produisent au cours du Pliocène. Cela amène à se demander s'il est possible qu'une
rétroaction climatique, pour l'instant inconnue, associée à de faibles augmentations de CO 2, puisse
conduire à d'importants changements dans la circulation océanique? Certes, la preuve de niveaux
plus élevés de CO 2 en relation avec une plus forte la circulation thermohaline contredit le récents
résultats de modèles couplés océan-atmosphère, qui suggèrent que la circulation thermohaline
s'affaiblit avec l'augmentation des températures mondiales.
Peut-être le réchauffement du Pliocène n'est pas caractéristique du réchauffement attendu pour le
prochain siècle, peut-être les causes sont différentes mais les effets seront semblables, et peut-être le
Pliocène est un avertissement que des facteurs inconnus existent encore qui pourrait aggraver ou
atténuer les émissions de CO 2 et le réchauffement planétaire. Les comparaisons qui corrèlent, tout
en augmentant notre confiance dans l'approche de base, peuvent probablement se produire par
coïncidence, dans certains cas, et de telles erreurs seraient difficiles à identifier. Néanmoins,
l'inadéquation entre les interprétations des données et des résultats du modèle permettent d'affirmer
que soit le modèle, soit les données, soit les deux sont inexacts pour pouvoir simuler une région
spécifique et la variation climatique. Comprendre cela devrait permettre de concentrer les
ressources et les efforts sur les domaines qui sont de nature à permettre le plus de gain en
exactitude. En outre, après les itérations, basées sur de nouveaux traitements de ces données ou
MCG, il conviendra de tester la véracité des conclusions précédentes.
La simulation MCG GISS Pliocène et les reconstructions PRISM sont une première étape dans le
processus interactif de collecte des données et d'analyse, l'expérimentation du modèle et l'analyse, e
la comparaison des résultats des modèles avec les données, la maille, les ensembles de données
relatives aux condition aux limites sont sans cesse affinés, mises à jour et élargies à des zones avec
des données limitées. Une modélisation supplémentaire et des tests de sensibilité concernant les
nouveaux ensembles de données ainsi que mise à jour de versions GCM va bientôt commencer.
Une coopération étroite entre la modélisation et les fournisseurs de données permettra d'atteindre
une meilleure compréhension globale des modèles climatiques , les données, leur collecte, les
stratégies de simulation, devraient permettre une meilleure modélisation du futur de nos sociétés et
de la planète.
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