Soutenance mémoire
L’augmentation des températures moyennes de l’hémisphère nord au cours du 20eme siècle a posé la question de la séparation de la variabilité climatique naturelle de celle liée à l’action anthropique. Pour pouvoir déconvoluer l’action humaine, il est nécessaire de décrire et de quantifier les variations climatiques naturelles qui ont affectées le climat terrestre, et d’estimer la part relative des mécanismes associés à ces variations. Ce travail de thèse s’inscrit dans cette vaste problématique de description et de quantification de la variabilité naturelle du climat.
Au cours des deux derniers millions d’années, la Terre a connu une succession de longues périodes glaciaires pendant lesquelles les hautes latitudes étaient recouvertes de glace, alternant avec de courtes périodes interglaciaires dont font partie les 10 000 dernières années (Holocène). Cette succession de périodes glaciaires et interglaciaires a suivi des périodicités d’environ 100 000 ans au cours des derniers 800 000 ans. Des changements de périodes de 41 000 et environ 21000 ans marquent également les enregistrements paléoclimatiques. Ces changements climatiques ont été liésaux modifications périodiques de la distribution de l’insolation créées par les oscillations orbitales de la terre, appelées cycles de Milankovitch qui possèdent les mêmes caractéristiques spectrales. Ainsi, le cycle de 100 000 ans correspond-il aux variations de l’excentricité de l’orbite de la terre autour du soleil, le cycle de 41 000 ans à l’obliquité de l’axe de rotation de notre planète et le cycle d’environ 21 000 ans à la précession des équinoxes. Ces deux derniers paramètres influencent la distribution spatiale et saisonnière de l’insolation, alors que l’excentricité module la quantité absolue d’énergie solaire reçue. Depuis la formulation de cette théorie par Milankovitch, et sa confirmation par les travaux des 30 dernières années subsiste la question de l’intervention de fortes boucles de rétroactions positives dans le système climatique, indispensables à l’amplification des faibles variations d’insolation.
Les enregistrements climatiques des carottes de glace polaires ont montré que les variations de concentration en CO2 atmosphérique suivent ces cycles glaciaires interglaciaires, variations comprises par exemple entre 280 ppm pour l’Holocène et 180 à 200 ppm pour le dernier maximum glaciaire, il y a environ 21 000 ans (Petit et al., 1999). Le CO2 étant un gaz à effet de serre, des travaux de modélisation ont permis de mettre en évidence son rôle important dans les changements climatiques à l’échelle glaciaire-interglaciaires. Outre des processus uniquement liés aux modifications physicochimiques de l’océan, de telles variations du cycle du carbone impliquent (a) l’extraction de carbone de l’océan de surface par l’action de la pompe biologique qui va fixer sous forme de calcite le CO2 dissous dans la colonne d’eau, et (b) des changements associés dans le budget des carbonates de calcium marins. Dans l’état actuel des connaissances, les pompes biologiques des basses et hautes latitudes ont toutes deux joué un rôle dans ce piégeage du CO2 (Sigman and Boyle, 2000). Aux basses latitudes, les sédiments carbonatés attestent du fonctionnement de la pompe biologique au cours du temps. En effet, ces sédiments sont majoritairement constitués de coccolithes et de tests de foraminifères planctoniques. Les coccolithophoridés qui sécrètent les plaques de calcite microscopiques (environ 5 µm) appelées coccolithes sont des organismes phytoplanctoniques, alors que les foraminifères planctoniques (200 à 500 µm environ) font partie du zooplancton. L’étude de ces organismes va permettre de reconstituer au cours du temps les changements d’activité de la pompe biologique. Comme ces organismes vivent dans la zone de mélange océanique, qui est influencée par les conditions atmosphériques de surface, leurs microfossiles vont également être des témoins des conditions paléoclimatiques.
