Variation des paléoclimats
M. Ghil, D.D. Rousseau
La circulation atmosphérique est responsable en premier lieu de la distribution rapide de la chaleur et de l'humidité sur la Terre, et par conséquent détermine temps météorologique et climat régionaux, aussi bien de nos jours que par le passé. Tandis que l'atmosphère elle-même ne renferme pas d'archives pour la reconstruction des paléoclimats, elle a laissé d'abondantes traces comme les dépôts éoliens dans la glace et dans les sédiments terrestres et marins. Les enregistrements ainsi obtenus dans les dépôts éoliens suggèrent unanimement que la dynamique atmosphérique a été fortement variable pendant les stades isotopiques marins 2 et 3 durant le dernier cycle interglaciaire glaciaire : des intervalles extrêmement poussiéreux alternant rapidement avec des intervalles non poussiéreux sur des échelles millénaires voire plus courtes. Les enregistrements obtenus dans les différentes régions européennes permettant des reconstructions détaillées de la circulation atmosphérique. Ces travaux sont utilisables dans une perspective de changement futur du climat. Les variations atmosphériques fortes survenues pendant le dernier intervalle glaciaire fournissent de bonnes références pour permettre de mieux contraindre les modèles de circulation atmosphérique. Cependant, ceci exige au préalable une bonne connaissance des structures spatiales de paléo-circulation atmosphérique régnant à diverses échelles régionales, aussi bien que les phases précises de la variabilité atmosphérique en relation avec d'autres paramètres des changements climatique et environnemental. Le projet Actes prévoit donc de combiner les évidences des enregistrements éoliens européens en particulier dans la glace groenlandaise, et celles qui sont issues des simulations de modèles de la circulation atmosphérique passée, en particulier pendant des changements abrupts donnés du climat, tels les événements de Dansgaard-Oeschger et de Heinrich. Le but sera de synthétiser la connaissance relative à la dynamique atmosphérique passée en Europe durant ces épisodes, et de définir les limites actuelles de notre compréhension afin de pouvoir formuler les questions liminaires à ce projet pour proposer des simulations prédictives des futures conditions climatiques.
Pour le passé plus récent, et dans la région méditerranéenne, il existe des données instrumentales et des enregistrements paléo-climatiques marins et terrestres de différents types qui permettent d’approfondir l’évolution duclimat de l’hémisphère nord, à l’échelle des décennies et des siècles. Pour les deux derniers millénaires, un groupe italien a obtenu des carottes marines dans la Méditerranée centrale qui ont conservé plusieurs enregistrements isotopiques et des couches fines de pyroxènes d’origine volcanique. Ces couches ont pu être corrélées avec des éruptions volcaniques historiquement datées, permettant ainsi une datation absolue de ces enregistrements. L’analyse de ces séries temporelles donne une clef intéressante à l’étude de la séparation entre variabilité naturelle et anthropique dans cette région, fortement influencée pendant les dernières décennies par l’industrialisation de l’Europe. Nous chercherons à déceler l’influence croissante de l’industrialisation depuis le milieu du XIXe siècle, en utilisant les données instrumentales disponibles en abondance pendant le dernier siècle et demi, et nous extrapolerons ces résultats, selon les scénarios duGiec, pour les décennies futures.
Des études récentes ont permis de relier les enregistrements des crues du Nil depuis le début du VIIe siècle avec l’Oscillation Nord Atlantique. Ceci motive des recherches plus approfondies sur les liens entre cette oscillation, Enso, et le climat du Moyen-Orient, en utilisant des données instrumentales de température et de pluviométrie du bord est de la Méditerranée, ainsi que les enregistrements des crues du Nil et de dendrochronologie pour le dernier siècle et demi. Ces recherches s’intégreront dans les autres programmes auxquels participe le laboratoire dans cette région, et permettront d’améliorer les prévisions climatiques sur plusieurs années, ou décennies, sur le climat et l’hydrologie de la région.
Collaborations : International Research Institute for Climate and Society et Lamont-Doherty Earth Observatory (Columbia University), LSCE (C. Hatté, G. Ramstein, M. Kagayema, F. Dulac, Y. Balkanski), LGP à Meudon (P. Antoine)
Bifurcations dans le système climatique
F. D’Andrea, M. Ghil
L’existence de bifurcations dans les modèles non linéaires de l’océan, de l’atmosphère et du climat est connue depuis les années 1960. De nombreux travaux tant pour l’océan ou la convection, puis, dans les années 1970, pour les modèles de bilan énergétique du climat ont clairement illustré les changements brusques de comportement associés à ces bifurcations: équilibres multiples, oscillations autoentretenues et comportements chaotiques en réponse à un changement de paramètre comme l’intensité de l’insolation au sommet de l’atmosphère ou celle des vents à la surface de la mer.
