Rappels sur les archives glaciaires et les reconstructions de niveau

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