Depuis une dizaine d’années, un nouveau champ de recherches s’est ouvert avec les études paléoclimatiques à haute résolution. Ainsi, l’analyse à haute résolution des isotopes de l’oxygène dans les carottes de glace du Groenland, a permis de mettre en évidence des changements abrupts du climat pendant les 60 000 dernières années (Dansgaard et al., 1993). Ces changements abrupts, les événements de Dansgaard/Oeschger, débutent par un réchauffement abrupt des températures atmosphériques au Groenland de 5-10°C en quelques décennies ou moins, et sont suivis par un refroidissement graduel sur quelques centaines ou milliers d’années (figure 1.). Le refroidissement accélère pour atteindre la phase la plus froide du cycle (stadiaire). Ces oscillations de température sont également associées à des changements significatifs de la concentration atmosphérique en gaz à effets de serre (le CH4 par exemple), qui ont sans doute joué un rôle d’amplificateur comme au cours des cycles glaciaire/interglaciaires (Alley et al., 1999). La durée moyenne d’un cycle est d’environ 1500 ans. L’étude des carottes sédimentaires de l’Atlantique Nord montre que ces changements de température sont à mettre en relation avec des modifications de la circulation océanique. Dans l’Atlantique Nord, le réchauffement différentiel des basses latitudes par rapport aux hautes latitudes tend à accélérer la circulation des eaux de surface vers les pôles, alors que l’évaporation aux basses latitudes, et l’apport d’eaux peu salées aux hautes latitudes tendent inversement à réduire cette circulation. Actuellement, le gradient thermique joue un rôle plus critique que celui du gradient de salinité des eaux de surface. Ainsi, le flux d’eaux de surface chaudes chaudes vers le Nord est contrebalancé par la formation des eaux profondes Nord-Atlantique dans les mers Nordiques qui plongent vers le Sud. Il n’existe pas dans les autres océans de similaires zones de convection. Les eaux profondes Nord-Atlantique vont donc alimenter une boucle de circulation océanique globale, la circulation thermohaline .
Structure de cette thèse
Formellement, la plus grande partie des résultats obtenus pendant cette thèse ont fait l’objet de rédaction d’articles en anglais. J’ai fait le choix de conserver les articles originaux, en introduisant brièvement chaque article par un exposé de la problématique scientifique, en détaillant les méthodes utilisées dans chaque article, et en résumant les principaux résultats. Les chapitres ont été classés dans trois parties dont la séparation est nécessairement arbitraire, et ne permet pas de s’affranchir des recoupements entre ces différentes parties.
Dynamique paléoclimatique rapide
Le premier chapitre décrit un enregistrement à haute résolution de la Production Primaire en mer de Sulu, un marqueur de la dynamique de la mousson d’hiver. Dans ce chapitre, nous discutons des problèmes de téléconnexions entre la mousson Est-asiatique et les hautes latitudes pour les événements de Dansgaard-Oeschger. Nous nous sommes également attaché à décrire finement les caractéristiques spectrales de cet enregistrement, pour tester la stabilité dans le temps des fréquences suborbitales.
Le deuxième chapitre concernant les changements climatiques rapides décrit un enregistrement à très haute résolution de l’hydrologie de surface du Golfe Papou. Nous montrons que de brusques relargages de méthane se sont produits pendant le dernier stade glaciaire l.s. dans la mer de Corail. Ces relargages sont interprétés comme étant liés à la dissociation thermique de gaz hydrates de méthane pendant les bas niveaux marins. Ces relargages peuvent avoir un effet de rétroaction positive important pour le climat global.
Dynamique glaciaire/interglaciaire
Le premier chapitre décrit un nouvel enregistrement des températures des eaux de surface dans le cœur du réservoir d’eau chaude du Pacifique Ouest, qui remet en accord les valeurs de températures estimées par les données issues des comptages de foraminifères planctoniques de celles estimées par les alkénones. Une nouvelle fonction de transfert évitant des biais liés selon nous à la structure des écosystèmes a été développée pour toute la bande équatoriale sauf le Pacifique Est. Cet enregistrement confirme les estimations de température au dernier maximum glaciaire de CLIMAP. Le deuxième chapitre décrit une série d’enregistrements de production primaire le long de l’équateur dans les océans Indo-Pacifiques. La profondeur de la thermocline le long de l’équateur apparaît suivre un balancement entre le Pacifique équatorial occidental d’une part, et le Pacifique Est et l’Ouest de l’océan Indien d’autre part, à l ‘échelle de la précession. Ce mécanisme est analogue à celui de l’ENSO, et de la cellule de circulation atmosphérique de la mousson indienne qui actuellement sont présents à l’échelle interannuelle. L’existence d’un cycle à 30 000 ans dans ces enregistrements, similaire à celui observé dans les variations de concentration atmosphériques en CO2, souligne le rôle de la pompe biologique aux basses latitudes.