Ces bifurcations ont attiré beaucoup plus d’attention récemment de la part des médias et du grand public. Des articles de vulgarisation et de livres ont énuméré un nombre croissant de « points de chavirement », plus ou moins plausibles, comme l’écroulement de la circulation thermohaline, la déviation du Gulf Stream, ou la méthanisation massive suite à la fonte dupergélisol et la libération d’hydrate de méthane. Ces « points de chavirement », affecteraient, chacun séparément ou plusieurs à la fois, le bilan énergétique du système climatique, en nous précipitant dans des catastrophes irrémédiables ou presque. Les travaux du laboratoire dans les années 1980 et depuis ont contribué de façon considérable à étendre l’étude des bifurcations dans les modèles atmosphériques et autres modèles climatiques vers des situations de plus en plus réalistes. L’application des méthodes numériques dites de continuation permet aujourd’hui d’étudier les bifurcations dans des modèles « intermédiaires » du climat, avec des dizaines de milliers de variables.
En même temps, des méthodes d’analyse des séries temporelles ont été développées pour étudier des cycles limite et autres traces des bifurcations dans les données d’observation. Nous proposons de combiner ces approches d’analyse mathématique et statistique, sur des modèles et des données, pour vérifier la présence de bifurcations et les caractériser dans des données instrumentales et paléo-climatiques. À partir de ces résultats que nous compléterons par des analyses plus détaillées, nous effectuerons des simulations de climats futurs avec une hiérarchie de modèles (simples, intermédiaires et modèles de circulation générale à moyenne et haute résolution), pour évaluer la possibilité et plausibilité de plusieurs « points de chavirement » proposés dans la littérature. Dans la mesure où de tels points s’avéreraient effectivement être présents dans des simulations avec l’un ou l’autre scénario d’émission de gaz à effet de serre et d’aérosols, nous estimerons la fourchette des paramètres pour laquelle tel point serait inévitable et les mesures d’adaptation et de mitigation qui s’imposeraient (Section II-2-3).
Collaborations : LSCE, INLN (CNRS, Nice), EAPS Dept.(Harvard Univ.), Dept. Atmosphere - Ocean et IGPP (UCLA), IMAU (Utrecht University), Univ. of Hamburg, Dept. de Physique(Univ. Roma I, "La Sapienza")
Méthanisation
P. Flamant
Les principaux gaz à effet de serre, en dehors de la vapeur d’eau, sont : le gaz carbonique CO2, le méthane CH4 et le protoxyde d’azote N2O. Leurs concentrations dans l'atmosphère depuis le début de l'ère industrielle ont fortement augmenté. Le méthane, bien que 200 fois moins concentré que le CO2 atmosphérique, pourrait jouer un rôle très important car il a un coefficient de forçage radiatif d'environ 20 fois supérieur à celui du CO2. Si la contribution du CO2atmosphérique à un changement climatique est généralement vue comme un phénomène continu lent et inexorable, certains évoquent l'éventualité d'une méthanisation massive et rapide de l’atmosphère avec un effet d'emballement. Une méthanisation massive pourrait en effet résulter de la fonte des sols gelés (pergélisol) aux hautes latitudes. Les sols gelés emprisonnent de très forte densité de carbone organique ancien dont la décomposition bactérienne en conditions anoxiques entraînerait une très forte production de méthane. Cette fonte entraînerait non seulement l’émission de méthane gazeux dans l’atmosphère, mais aussi la formation de zones marécageuses étendues qui elles-mêmes seraient des sources de production de méthane gazeux. La production de méthane par les zones marécageuses étendues est un problème général et les zones tropicales (en particulier le bassin amazonien) sont mal connues en tant que sources de méthane. Par ailleurs, un réchauffement des océans pourrait rendre instables les hydrates de méthane solide piégés dans les sédiments des plateaux continentaux et ainsi libérer du méthane à l’état gazeux. Or, des gisements de clarathes (hydrate de méthane) ont été identifiés un peu partout sur les différentes marges continentales. Récemment, des observations ont mis en évidence des concentrations anormales de CH4 en Sibérie dans le delta du fleuve Lena qui débouche dans l’océan Arctique. Ainsi, et en peu de temps, la concentration de méthane atmosphérique pourrait être multipliée par 12 ce qui serait considérable d’un point de vue climatique.
Un projet de mission (Omélie) centré sur la mesure du CH4 atmosphérique a été soumis par le laboratoire au Cnes en 2008 dans le cadre d’un appel à idées. Le projet Omélie s’il était retenu s’inscrirait dans la problématique des changements abrupts pour le climat présent. Omélie qui requiert des développements préparatoires et un démonstrateur aéroporté ne pourra se faire que dans le cadre du Pôle Instrumentation Innovante et Spatiales (PI2S) de l’IPSL et de l’incubateur Polimi qui se met en place sous la responsabilité du laboratoire à l’École Polytechnique.
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