Extrait de la Lettre n°6 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)

1 - Carte thèse Elsa

2 - Variabilité GRIP/ ENAM/IMAGES

Les méthodes d'analyse et d'interprétation des données extraites des sédiments marins dans le domaine des recherches paléoclimatiques ont profondément évolué au cours des dernières années. Il s'est avéré possible de générer des séries donnant l'évolution quasi continue des principaux paramètres climatiques et hydrologiques, à l'échelle des principaux bassins océaniques.

Les analyses sont effectuées avec une résolution temporelle proche du siècle, et ce sur les dernières centaines de milliers d'années. Les relations entre forçages et réponses climatiques sont complexes, car elles sont liées à la dynamique non linéaire des interactions entre calottes de glace, atmosphère, circulation des océans et surface des continents. Les études paléoclimatologiques à la résolution du siècle permettent de suivre ces interactions dans le grand nombre de contextes différents que nous offre l'histoire climatique des derniers cycles glaciaires/interglaciaires.
Ces études demandent le développement et l'utilisation simultanée de nombreux outils, avec un rôle particulier pour les méthodes d'analyse en continu des propriétés du sédiment. L'ampleur de la tâche justifie l'établissement de collaborations étroites, à l'origine de projets multidisciplinaires, multi-équipes et multinationaux. C'est le programme IMAGES (International marine Global Change Study, branche marine du programme IGBP-Past Global Changes, affilié au SCOR) qui offre le cadre international à ces études. L. Labeyrie (CFR-Gif/Yvette) en est le Directeur exécutif.

Le problème scientifique prioritaire pour les équipes françaises
Une découverte majeure a bouleversé les concepts paléoclimatiques des dernières années: de grandes instabilités des calottes glaciaires ayant couvert la Laurentide et la Fenno-Scandie se sont produites au cours de la dernière période glaciaire (90 000 à 10 000 ans B.P.). Les éléments détritiques entraînés par les débâcles massives d'icebergs associées à ces instabilités couvrent les sédiments de l'Atlantique nord (au nord de 40°N) en une succession de couches de quelques mm à quelques cm d'épaisseur (les événements de Heinrich), avec une rythmicité comprise entre 5 000 et 10 000 ans. Ces événements correspondaient chacun à la fonte de plusieurs millions de km³ de glace. Ils ont été accompagnés de changements importants dans la circulation thermohaline et la ventilation profonde de l'Océan Atlantique. Ces études montrent qu'à condition de travailler dans des zones où les sédiments s'accumulaient à vitesse suffisante (10 cm/ka ou plus), il était possible d'étudier les caractéristiques d'un événement climatique donné, même s'il ne durait que quelques centaines d'années. S'ouvrait alors tout un domaine d'étude, celui des interactions entre les calottes de glace, l'atmosphère, l'océan et les continents, et leurs conséquences sur la variabilité climatique à l'échelle séculaire au cours des dernières centaines de milliers d'années.

Les premières études ont rapidement montré que les oscillations climatiques froid/chaud associées aux événements de Heinrich correspondaient aux anomalies climatiques les plus importantes de la période 65 à 12 ka B.P., aussi bien dans les enregistrements isotopiques des forages de glace du Groenland, que dans les oscillations de la pluviosité en Chine central et de la salinité en Mer du Japon. De même, le méthane emprisonné dans la glace du forage de GRIP au Groenland montre de fortes oscillations en phase avec les événements de Heinrich. Le signal, en partie dégradé, se retrouve aussi dans l'hémisphère sud, en particulier dans les enregistrements isotopiques de la glace de Vostok. Nous avons donc là un facteur forçant du changement climatique, lié à la dynamique interne des calottes de glace. Il a agi de façon répétée au cours de la dernière centaine de milliers d'années très probablement par une modulation de l'albédo de l'Atlantique nord (couverture de glace), et de l'intensité de la circulation thermohaline. Il a eu des effets globaux sur la circulation océanique, la chimie atmosphérique et les climats. Mais il faut en préciser les contours. Les signaux isotopiques des forages de glace du Groenland font apparaître en particulier quelques oscillations d'amplitude plus petites entre chacun de ces événements, d'une durée de quelques centaines d'années à 1000 ans pour les plus importantes (cycles dits de Dansgaard-Oeschger). Ces fluctuations répétées (aussi bien les larges événements de Heinrich que les cycles Dansgard/Oeschger plus petits) nous donnent une base expérimentale unique pour étudier les causes et conséquences des changements climatiques.

