relations volcanisme et climat à échelles de...

relations volcanisme et climat à différentes échelles de tempséchelles de temps

LE HIR Guillaume, maître de conférencesUniversité Paris 7 IPGPUniversité Paris 7 – IPGPéquipe de paléomagnétisme

Partie I : comprendre les effets potentiels d’une éruption volcanique contemporaine q p

(Pinatubo, 1991)

P i II l ff d’ é i d d’i i i é l iPartie II : les effets d’une période d’intense activité volcanique à l’échelle des temps géologiques

(Trapps du Deccan 65Ma)(Trapps du Deccan, 65Ma)

Partie III : l’importance du volcanisme aux très longuesp géchelles de temps

(le cas du Phanérozoïque, 542-0Ma)

Conclusion

Partie I : comprendre les effets potentiels d’une éruption volcanique contemporaine

(Pinatubo, 1991)

unités de temps considérées : du jour à l’année

Une éruption volcanique : un événement brutal aux conséquences prolongées

En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie

(Embleton and Williams, 1986)

Source : J Besse

Hémisphère Nord proche équateur (15.1°N; 120.4°E)

Source : J. Besse

Éruption du Pinatubo, 12‐16 Juin 1991Paroxisme 15 Juin 1991P h j ’à 40k d’ ltit d

Conséquence sur les températures 18mois plus tard : ∆T ‐ 0 4°C en moyenne globalePanache jusqu’à 40km d’altitude ∆T 0.4 C en moyenne globale

‐ 0.5 à 0.6°C dans l’hémisphère Nord

Comment une éruption brêve peut‐elle avoir des conséquences si longtemps après ?


Image satellite traçant le trajet du nuagede particules fines (par la chaleur)


Source : J BesseSource : J. Besse

Problème : rapide disparition des particules fines (~ qq jours)

Impossible d’expliquer la baisse de température sur plus d’une année !

Comment une éruption brêve peut‐elle avoir des conséquences si longtemps après ?

En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie Le 16 Juin (mesure satellite TOMS) : présence d’un “nuage” de SO2 dans la

stratospherestratosphere~ 20 (±6) Mt (1 Mt = 109 kg)

(30% d’erreur)


Source : J Besse

En 30 jours 50% du SO2(g) disparait(Winker and Osborn, 1992)

A è 6 i 0% d SO d l Source : J. BesseAprès 6 mois 0% de SO2(g) dans la stratosphère

Read et al. 1993

M C i k l 1992En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie

Mc Cormick et al. 1992



l’épaisseur optique augmente après l’éruption. 18 mois après l’éruption, l’épaisseur optique toujours anormaleComposition : aérosols sulfatés (< 1µm)

En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie SAGE II (Stratospheric Aerosol and Gas Experiment II) mis en orbite en 1984 pour étudier le bilan radiatif de la Terreétudier le bilan radiatif de la Terre

Méthode : Passage du satellite derrière la Terre / SoleilPrincipe : durant “le couché de soleil” si l’objet occultant possède une atmosphère


Principe : durant le couché de soleil si l objet occultant possède une atmosphère, la diminution du signal est progressive (variable selon la λ et l’altitude)


Épaisseur optique avant l’éruption Un mois après l’éruption

Que se passe t‐il dans la stratosphère ?


Ob ti P

phase d’oxydation (au contact des OH) En 30 jours 50% du SO2(g) disparait

Observations Processus

SO2 devient de l’acide sulfurique:

oxydation : SO2(g) → H2SO4(g)

j 2(g) p(Winker and Osborn, 1992)

Après 6 mois 0% de SO2(g) dans la stratosphère


phase d’hydratation (condensation deA iti d’ d’ é l i

Source : J Besse

phase d hydratation (condensation de l’acide sulfurique avec H2Ovap)

H2SO4( )→ S‐aerosols

Apparition d’un nuage d’aérosols qui augmente et perdure plusieurs mois après l’éruption

Source : J. BesseH2SO4(g) → S aerosols

Pourquoi la présence d’aérosols a un tel effet ?

