2014/10/21, 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 ? ● Pour comprendre l'évolution des espèces ● Pour déterminer les ressources du sous-sol ● ... 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. Be, activité solaire et champ magnétique 10 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 18O 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 chaudes 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 : dendrochronologie 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 ● ● ● carottier électromécanique contraintes mécaniques : découper et extraire les copeaux contraintes thermiques : de -50ºC à 0ºC ! ● Tour de forage 11 m de haut ● Treuil : 4000 m de cable, 2t ● Carottier : 10 m de long ● Longueur de passe : 4 m 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 15N 40Ar 18O… + Conductivité de la glace (événements volcaniques) + Mesures physiques dans le trou de forage : température, mouvements. Exemple de découpe physique chimie ` poussières 10cm isotopes de l’eau ` isotope cosmogénique (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