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M2R STUE / Cours « Climat et impacts anthropiques »

Le climat du Quaternaire

F. Parrenin

Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'EnvironnementGrenoble

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Les principaux enregistrements

IPCC, 2007, chap. 6

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La synthèse LR04

Lisiecki and Raymo, Paleoceanography, 2005

● Somme de courbes benthiques

● Disponible jusqu'à 5.3 million d'années

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L'Holocène - Intérêt

● De nombreux indicateurs climatiques● Période test pour la comparaison

modèles/données – insolation différente (Milankovitch)– GES environ identiques– aérosols environ identiques– calottes environ identiques

● Paleoclimate Modelling Intercomparison Project (PMIP, www.pmip.cnrs-gif.fr)

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L'Holocène

IPCC, 2007, chap. 6

6

Art rupestre du Sahara

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Sédiments lacustres au Sahara malien (23ºN)

© CNRS Photothèque  N. PetitMaire  1986

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Les zones de mousson plus humides il y a 9000 ans

Ruddiman

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Forçage de Milankovitch : une différence d’insolation saisonnière

Ruddiman

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Les modèles climatiques simulent des moussons plus intenses avec les conditions d’insolation d’il y a 9000 ans

Changements de précipitations (mm/j) pour JJAS à l’Holocène moyen simulés par 18 GCM atmosphériques à SST fixes (PMIP1).

Cane et al., 2006.

11deMenocal et al., 2000

La désertification du Sahara accélérée par les interactions avec l’océan (mousson) et la végétation

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L'Holocène - Conclusions● le forçage orbital permet d’expliquer une bonne

partie des changements hydrologiques (moussons) de la zone tropicale

● l’introduction d’une végétation interactive -plus que du couplage avec la surface océanique- (mécanisme de rétroaction ‘interne’ au climat) permet d’amplifier ces variations orbitales et d’approcher un peu plus les observations, notamment en pérennisant sur l’année les anomalies d’insolation saisonnières

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Les calottes pendant les périodes glaciaires

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15

16

Les calottes au DMGLes calottes de l'hémisphère Nordlors du Dernier Maximum Glaciaire :niveau des mers 120 m plus bas

Les calottes actuellesGroenland

Fennoscandie

Laurentide

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Quelles indications de la présence de calottes passées ?

● Variations du niveau des mers– signal global

● isostasie● Géomorphologie

– Bocks ératiques– Moraines frontale– Moraines de fond

● Modélisation

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Le niveau des mers

IPCC, 2007, chap. 6

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Isostasie sous-glaciaire● Sous le poids de la glace la croûte terrestre

s’enfonce. ● Lorsque la glace se retire, le socle remonte.● Dans les deux cas, il y a un retard dû à la

viscosité de l’asthénosphère● On peut observer ces mouvements grâce à des

enregistrements de niveau des mers relatifs (RSL)

● En inversant un grand nombre de données RSL, on peut estimer le poids des calottes depuis le dernier maximum glaciaire

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La reconstruction ICE 5-G (Peltier)

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Moraines de fond

Régions de Rogen (Suède)

Directions de l'écoulement et forme des moraines de fond

Hatestrand, thèse

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Directions d’écoulement

Calotte Fennoscandie

(Hatestrand thèse)

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Scénario pour l’évolution de la Fennoscandie

Basé sur les données géomorphologiques

(Hattestrand and Kleman)

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Synthèse des données disponibles sur la Fennoscandie : projet Queen

Limites de la Fennoscandie au LGM

Svensen et al. 1999

QUEEN

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Au cours du dernier cycle glaciaire, la position de la Fennoscandie a changé.

D'apres Svendsen et al. 2004

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Représentation de la Fennoscandie il y a 90 000 ans

• Il y a 90 000 ans, la calotte glaciaire formait un barrage pour l’eau fluviale et pour l’eau de fonte ce qui a été à l’origine des grands lacs représentés• Ces lacs avaient sans doute un impact sur le bilan de masse en surface (plus frais l'été) Mangerud et al. 2001 Krinner et al. 2004

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D'un cycle à l'autre l'extension de la Fennoscandie est très différente.

D'apres Svendsen et al. 2004

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Recul de la ligne d’échouage dans la mer de Ross

Bindschadler and Bentley, 2002

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l'Antarctique – 0-420 kans

Ritz et al., JGR, 2001.

30

l'Antarctique – 0-420 kans

Ritz et al., JGR, 2001.

31

Le LGM(Last Glacial Maximum)

en français : DMG(Dernier Maximum Glaciaire)

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Le forçage radiatif au LGM

IPCC, 2007, chap. 6

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LGM – l'expérience PMIP2

IPCC, 2007, chap. 6

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LGM – l'expérience PMIP2

● Bon accord général entre les modèles et les proxy climatiques

IPCC, 2007, chap. 6

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Mécanismes en cause dans la déglaciation

L’insolation suffit-elle ?