En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie Fenètre spectrale: faible absorption

et/ouet/oudiffraction

‐ une part importantedu rayonnementsoleil


du rayonnementsolaire atteint la

surface de la Terre (75%)

soleil

Source : J Besse

‐ UV sont trèslargement absorbés

Source : J. Besse

En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie Pinatubo

soleil


soleil

Source : J BesseRéduction de la transmission solaire

Source : J. Besse


S0 / 4Ta4S0 α /4 σTa4

sommet atm

σTa4

σTs4

(Embleton and Williams, 1986)S0 (1‐ α )/4

surface

Source : J Besse

Cas idéal : on suppose l’atmosphère : ‐ transparente au rayonnement visible

Source : J. Besse‐ totalement opaque au rayonnement infrarouge

ES T 4 T 4ES = σTs4 ‐ σTa4


S0 / 4Ta4S0 α /4 σTa4

sommet atm

σTa4

σTs4Absorption dans le visible

(Embleton and Williams, 1986)S0 (1‐ α )/4

surface

Source : J Besse

(1) L’énergie à la surface de la Terre diminuant, la Ts baisseSource : J. Besse

(2) Le flux d’IR émis par la Terre diminue

Pourquoi les autres gaz ont‐ils si peu d’effets ?

En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie Kilauea (Hawai – point chaud)

. Erta’Ale (Ethiopie – limite de 3 plaques‐ rift). .Momotombo (Nicaragua –subduction)

Volcans Kilauea Erta` Ale Momotombo


Temperature 1170°C 1130°C 820°C

H20vap 37.1 77.2 94.0

C02 48.9 11.3 1.44

Source : J Besse

C02 48.9 11.3 1.44

S02 11.8 8.34 0.50

H2 0.49 1.39 0.70 Source : J. Besse

CO 1.51 0.44 0.01

H2S 0.04 0.68 0.23

HCl 0 08 0 42 2 89exemples de gaz volcaniques émis (en %) HCl 0.08 0.42 2.89

HF ‐‐‐ ‐‐‐ 0.26

émis (en %)(Symonds et. al., 1994)

Pourquoi les autres gaz ont‐ils si peu d’effets ?

En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie Emissions du Pinatubo

~ 42 Mt de CO2 (Gerlach et al 1996)

~ 750 103Mt

(Gerlach et al. 1996)


Source : J Besse~ 20 (±6) Mt de SO2

Source : J. Besse

S‐aérosols dans stratosphere ~ 0 Gt

effet du SO2 est très perceptible / taille du réservoir atmosphérique(surtout dans la stratosphère)

Rapport GIEC

Importance de considérer les changements causés par les éruptions volcaniquespart du volcanisme dans la variabilité naturelle du climat VS effets anthropiques

Partie II : les effets d’une période d’intense activité volcanique à l’échelle des temps géologiques

(Trapps du Deccan, 65Ma)

unités de temps considérées : de 10ans à 1Maunités de temps considérées : de 10ans à 1Ma


(Embleton and Williams, 1986)“The current challenge is to better understand the variable

Source : J Besse

better understand the variable environmental effects of LIP and identify the causal mechanisms” Source : J. Bessemechanisms

(Bond and Wignall, 2014)

En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie Trapps du Deccan: ‐ 65Ma‐ grand épanchement basaltique

Keller, 2008

‐mise en place < 1Ma


Source : J Besse

Isotopes de l’oxygèneréchauffement deseaux profondes de 3‐4°C

Source : J. Besse

P i é h ffPourquoi un réchauffementcette fois‐ci ?

Que savons nous de la dynamique éruptive des trapps ?


Le cas du Deccan (limite K/T)

(Embleton and Williams, 1986) Chenet et al. 2007, 2008, 2009

Source : J Besse

Observations déduites du terrain: → ~2 106 km3 de lave → 28 000 Gt CO2

Source : J. Besse→ 6 800 Gt SO2→ durée de la phase principale ~ 200 kyrs

(Keller et al., 2012)

Que savons nous de la dynamique éruptive des trapps ?