La stratégie et les outils
On peut étudier dans les sédiments marins l'évolution simultanée de nombreux paramètres liés au climat ou à l'environnement externe :
- l'hydrologie des eaux de surface (température et salinité), à partir de l'analyse des faunes et flores fossiles planctoniques, du rapport ¹⁸O/¹⁶O des foraminifères, et de la structure de biomarqueurs (alkénones);
- l'hydrologie profonde (température, ventilation, apport de nourriture depuis la surface) à partir de la distribution des faunes benthiques et de la composition isotopique ¹⁸O/¹⁶O et ¹³C/¹²C des foraminifères;
- la dynamique des eaux profondes (courants de contour et transports), à partir de la distribution des tailles des particules, l'orientation préférentielle des grains magnétiques (anisotropie), la composition minéralogique, magnétique ou géochimique des phases détritiques (traçage des sources);
- l'évolution climatique des continents voisins, par l'étude des pollens et des argiles transportés par les vents et les fleuves;
- et, comme nous l'avons vu, les instabilités des calottes de glace, par l'étude des minéraux détritiques grossiers transportés par les icebergs.

D'autres paramètres permettent de suivre l'évolution temporelle de la variabilité enregistrée dans les sédiments, car ils sont acquis en continu au long des carottes. La résolution temporelle peut être supérieure à l'année dans les zones sans bioturbation, là où les eaux de fond ne contiennent plus d'oxygène. Plus généralement une résolution temporelle de cent à quelques centaines d'années peut être obtenue en océan ouvert. L'interprétation des signaux en terme paléoclimatique n'est toutefois qu'indirecte : la couleur des sédiments (qui dépend de la teneur en carbonate, blanc, produit par le plancton en période chaude, et en éléments détritiques, sombres, transportés depuis les continents), les propriétés physiques (vitesse du son et absorbance des rayonnements gamma, qui dépendent de la porosité et de la densité des sédiments) et les propriétés magnétiques (qui dépendent de la nature, de la quantité, et de la taille des grains magnétiques détritiques et diagénétiques).
Une cinquantaine de carottes de sédiment ont été prélevées au cours des dernières années dans des zones à forte vitesse de sédimentation (10 à 20 cm/ka) représentatives des principales régions océaniques de l'Atlantique nord et de la Mer de Norvège : campagnes PALEOCINAT (INSU-IFREMER), ENAM (MAST E.U.) et IMAGES 1 (IFRTP et 12 autres pays associés). Elles permettent de suivre l'évolution de la grande circulation thermohaline et les changements climatiques associés, en liaison avec les changements d'insolation et le développement des calottes de glace.

Les premiers résultats
Deux types d'études ont été réalisés:
- à l'échelle de l'Atlantique nord, la cartographie de la distribution des propriétés hydrologiques et de leurs changements au cours d'un événement de Heinrich particulièrement fort, H4, il y a 35 000 ans.
- dans des zones climatiquement sensibles, le suivi temporel des changements hydrologiques au cours du dernier cycle interglaciaire-glaciaire (depuis 120 000 ans).

L'événement Heinrich 4 (Figure 1)
En surface, cet événement s'est traduit par une arrivée massive d'icebergs au nord de 40°N à l'ouest et 37°N le long de la marge Ibérique. L'apport de matériel détritique typique du nord du bouclier Canadien, est mis en évidence en particulier dans les sédiments de la bordure sud de la zone de fonte (zone de transport rapide des icebergs vers l'Europe sous l'action des vents d'ouest, en limite des eaux plus chaudes où ils fondent). Cela montre que c'est principalement par la Baie d'Hudson que s'est effectuée la dégradation massive de la calotte Laurentide. Mais la calotte Fenno-Scandinave a apparemment réagi pratiquement en phase. Les analyses de faune (fonctions de transfert) font apparaître un refroidissement des eaux de surface de 2°C à 5°C avec, au moins en bordure sud, une thermocline inversée (avec des eaux très froides et peu salées recouvrant en surface les eaux plus chaudes et salées typiques des latitudes concernées). La baisse de salinité de surface associée à la fonte des icebergs peut être estimée à environ 1 à 2‰ par l'anomalie de d¹⁸O des foraminifères. Cette anomalie se retrouve jusqu'à plus de 1000 m de profondeur en Mer de Norvège et 2000 m en bordure nord Atlantique. L'absence apparente de dilution montre que des échanges verticaux rapides existaient dans cette zone. Toutefois, associé à ce signal, une baisse nette du d¹³C des foraminifères benthiques traduit l'arrêt de la ventilation des eaux intermédiaires et profondes pendant la débâcle glaciaire. Nous proposons que la convection profonde était limitée aux hautes latitudes nord, associée à l'augmentation de densité liée à l'accumulation de saumures pendant la formation des glaces de mer. Une circulation thermohaline normale se redéveloppe aussitôt après l'arrêt des apports d'eau de fonte, avec réchauffement rapide des eaux de surface.

