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Variabilité climatique rapide en période glaciaire : les événements de Dansgaard/Oeschger et de Heinrich et leur enregistrement dans les glaces
Extrait de la Lettre n°15 Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)


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A la fin des années 1980, les paléoclimatologues ont découvert avec étonnement l'existence de changements climatiques abrupts au cours de la dernière période glaciaire dans le secteur de l'Atlantique Nord. Leur extension géographique et leur origine est au coeur de nombreux travaux de recherche sur le climat.




1 : Carte des environs de l'Atlantique nord en période glaciaire




2 : Succession des événements de Dansgaard/Oeschger dans les archives glaciaires du Groenland et des événements de Heinrich dans les sédiments marins de l'Atlantique Nord.

 

L'historique des événements «D/O»
Les premiers forages profonds effectués dans les glaces du Groenland dans les années 1960 (Dye 3 et Camp Century, figure 1) ont permis l'analyse isotopique continue de l'eau de ces carottes de glace. Les variations de la composition isotopique de la glace (voir encart) permettent aux chercheurs danois W. Dansgaard et suisse H. Oeschger d'identifier en 1984 des changements très rapides de la température locale au cours de la dernière période glaciaire (entre 100 000 et 12 000 ans avant l'actuel). De nouveaux forages réalisés au sommet de la calotte du Groenland dans les années 1990 (GRIP et GISP2) et 2000 (North GRIP, forage en cours) confirment la présence de 24 événements de «Dansgaard/Oeschger» (D/O) (figure 2) pendant la dernière période glaciaire.




La signature dans les glaces
Ces événements correspondent à des réchauffements importants (plus de la moitié d'un changement glaciaire interglaciaire) et rapides (des réchauffements d'au moins 10°C susceptibles de se développer en moins de 300 ans, à comparer à la durée d'une entrée ou d'une sortie de glaciation, de l'ordre de 10 000 ans), suivis d'un retour plus lent aux conditions glaciaires.

Les isotopes dans l'air piégé dans la glace
Les variations de la composition isotopique de l'azote et de l'argon piégés dans les bulles d'air dépendent uniquement des processus physiques de diffusion dans le névé (partie poreuse d'environ 80 m à la surface de la calotte). A l'effet bien connu de la gravité entraînant les isotopes lourds vers la base du névé se superpose un effet de diffusion thermique lors des augmentations rapides de température associées aux événements D/O : le gradient thermique établi lors de la transition (chaud en haut et encore froid à la base) force la diffusion des isotopes les plus lourds vers la base du névé où l'air est piégé et par conséquent l'anomalie isotopique conservée. Cet effet de diffusion par gradient thermique est possible car la chaleur met 10 fois plus de temps que le gaz à diffuser dans le névé. L'intérêt de la mesure conjointe de la composition isotopique de l'azote et de l'argon est de séparer les effets gravitationnel et thermique, ce dernier permettant une estimation quantitative, puisque liée à des processus physiques, connus de la température. De plus, cette mesure de température directement dans l'air permet de connaître de façon précise le déphasage entre augmentation de température et augmentation de la teneur en gaz atmosphériques (CH4, N2O,...). On s'affranchit ainsi du problème de la différence d'âge entre la glace et le gaz lié à l'utilisation des isotopes de la glace comme indicateurs de température. Cependant, cette méthode analytique est plus difficilement applicable aux transitions climatiques lentes car l'effet de diffusion thermique y est nul.

Ces événements se succèdent tous les 1500 à 5000 ans et sont également identifiés dans des indices de changement de circulation atmosphérique (composition chimique de la glace) et de changements de cycle de l'eau via les teneurs atmosphériques de certains gaz à effet de serre (la teneur des bulles d'air de la glace en méthane et en oxyde nitreux augmente de 30% pendant les réchauffements des D/O).

Quelle est l'étendue spatiale de ces bouleversements climatiques ? L'observation de changements importants des teneurs en méthane et oxyde nitreux laisse déjà entendre que de vastes étendues ont été affectées par ces bouleversements climatiques (voir encart sur le méthane). Récemment, les événements de D/O ont également été détectés dans des séries climatiques à haute résolution (quelques dizaines d'années) à des latitudes tempérées et tropicales (pollens, sédiments marins et lacustres, spéléothèmes, etc. ; voir carte figure 1).