Mesures paléomagnétiques sur les coulées basaltiques


Chenet et al. 2007, 2008, 2009

Source : J BesseS l 200 000 d l h i i l Source : J. BesseSur les 200 000ans de la phase principale‐ 30 pulses volcaniques‐ 41 coulées individuellestemps écoulé entre les pulses/coulées‐ temps écoulé entre les pulses/coulées

demeure inconnu

L’i fl d l d i é ti l h t d’i j tiL’influence de la dynamique éruptive sur la hauteur d’injection

si activité éruptive par pulses < 1Mastratosphère

si activité éruptivecontinue < 1Matroposphère


Source : J BesseI l ff Source : J. BesseImportant car les effetstroposhèriques < stratosphériques

(precip, dyn. atmos, etc..)

Kaminski et al. 2011

(Donnadieu et al. 2006)



Source : J Besse

Effets climatiques

Source : J. BesseSur les continents :

réaction avec les carbonatesDans les océans(SST, carbonates,pH, …)

rivières

2CaCO3 + H2SO4liq => 2Ca2+ + 2HCO3‐ +SO4

2‐

Conditions fini‐Maastrichtienne (66Ma)En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie

Conditions fini Maastrichtienne (66Ma)

‐pCO2 atmos~ 340 ppmvpp

‐SST globale~ 17°C

pas de glace continentaleaux pôles


aux pôles


Scénario de dégazage (CO2 et /ou SO2)pulses (durée 10 à 100ans)

Réponse court‐terme Réponse long‐terme

En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie Deccan

ΔSST = + 2,5°CΔSST tropicale = ‐ 8°C


CO2 seulSO l

CO2 + SO2+ 28 000 Gt CO2+ 6 800 Gt SO

Source : J Besse

SO2 seul2 2 + 6 800 Gt SO2

Source : J. BesseΔpCO2 = + 345 ppmv(~doublement de la pCO2)

Mussard et al. 2014

altération des silicates

continents rivières océans

CaSiO3 + 2H2O + 2CO2Ca2+ + 2HCO3‐ + SiO2CaCO3 + H2O + CO2

altération des silicates

À l’équilibre (pCO2 atmosphérique constante)

∑ puits carbone (CO2) = ∑ sources carbone (CO2)

CO seulCO2 seulSO2 seul

CO2 + SO2



R d l’é ilib d l d CRupture de l’équilibre du cycle du C

Refroidissement accélère l’accumulation du CO2 volcanique (+20%)

SST reconstituées (zone hautes latitudes sud)


succession de refroidissementsrefroidissementsà la limiteK/T



Tobin et al. 2013

Deccan

En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie refroidissement court‐termeréchauffement long‐termeune fois les aérosols lessivés

de l’atmosphèreRetour conditions pré‐trapps

ΔpH = ‐0,2 La lysocline remonte


La lysocline remontede ‐2400 à ‐1600m

(dissolution de la calcite)

Source : J BesseConditions moins favorablesSource : J. Besseaux précipitations de la calcite

TrappsEn 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie

Trapps(pulses)

SO2CO2

50%50%

refroissement Réchauffement

+20%


(ex : ΔSST tropicale ‐ 8°C) (ex: ΔSST +2°C)

Acidification des

Source : J Besse

altération continentaleen baisse (<50%)

altération continentaleen hausse (~15%)

Acidification des océans (ex : ΔpH = ‐0,2)

Source : J. Besse

?Biomasse etBiodiversité




Le volcanisme classique n’augmente pas le Cl dans des teneurs suffisantes pour affecter l’O3...