Approche en forçant un modèle de calotte (GREMLINS) avec des sorties d’un modèle de circulation générale de l’atmosphère (LMD5)(Charbit et al. 2002)

Interpolation linéaire entre les instantanés climats (21,15,9,6 kyr BP)

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21 kyr BP

15 kyr BP

9 kyr BP

6 kyr BP

Température précipitation

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● La déglaciation modélisée (à droite) est un peu plus lente que celle de Peltier (à gauche) qui est issue de données.

● L’insolation + CO2 + SST expliquent tout de même la déglaciation au premier ordre.

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déphasage CO2 / température

retard du CO2 de :800 ± 600 ans

Monnin et al., Science, 2001.

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déphasage CO2 / température

retard du CO2 de :800 ± 200 ans

Caillon et al., Science, 2003.

le CO2, amplificateur des changements climatiques ?

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Modèles conceptuels

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Relation entre insolation et volume de glace

On suppose que c’est l’insolation d’été vers 60-65° de latitude nord qui est la plus pertinente Plus de continent dans l’Hémisphère nord Les étés « pourris » sont plus efficaces que les hivers

neigeux

Cette courbe d’insolation et l’enregistrement du volume de glace se ressemblent mais sans être identiques

Est-il possible de déduire le volume de glace de l’insolation avec un modèle simple (dit « conceptuel ») ? Exemple avec le modèle d’Imbrie

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Le modèle de Calder (1974)

● Terminaisons correctement reproduites● Trop de précession● Interglaciaire presque tous les 23 kyr

+ seuil

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Vo correspond à l’insolation d’été à 65 nord

Parrenin, thèse (2002)

● Cycle à 100 kans faible (voir MIS11)● Cycle à 400 kans trop fort

Le modèle d'Imbrie et Imbrie

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Le modèle de Paillard (1998)

VR=1 si R=i

VR=0 si R=g ou R=G

● Terminaisons correctement reproduites

● Durée du stade 11 OK● Un peu trop de précession

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Le modèle de Parrenin et Paillard (2003)

● Bonne amplitude des interglaciaires et glaciaires● Cycle inversé à 400 kans● Variations de phase lors des terminaisons : par

exemple, TII précoce et TIII tardive

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Morale des modèles conceptuels

● Relation insolation-climat non linéaire● Suggère la présence de différents modes et

d'effets de seuil● MIS11 très long car minima d'insolation

insuffisant pour déclencher une glaciation● Seuil de déglaciation sur volume de glace et

obliquité permet de reproduire – des amplitudes correctes pour les I et G– des variations de phase lors des terminaisons

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Les changements abrupts

● Définition 1 : Changements de grande ampleur survenant en moins de 30 ans (Clark et al., Nature, 2002)

● Définition 2 : Franchissement de seuil (Rahmstorf, 2001)

● Définition 3 : Réponse rapide par rapport au forçage (Alley et al., Science, 2003)

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Meridional Overturning Circulation

● Aussi appelée : Thermohaline circulation (THC)● Due aux différences de densité (T° et S)● Transporte chaleur et matière (solides, gaz)

Rahmstorf, Nature, 2002.

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Meridional Overturning Circulation● Formation des eaux profondes :

Atlantique Nord (NADW) et mer de Weddell (AABW)

● Refroidissement : échange thermique avec l'atm., évaporation

● Salinisation : évaporation, formation de la glace de mer

● S'écoulent le long des « vallées » océaniques

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Stabilité et seuils de la THC● Modèle simple à deux boîtes

(modèle de Stommel)● Intensité de NADW en fonction

du flux d'eau douce Σ● Pour certaines valeurs de Σ, 2

modes stables, un mode instable

● En fait, la THC met plusieurs siècles à s'équilibrer, donc la solution peut dévier de l'état d'équilibre

m

T1, S

1T

2, S

2

Σ

ÉquateurPôle

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La variabilité millénaire

IPCC, 2007, chap. 6

● a) indicateur de l'étendue Nord de la MOC atlantique

● b) CH4 (carottes de glace)● d) T° au Groenland à partir

de l'isotope● c) et recalibrée avec 15N● e) T° Antarctique● f) poussières Antarctique● g) CO2

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La variabilité millénaire

Température Antarctique

Température Groenland

Poussières

Sur les derniers 120 kans

EPICA community, Nature, 2006

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Les événements de Heinrich

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Une explication glaciologique des Heinrich events ?

Le modèle «Binge-purge» Mac Ayeal 1993 Le Laurentide grossit La température à la base augmente, ainsi que la production d’eau

basale Un seuil est atteint et un écoulement rapide dans la Baie

d’Hudson draine la glace vers l’océan ce qui amincit le Laurentide

Mais n’explique pas toutes les observations

Plus facile à faire avec un modèle schématique qu’avec un modèle complet du Laurentide

Rôle de l’hydrologie ? vidange d’un grand lac qui à l’époque était sous-glaciaire ?

Un effet de suppression d’arc-boutant est-il envisageable ?

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