La signature dans les sédiments atlantiques
Au cours de la dernière période glaciaire, les sédiments marins de l'Atlantique Nord sont caractérisés par plusieurs événements détritiques, décrits pour la première fois par le géologue allemand Heinrich. Au cours de ces événements, les sédiments de l'Atlantique Nord deviennent brutalement pauvres en micro-organismes (les rares fossiles témoignent d'un refroidissement des eaux superficielles compris entre 2 et 6°C). En revanche, les sédiments marins contiennent à ces profondeurs des cailloux, dont la taille dépasse parfois le centimètre.

Les paléocéanographes américains G. Bond et W.S. Broecker ont montré que ces événements de Heinrich sont synchrones dans tout l'Atlantique Nord et que ces cailloux (Ice Rafted Detritus ou IRD) sont apportés par des débâcles d'icebergs.

L'excès en deutérium
L'excès en deutérium, (défini par : D - 8 18O), dans les molécules d'eau constituant la glace signe la température de la région océanique où s'est produite l'évaporation initiale des masses de vapeur d'eau parvenant aux pôles. En effet, les coefficients de fractionnement à l'équilibre pour le deutérium et l'oxygène-18 ont un rapport d'environ 8 (rapport des masses des atomes d'oxygène et de deutérium), qui contraint au premier ordre un facteur 8 entre les compositions des précipitations dans ces deux isotopes. Au second ordre, dans les processus de fractionnement hors équilibre (évaporation à la surface de l'océan, formation des cristaux de glace), apparaît un fractionnement cinétique supplémentaire dû aux différences de diffusivité des divers isotopes. Cet effet de second ordre justifie la définition d'excès en deutérium. A l'évaporation, ce fractionnement cinétique appauvrit moins la vapeur formée en deutérium qu'en oxygène-18 et dépend des conditions d'évaporation : température de surface, mais également humidité relative de l'air et vitesse du vent. Les modèles de distillation et les modèle de circulation générale de l'atmosphère incluant les isotopes stables de l'eau montrent que le signal de l'évaporation dans l'excès en deutérium est conservé le long de la trajectoire des masses d'air jusqu'aux pôles.

L'analyse isotopique des rares foraminifères présents au milieu des IRD, effectuée à Gif- sur-Yvette, a témoigné que la fonte des icebergs s'est accompagnée d'un apport d'eau douce énorme. L'analyse minéralogique des cailloux, effectuées par les groupes de Bordeaux, de Gif-sur-Yvette et du Lamont, indique qu'ils proviennent principalement de la calotte nord-américaine (la Laurentide) mais qu'une partie d'entre eux porte une signature européenne (les calottes d'Islande et de Fennoscandie). Il semble que les cailloux marqueurs du continent européen précèdent l'arrivée des cailloux américains. Ces événements de Heinrich, froids, sont ensuite suivis de réchauffements qui peuvent correspondre à certains Dansgaard/Oeschger des glaces du Groenland.

Enfin, dernier indice, les paléocéanographes de Gif-sur-Yvette découvrent en mer de Norvège des événements détritiques moins importants mais plus nombreux que les événements de Heinrich, et dont la fin coïncide avec les réchauffements de D/O du Groenland. Cette fois les débâcles associées proviennent uniquement des petites calottes glaciaires européennes (Fennoscandie ou Islande, voir figure 1). Ces résultats suggèrent que les instabilités fréquentes des petites calottes européennes ont provoqué tous les 1500 à 5000 ans des débâcles d'icebergs ; certaines de ces débâcles ont pu entraîner la déstabilisation de l'énorme calotte Laurentide, provoquant ainsi les événements de Heinrich.

Isotopes de l'eau et paléotempératures
Les teneurs en deutérium (rapport D/H) et en oxygène 18 (rapport 18O/16O) dans les molécules d'eau constituant la glace permettent d'estimer les températures du passé. Le cycle atmosphérique de l'eau (depuis l'évaporation à la source jusqu'à la précipitation sous forme de neige dans les régions polaires) implique de nombreux changements de phase liquide-vapeur-neige aux cours desquels il y a fractionnement : la phase condensée est isotopiquement enrichie par rapport à la phase vapeur et d'autant plus enrichie que la température est froide (effet de distillation). Il en résulte pour les régions polaires une croissance linéaire entre la température de surface (reliée simplement à la température de formation de la précipitation) et la composition isotopique. Cet effet linéaire est mesuré par des traverses au Groenland et en Antarctique : à chaque site, on mesure teneur isotopique de la neige précipitée et température de surface. La relation linéaire obtenue est ensuite appliquée pour retrouver les températures du passé avec l'hypothèse forte que cette relation était la même dans le passé. Cette dernière hypothèse a été fortement remise en question par une méthode s'appuyant sur l'inversion des mesures de température dans les trous de forage et par l'analyse isotopique de l.air piégé dans la glace.




