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OSUG - Terre Univers Environnement

Le rôle des gaz à effet de serre dans les variations climatiques passées : une approche basée sur des chronologies précises des forages polaires profonds

Jai Chowdhry Beeman (2016-2019)

21 août 2017 ( maj : 12 septembre 2017 )

Directeurs : Fréderic Parrenin
Financement : bourse ministérielle

Les forages polaires profonds en Antarctique et au Groenland permettent de reconstruire des paramètres climatiques clés pour les dernières centaines de milliers d’années, comme la température et les précipitations au-dessus des calottes polaires, le contenu en impuretés de l’atmosphère et sa composition élémentaire (en particulier en gaz à effet de serre que sont le CO2, le CH4 et le N2O). Pour déterminer précisément les relations de causalité dans le système climatique, il est nécessaire de reconstruire une chronologie précise des événements enregistrés dans les carottes de glace. Les exemples d’études climatiques basées sur des datations précises sont nombreux et incluent  :
• La datation absolue des enregistrements de température Antarctique à Dome Fuji, basée sur le rapport O2/N2 dans les bulles d’air, ce qui suggère un déphasage variable avec l’insolation (Kawamura et al., 2007).
• La datation relative de l’enregistrement de CO2 par rapport à la température en Antarctique, qui suggère une augmentation synchrone pendant le réchauffement de la dernière déglaciation (Parrenin et al., 2013).
• La datation relative de la température au Groenland par rapport à celle d’Antarctique pendant les événements Dansgaard-Oeschger de la dernière glaciation, qui suggère une avance du Groenland d’environ 200 ans.

Construire une chronologie pour plusieurs forages est une tâche complexe, car il existe de nombreuses méthodes de datation différentes qui ont toutes leurs avantages et inconvénients et leur domaine d’applicabilité  :
• Le comptage des couches annuelles fournit une évaluation précise de la durée des événements, mais cette méthode n’est applicable qu’aux périodes récentes et aux sites avec un fort taux d’accumulation. De plus, les âges absolus déterminés avec cette méthode deviennent rapidement imprécis car les erreurs sont cumulatives.
• La synchronisation de différents enregistrements issus des carottes de glace aux variations des paramètres astronomiques de la Terre (qui sont modélisés très précisément à partir des équations de la mécanique céleste) a l’avantage d’être applicable à presque toutes les périodes passés, mais sa précision n’est pas meilleure que quelques milliers d’années.
• La synchronisation à d’autres enregistrements paléo-environementaux bien datés, comme les laves volcaniques ou les spéléothèmes, fournit des points de contrôle absolus mais ces derniers ne fournissent pas une datation continue.
• La modélisation du processus de sédimentation de la neige, de sa densification en glace (avec le piégeage de l’air) et de l’écoulement de la glace fournit une datation continue des carottes pour l’air piégé et la glace qui l’environne mais cette datation est imprécise, spécialement pour les âges absolus et les périodes anciennes.
• Finalement, la synchronisation de différentes carottes de glace grâce à des marqueurs communs comme les événements volcaniques ou les variations du méthane permet d’étudier les relations de phases entre des paramètres mesurés dans des carottes différentes mais ne permet pas de déterminer des âges absolus.

Pour combiner ces différentes sources d’information chronologique, des modèles probabilistes (Datice ou IceChrono) ont été développés (Lemieux-Dudon et al., 2010 ; Parrenin et al., 2015). De tels modèles ont été utilisés pour construire AICC2012, une datation commune et optimisée pour 4 forages en Antarctique et 1 forage au Groenland (Bazin et al., 2013 ; Veres et al., 2013) qui fait référence pour les forages européens. Ces modèles prennent en compte  :

• Des scénarios de sédimentation a priori donnés par des modèles  ;
• Des horizons glace ou air datés de manière absolus  ;
• Des intervalles glace ou air dont les durées sont connues  ;
• Des liens stratigraphiques entre les carottes (glace à glace, air à air, ou glace à air)  ;
• Des observations de Δprofondeur (décalage en profondeur entre des couches air et glace synchrones dans la même carotte).

Les objectifs de cette thèse sont les suivants :

  • Améliorer le modèle de datation IceChrono. Par exemple, la synchronisation des enregistrements climatiques est jusqu’à présent faite visuellement. Nous voulons apporter rigueur, efficacité et reproductibilité à ce processus en utilisant une méthode mathématique. De plus, nous allons investiguer des méthodes inverses plus générales, non basées sur des probabilités gaussiennes et sur des modèles quasi-linéaires, et capables de déterminer l’erreur modèle de manière automatique par comparaison aux observations. Finalement, nous modifierons IceChrono de sorte qu’il soit applicable à d’autres archives paléoclimatiques (lacustres, océaniques, issues de spéléothèmes, etc.). Pour cela IceChrono sera renommé PaleoChrono.
  • Appliquer IceChrono à tous les forages importants d’Antarctique et du Groenland. Ce travail implique une collaboration internationale forte avec les nations étrangères qui ont foré ces carottes.
  • Analyser la chronologie résultante en termes de déphasages. En particulier, nous serons intéressés par les relations de phase entre CO2 et température Antarctique (Landais et al., 2013  ; Parrenin et al., 2013), entre les températures au Groenland et en Antarctique (EPICA community members, 2006), et entre les paramètres astronomiques et le climat (Kawamura et al., 2007  ; Landais et al., 2012). Cette partie sera l’aboutissement le plus important de cette thèse, car il permettra de mieux comprendre les mécanismes climatiques sous-jacents aux variations climatiques passées, et en particulier le rôle des gaz à effet de serre.
  • Analyser les scénarios glaciologiques résultants. La reconstruction des fonctions d’amincissement, des histoires d’accumulation et des scénarios de profondeur de piégeage seront discutés et des scénarios physiques seront proposés.