Morphométrie des foraminifères planctoniques
L’étude du génotype de foraminifères planctoniques a mis en évidence une diversité cryptique insoupçonnée auparavant. Celle-ci nécessite un effort de caractérisation morphométrique. Ce premier chapitre prend l’exemple d’Orbulina universa dans le Pacifique ouest. En utilisant les critères de porosité et de taille moyenne du test de ce foraminifère nous caractérisons la diversité morphologique de cette espèce. La calibration des ces deux critères en fonction de divers paramètres environnementaux a été ensuite testée dans deux enregistrements sédimentaires du Pacifique ouest. La reconnaissance automatique des foraminifères qui permettrait d’étudier en routine la morphométrie des foraminifères, et donc de tester de nouvelles fonctions de transfert basées sur une taxonomie quantitative a fait l’objet d’une étude préliminaire. La méthode des réseaux de neurones a été appliquée avec succès au nannoplancton. Nous montrons dans ce chapitre les résultats préliminaires de cette méthodologie adaptée aux foraminifères planctoniques.
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Table des matières
Introduction
A – Introduction Générale
B – Structure de la thèse
Dynamique Climatique rapide
Chapitre 1 : Variabilité millénnale de la mousson d’hiver Est-Asiatique
Problématique
Méthode
Résumé de l’article
Millenial-scale dynamics of the East asian winter monsoon during the last 200,000 years : de GaridelThoron, T., Beaufort, L., Linsley, B., and Dannennmann, S. (2001) Paleoceanography, v. 16, p. 491-
Abstract
1. Introduction
2. Material
3. Methods
3.1 Age model
3.2 Signal Analysis
3.2.1. Spectral Analysis
3.2.2. Singular Spectrum Analysis
3.3 Florisphaera profunda : paleoproductivity marker
4. Results
4.1 Glacial-interglacial variations
4.2 Sub-Milankovitch dynamics
4.2.1 Bolling/Allerod and the Younger Dryas event
4.2.2 Millennial-scale PP events during MIS 3
4.3 Analysis in the Frequency Domain (Suborbital Frequencies)
4.3.1 The 1.5 kyr cycle
4.3.2 The 2.4 kyr cycle
4.3.3 The 4.2-3.3 kyr cycle
4.3.4 The 6 kyr cycle
5. Discussion: High-Frequency Cycles
5.1 The 2.4 kyr Cycle
5.2 Pseudo 1.5 kyr Cyclicity
6. Conclusions
References
Chapitre 2 : Relargages massifs de clathrates de méthane pendant le dernier stade glaciaire
Problématique
Méthodes
Résumé de l’article
Références
Large gas hydrate methane releases during the last glacial stage. de Garidel-Thoron, T., Beaufort, L
and Bassinot F. soumis à Geology
Abstract
Introduction
Material and Method
Results
Discussion
References
Dynamique glaciaire-interglaciaire
Chapitre 3 : Température des eaux de surface du Pacifique Ouest équatorial
Problématique
Principe des fonctions de transfert
1- Les fonctions de transfert d’Imbrie et Kipp
2- La méthode des analogues
3- Les réseaux neuronaux
Résumé de l’article
Glacial-interglacial sea-surface temperature changes in the Western Pacific warm pool inferred from
planktonic foraminifera and alkenones. de Garidel-Thoron, T., Beaufort, L., Bard, E., Sonzogni, C.,
and Mix, A.C., : soumis à Paleoceanography
Abstract
1. Introduction
2. Methods
2.1.1. Imbrie-Kipp transfer functions
2.1.2. Modern Analog Technique (MAT)
2.1.3. A regional transfer function for the Western Pacific
2.1.3.1.1. Core-top data-set
2.1.3.1.2. Oceanic parameters
2.1.4. Downcore analysis : foraminifera and stratigraphy
2.1.5. Alkenone measurements
3. Results
3.1.1. Eastern equatorial Pacific an anomalous area ? – modification of the core-top data-set
3.1.2. Faunal factors
3.1.3. Evaluating transfer function bias
3.1.4. Application to the Western Pacific core MD 97-2138
3.1.5. Alkenones SSTs
4. Discussion : The glacial SSTs in the Western Pacific
4.1.1. The last glacial maximum
4.1.2. Precession and ENSO dynamics in the Western Equatorial Pacific
4.1.3. The marine isotope stage
5. Conclusions
References
Conclusion