L'origine ?
Toutes les variations climatiques rapides sont accompagnées de fonte massive d'icebergs dans les hautes latitudes de l'océan Atlantique Nord. De telles injections d'eau douce sont susceptibles de ralentir, voire supprimer les formations d'eau profonde et de perturber profondément la circulation globale de l'océan. Les changements climatiques rapides en période glaciaire sont donc très certainement reliés à des changements de modes de la circulation thermohaline glaciaire, avec un mode froid et stable (sans convection profonde en Atlantique Nord) et un mode plus chaud et instable avec convection profonde en Atlantique Nord (correspondant aux phases chaudes des D/O). La «bascule» du transport nord-sud de chaleur associé à ces changements de circulation thermohaline semble confirmée au moins pour quelques événements marqués (8, 12, 17), à la sortie d'événements de Heinrich : l'Antarctique se réchauffe alors que le Groenland est encore froid ; lorsque le Groenland se réchauffe brutalement, l'Antarctique entame un refroidissement.

Cependant, même si l'implication de la circulation thermohaline est reconnue, la cause de ce basculement entre deux modes reste encore à déterminer : est-ce une oscillation interne à l'océan ? Une oscillation couplée entre océan et calottes glaciaires ? Faut-il des forçages externes au système climatique pour les déclencher ? Ces oscillations sont-elles présentes même faiblement pendant les périodes interglaciaires ? Autant de sujets de recherche. . .

Certains modèles simplifiés d'océan suggèrent, sans intervention des calottes glaciaires, une oscillation naturelle à une période de 1500 ans entre deux modes instables. Des processus de résonance de modes propres du système climatique par rapport à des forçages cycliques externes (par exemple une périodicité assez controversée de 1500 ans dans l'irradiance solaire) sont aussi envisagés pour faire basculer la circulation océanique d'un mode à l'autre à partir d'un certain seuil. Ce seuil serait variable en fonction de l'état du système océan-atmosphère-calotte (par exemple avant et après un événement de Heinrich) ; on expliquerait ainsi que la période des événements D/O ne soit pas toujours 1500 ans mais parfois le double ou le triple. Enfin d'autres études récentes recherchent une origine tropicale auxé vénements D/O se basant sur l'énorme réservoir de chaleur et de sel du Pacifique tropical et son rôle majeur sur la variabilité interannuelle du climat moderne et du cycle de l'eau (El Niño).

Le méthane et l'oxyde nitreux
Le méthane et l'oxyde nitreux ont été mesurés en détail sur certains événements D/O. L'amplitude de leurs variations n'est pas constante : pour le méthane, on observe des augmentations de 50 à 250 ppbv qui prennent place en quelques décennies à quelques centaines d'années (300 ans) ; pour l'oxyde nitreux, ces variations vont de 20 à 50 ppbv et sont beaucoup plus lentes (quelques centaines d'années). Les causes de ces variations demeurent incertaines. Les augmentations du méthane trouvent probablement leur origine dans l'impact des réchauffements D/O sur le cycle hydrologique et l'étendue des zones humides dans les régions boréales et tropicales. En moyenne l'amplitude des augmentations de méthane équivalent à l'apparition ou la disparition de zones humides couvrant plusieurs millions de km2 ; en soit, ce simple parallèle révèle l'étendue spatiale considérable probablement affectée par les événements climatiques rapides du glaciaire. Par ailleurs une autre explication controversée porte sur la possibilité de dégazages catastrophiques d'hydrates de méthane piégés dans les fonds océaniques. Les taux d'augmentation (et leur régularité) du méthane observés à ce jour dans les carottes de glace ne vont pas dans le sens d'une telle cause mais l'hypothèse ne peut pas être invalidée pour autant. Pour les variations de l'oxyde nitreux, là aussi le cycle hydrologique pourrait en être l'origine, au travers des cycles de nitrification/dénitrification dans les sols dépendant de l'humidité de ces derniers. L'espoir d'améliorer notre compréhension du couplage entre variations abruptes du climat et teneurs en méthane et oxyde nitreux passe par le développement de bilans isotopiques sur ces gaz ; un travail difficile et de longue haleine qui occupera les glaciologues durant les années à venir.
Contact : Jérôme Chappellaz.