La variabilité climatique rapide au cours de la dernière période glaciaire
Les variations de température de l'air (plus de 10°C) mises en évidence dans les glaces du Groenland (cycles de Dansgaard/Oeschger) correspondent précisément aux changements de susceptibilité magnétique observés dans les carottes de sédiment prélevées dans la zone d'échange entre les eaux de l'Atlantique et de la Mer de Norvège (figure 2). C'est l’apport du matériel fin d'origine volcanique transporté par les courants de fond qui varie à la fois dans sa concentration et dans ses propriétés physiques (tailles des grains notamment), augmentant lors des interstades chaud, et diminuant lors des stades froids. Des changements très similaires sont observées dans toutes les carottes étudiées de la bordure nord de l'Océan Atlantique, (Iles Faeroe, Islande, sud et sud-est du Groenland). D'autres paramètres évoluent en parallèle, en particulier les faunes de foraminifères planctoniques et benthiques et leur composition isotopique (d¹⁸O et d¹³C). L'ensemble de ces changements associe de façon claire les interstades chauds avec des périodes d'accentuation de la circulation thermohaline, et les périodes froides avec un ralentissement jusqu'à l'arrêt de cette circulation. Un schéma d'évolution est proposé pour expliquer les oscillations. La Mer de Norvège était, en période glaciaire, un système dynamique beaucoup plus actif que celui admis après les travaux du groupe CLIMAP. Elle a connu une succession de périodes où l'entrée d'eau salée "chaude" au sud de la Mer de Norvège s'accompagnait de convection profonde, de réchauffement de l'atmosphère au dessus du Groenland, et de débordement d'eau profonde vers l'Atlantique nord (comme pour la formation d'eau profonde nord Atlantique à l'heure actuelle). Mais ces eaux de surface relativement chaudes (2 à 5°C?) entourées de calottes de glace subissaient de fortes évaporations, l'eau précipitant en neige sur les calottes voisines (en particulier Islande, Faeroe et Ecosse). Celles ci se seraient donc développées très rapidement, entraînant la fermeture progressive de l'accès des eaux chaudes vers le nord, le ralentissement de la boucle thermohaline, et le refroidissement de l'atmosphère. Or les calottes à bordure marine ne sont pas stables. Leur écroulement devait correspondre à l'apogée du refroidissement et au blocage complet de la circulation profonde. Puis le cycle recommençait.

Le futur
Le programme IMAGES, qui coordonne ce type d'études au niveau international ne s'intéresse pas qu'aux changements rapides du climat en Atlantique nord. Ses objectifs fondamentaux sont de quantifier la variabilité climatique et chimique de l’océan à l’échelle des constantes de temps des processus océaniques et cryosphériques, de déterminer sa sensibilité aux forçages internes et externes, et de déterminer son rôle dans le contrôle du pCO2 atmosphérique. L’étude de plusieurs centaines de carottes sera nécessaire pour décrire correctement la variabilité spatiale du système océanique, compte tenu des nombreuses perturbations du contexte sédimentaire dans les zones de forte accumulation. Un tel objectif ne peut être atteint que par une coordination internationale du prélèvement des carottes, de leur analyse, et de l’assimilation des données pour la modélisation. La France, avec le Marion Dufresne (IFRTP-TAAF), un navire exceptionnel pour la réalisation des carottes de grande longueur nécessaires au programme, et grâce à l'activité des équipes soutenues par les programmes nationaux (PNEDC and DYTEC/VARIENTE), dispose d'une place privilégiée dans le programme. Les équipes françaises ont été en particulier les principales animatrices des trois premières campagnes internationales de carottage, en Atlantique nord (IMAGES I, mai juin 95), autour de l'Afrique du sud (Nausicaa-IMAGES II octobre 96), et un transect sud-nord au long des bords ouest du Pacifique (IPHIS IMAGES III, mai-juillet 97). Ces trois campagnes se sont surtout focalisées sur l'étude de la variabilité des grands systèmes de courants de bord Ouest et de bord Est liés au transport de chaleur méridien.

D'autres campagnes sont en préparation pour les prochaines années en Atlantique, Océan Indien, Océan Austral et Océan Pacifique. Elles seront réalisées sur le Marion Dufresne aussi bien que sur le navire foreur ODP (pour échantillonner des zones à vitesse de sédimentation encore supérieure, 20 à 50 cm/1000 ans). Des conférences internationales sont organisées tous les 6 mois à un an, pour faire le bilan des progrès, et des groupes de travail spécialisés créés pour résoudre des problèmes particuliers: développement de nouveaux outils, constructions de cartes globales de la distribution des températures de surface des océans à des périodes critiques au point de vue climatique (en particulier le dernier maximum glaciaire), étude de systèmes climatiques particuliers, comme la mousson indienne et asiatique.

Contact :
Laurent Labeyrie
Directeur exécutif du programme IMAGE
Centre des Faibles Radioactivité, CNRS-CEA
Domaine du CNRS
91 191 Gif-sur-Yvette
Labeyrie@cfr.cnrs-gif.fr