Mais parfoisMais parfois

Trapps de Sibérie

bassin de Tungunska

ppage : 251.4 +/‐ 0.3Ma

bassin de Tungunska‐ riche en MO halites (NaCl)

0.87‐1.65Gt CH3Cl(g)0 5 Gt HCl

(Black et al., 2014)

0.5 Gt HCl(g)

Dans la stratosphère

Source volcaniqueSource volcanique

U.V nécessaire

Le Cl est recyclé, perte nette d’O3

Trapps de Sibérie

Valeur normale~ 300 DU

Partie III : l’importance du volcanisme aux très longueséchelles de temps

(le cas du Phanérozoïque, 542-0Ma)

unités de temps considérées : de 1Ma à 100Ma

Unité : flux en PgC/an (Pg = 1015 g)(Pg = 1015 g)

Rapport GIECpp

Fvolc faible, pourtant la source de CO2 du système exosphérique(atmosphère + océans) provient du dégazage

On observe des successions d’ères chaudes(absence de glaces continentales) avec des ères glaciaires cohérentes avec l’évolutionères glaciaires cohérentes avec l évolutionde la pCO2.

Quel rôle le volcanisme joue dans cettevariabilité long‐terme du climat ?

Reconstruction d’un indice d’activité volcanique sur les derniers 200Ma

Cogné and Humler, 2004

Valeur moyenne des 200Ma

Seul le volcanisme aérien est théoriquementpris en compte

Exemple d’approche à l’équilibre: Modèle GEOCARB (Berner, 1991)

À l’équilibre (pCO2 atmosphérique constante) ∑ sources carbone = ∑ puits carbone

Fvolc = Falter. Silicates

Fvolc = k Runoff pCO20.3 exp[(T‐288.15)/17.7)]

oùT = 288.15 + 6.5 ln(pCO2) Runoff = [1 + 0.038 (T‐288.15)]

pCO2 (unité : PAL)

1 2

1,4

1,6

1,8

2

2,5

3

2 (PAL)

p 2 ( )

0,6

0,8

1

1,2

0100200300400500600

0,5

1

1,5

0100200300400500600

PCO2

A (M )Age (Ma)

Age (Ma)

indice de dégazage (Gaffin 1997)

pCO2 (unité : PAL)

2

2,5

3

2(PAL)

pCO2 (unité : PAL)

0,5

1

1,5

0100200300400500600

PCO2(

Age (Ma)

L’activité du volcanisme est un facteurde premier ordre contrôlant le climat

+

Fvolc = k Runoff pCO20.3 exp[(T‐288.15)/17.7)]

surface des continents = f(tps) Paléogéographie = f(tps)présence de végétaux = f(évol. bio)

Conclusion

Quels sont les acteurs importants ?

En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie les emissions volcaniques qui influencent le climat

celles capablent de perturber le bilan radiatifdurablement


particules solides gaz volcaniques,

Source : J Besse

p(cendre, …) aérosols

temps de residence Source : J. Besse

temps de residence assez court

passez long

stabilité du composéstabilité du composé

En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie ‐ SO2(g) est absent dans la stratosphère, il est donc facile de changer sa concentration très brutalement.

‐ pour le CO2 et H2Ovap une éruption seule ne peut modifier de manière suffisante. Ex : stock de Catmos > 700GtC actuellement 8GtC/an émis par l’Homme

modification 3‐4ppmv/an Un doublement de CO2 nécessite 100ans !

À l’é h ll d illi d’ é l l i l’ j bl(Embleton and Williams, 1986)

‐À l’échelle du million d’années, le volcanisme est l’acteur majeur responsablede l’évolution du climat trapps (extinction de masse)

Sur le Phanérozoïque le volcanisme détermine le niveau de CO atmosphérique

Source : J Besse

‐Sur le Phanérozoïque, le volcanisme détermine le niveau de CO2 atmosphérique. son action, couplée à celle de l’évolution paléogeographique, explique l’évolutiondu climat (absence/présence ères glaciaires)

Source : J. Besse

‐Associés aux phénomènes éruptifs, la mise en place de grands épanchements basaltiquespeut également influencer le climat (action de refroidissement long‐terme).

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