Quantification du signal dans les glaces ?
Même si la compréhension des mécanismes climatiques doit passer par une approche globale incluant les tropiques, nous n'avons pas fini de faire parler les glaces polaires. Si la composition isotopique de la glace a permis de détecter les événements de D/O comme réchauffements rapides de la température locale, la quantification de ces variations reste difficile. En particulier, les changements de température glaciaire-interglaciaire estimés par l'inversion du profil de la température mesurée dans le trou de forage suggère une amplitude beaucoup plus forte que celle déduite des isotopes de l'eau. Ce sont les modèles de circulation générale de l'atmosphère qui ont permis de résoudre cette apparente contradiction : le changement de température glaciaire-interglaciaire est probablement élevé (typiquement 20°C) mais s'accompagne d'un changement de circulation atmosphérique et de saisonnalité des précipitations. La présence des calottes et la couverture de l'Atlantique Nord par la banquise en hiver inhibe l'évaporation et décale les passages dépressionnaires vers le Sud. Au final, la composition isotopique des neiges tombées en période glaciaire reflète une température d'été et non une moyenne annuelle, biaisant les reconstructions vers le chaud (voir encart isotopes de l'eau et paléotempérature).


3 : Succession des Dansgaard/Oeschger 18, 19 et 20 sur les données de GRIP et NorthGRIP

 

Les changements de région source des précipitations sont également enregistrés dans la composition isotopique de la glace (voir encart excès en deutérium) ; quand les hautes latitudes sont froides, et probablement englacées, la région source des précipitations se décale vers le Sud et sa température augmente (voir figure 3). Les analyses d'excès en deutérium sont actuellement en cours au LSCE pour le forage de NorthGRIP.

Enfin, une nouvelle méthode de quantification de changements abrupts de température a été initiée récemment par J. Severinghaus grâceà l'analyse isotopique de l'air piégé dans la glace (voir encart isotopes de l'air). Les analyses conduites au LSCE pour plusieurs D/O des forages de GRIP et NorthGRIP concluent à un réchauffement local de plus de 10°C (environ 1/3 de plus que l'interprétation classique des isotopes de l'eau).

Cette même méthode a également permis de montrer que les variations de température du Groenland sont exactement en phase avec les augmentations de méthane au cours de quelques événements de D/O déjà étudiés (événement 12 à GRIP et 18,19 et 20 à NorthGRIP). Ces deux nouvelles techniques (excès en deutérium, isotopes des gaz) ouvrent de nouvelles perspectives et, combinées à des simulations climatiques transitoires, permettront d'améliorer notre compréhension de cette variabilité climatique.




Conclusion
L'étude des climats du passé a permis de mettre en évidence l'existence de changements intenses et rapides en période glaciaire, mettant en jeu la réponse de la circulation océanique profonde à des changements de flux d'eau douce à la surface de l'Atlantique Nord. Des études de sensibilité conduites avec des modèles de climat simplifiés suggèrent que des mécanismes similaires pourraient se produire également dans le contexte d'un climat plus chaud, et plus humide, si les émissions des gaz à effet de serre dans l'atmosphère se poursuivent au même rythme au cours des prochains siècles. . .

La participation française aux campagnes océanographiques IMAGES du Marion-Dufresne et à la logistique des forages polaires est prise en charge par l'IPEV (Institut polaire Paul-Emile Victor) ; les analyses isotopiques des glaces sont financées par le CEA, le CNRS via le Programme National d'Etude du Climat, et la Commission Européenne (projets européens EPOC, POP et EPICA).



Contact : Valérie Masson-Delmotte et Amaelle Landais
Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement
UMR CEA-CNRS de l'Institut Pierre-Simon Laplace
L'Orme des Merisiers, Bât. 709, CEA Saclay
91191 Gif-sur-Yvette cédex

 

   




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