1Dans le cadre du changement climatique en cours, la communauté scientifique s’efforce de prévoir le réchauffement à venir de la planète et ses impacts en fonction de la quantité de gaz à effet de serre (gaz qui ont un effet réchauffant sur le climat) que les activités humaines émettent. Des modèles numériques du climat de la Terre sont utilisés pour réaliser ces projections climatiques. Certains aspects des projections climatiques apparaissent comme certains. Par exemple, tous les modèles simulent un réchauffement à venir, d’autant plus grand que les activités humaines émettent des gaz à effet de serre. Là-dessus, tous les modèles s’accordent entre eux, et la communauté scientifique comprend bien, par des considérations physiques, le comportement des modèles. En revanche, d’autres aspects du changement climatique sont plus incertains. Par exemple, les modèles ne sont pas tous d’accord sur l’amplitude exacte du réchauffement global en réponse à une augmentation donnée de la concentration en gaz à effet de serre, ni sur les changements de pluie dans les régions de mousson (Afrique de l’Ouest, Amazonie), ni sur le changement de la fréquence des évènements de pluie extrême tels que les cyclones. La période historique récente, pour laquelle nous disposons d’instruments de mesures, permet bien de détecter des changements récents pour ces aspects, mais elle est trop courte et trop perturbée par des facteurs autres que la concentration en gaz à effet de serre pour pouvoir quantifier précisément la réponse du climat aux émissions de gaz à effet de serre. Les paléo-climats, ou climats du passé plus lointains que la période historique récente, permettent donc de tester des hypothèses sur le comportement du climat de la Terre. Ils permettent en outre de tester le réalisme des variations climatiques simulées par les modèles numériques de climat.
2Le climat a varié de manière naturelle tout au long de l’histoire de la Terre. Par exemple, le climat du dernier million d’années montre des alternances de périodes similaires à l’actuelle, appelées interglaciaires, et de périodes plus froides, appelées glaciaires. Ces variations, d’une cyclicité d’environ 100 000 ans, sont liées à des variations naturelles dans la façon dont la Terre tourne autour du soleil et sur elle-même. Il y a 21 000 ans, c’était l’époque du dernier maximum glaciaire : il faisait environ 5°C plus froid en moyenne qu’actuellement, et une partie de l’Europe était recouverte de glace (figure 1). Cette période permet d’estimer la réponse du climat aux concentrations de gaz à effet de serre et de tester la capacité des modèles à la simuler. De plus, en réponse aux changements de température et d’englacement, les zones de pluie se déplacent, certaines régions deviennent plus sèches, d’autres plus humides. Ces changements passés des pluies permettent de tester notre compréhension et notre capacité à simuler les changements de pluie futurs.
Figure 1 : Carte de l’Europe au dernier maximum glaciaire
Carte montrant l’extension des calottes de l’hémisphère Nord à cette époque
© Wikimedia Commons
3Les alternances de périodes glaciaires et interglaciaires correspondent à des variations climatiques de quelques degrés en moyenne globale sur des milliers d’années. Elles sont donc beaucoup plus lentes que le changement que nous sommes en train de vivre actuellement en réponse aux émissions humaines de gaz à effet de serre, qui est d’un degré sur 100 ans et qui s’accélère. Mais la Terre a aussi déjà connu des changements climatiques « abrupts », même s'ils étaient souvent moins globaux et moins persistants que le changement climatique en cours. Par exemple, au cours des périodes glaciaires, des augmentations de températures de plusieurs degrés sur quelques dizaines d’années ont eu lieu dans l’hémisphère Nord. Appelées événements de Dansgaard-Oeschger (d’après les paléoclimatologues qui les ont identifiés), elles étaient suivies par un retour plus lent à l’état glaciaire. Ces variations sont un cadre d’étude très utile pour tester des hypothèses sur les échanges de chaleur entre les deux hémisphères et pour comprendre comment le climat réagit lors de changements rapides.
4Pour reconstruire les températures ou les pluies des climats passés, des méthodes variées existent : l’analyse des pollens ou des fossiles dans les sédiments, des cernes d’arbres… Nous nous concentrerons ici sur deux méthodes que le Laboratoire de météorologie dynamique (LMD) a contribué à développer et à affiner : la composition isotopique de l’eau et les enregistrements de lœss.
5Une molécule d’eau H2O est constituée d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène. Certains atomes d’hydrogène sont plus lourds que d’autres, de même que certains atomes d’oxygène. Cela donne des molécules d’eau qui sont plus lourdes que d’autres. La proportion relative des molécules d’eau de différentes masses s’appelle la composition isotopique. À chaque changement de phase, les molécules d’eau de différentes masses sont redistribuées entre les phases, ce qui modifie la composition isotopique. Ainsi, la composition isotopique de la vapeur d’eau, de la pluie ou de la neige dépend des changements de phases qui ont lieu tout au long du cycle de l’eau. Une conséquence est que la composition isotopique enregistrée dans les glaces polaires (figure 2a) permet de reconstituer les températures polaires passées. C’est ainsi que les cycles glaciaires-interglaciaires et les évènements de Dansgaard-Oeschger ont pu être identifiés.
Figure 2 : Exemples d’indices paléo-climatiques
(a) Une carotte de glace antarctique ; (b) Une coupe d’un spéléothème ; (c) Les dépôts à Nussloch en Allemagne montrant des paléosols interglaciaires surmontés de dépôts de loess glaciaires ; (d) Un granule de vers de terre (environ 2 mm) issu d’un paléosol, observée au microscope (d’après Prudhomme 2017).
(a) © Pete Akers/IGE/CNRS Images, (b) © Christiane Causse/CNRS Images, (c) © Denis-Didier Rousseau
6Dans les tropiques, la composition isotopique de l’eau enregistrée dans les minéraux, comme la calcite des spéléothèmes (figure 2b), ou dans les cires de plantes, est toutefois plus difficile à interpréter. De nombreuses études suggèrent que la composition isotopique de l’eau tropicale reflète plutôt la quantité de pluie. Elle permettrait donc de reconstituer les changements passés de pluie, notamment dans les régions de mousson. Mais en réalité, les facteurs contrôlant la composition isotopique des pluies tropicales sont plus complexes.
7Tout d’abord, la composition isotopique de la pluie ne dépend pas que de la pluie locale, mais aussi de celle en chemin, sur le trajet des masses d’air. Elle dépend aussi de l’origine des masses d’air, et de leur interaction avec la végétation. Pour pouvoir décortiquer tous ces facteurs, modéliser la composition isotopique dans un modèle numérique de l’atmosphère globale est indispensable. C’est pourquoi le LMD a joué un rôle moteur dans l’introduction des isotopes de l’eau dans plusieurs générations de modèles atmosphériques (encadré).
8Ensuite, le fait que la composition des pluies tropicales reflète la quantité de pluie s’explique par les processus qui ont lieu dans les orages. Grâce à l’expertise du LMD sur la convection et sa modélisation, nous avons décortiqué les mécanismes par lesquels les processus dans les orages impactent la composition isotopique de l’eau, à partir d’observations et de simulations numériques. Il se trouve que les orages peuvent prendre différentes formes, de petites averses à des orages plus gros comme les lignes de grains ou les cyclones (figure 3). Quel est l’impact des différentes formes orageuses sur la composition isotopique de l’eau ? Comme les modèles de climat global ont une résolution trop grossière pour représenter les formes orageuses, répondre à cette question a nécessité l’utilisation de modèles à beaucoup plus haute résolution, de l’ordre du km, mais sur des domaines limités. Grâce à l’expertise du LMD sur ce type de modèles, nous avons décortiqué comment les différentes formes orageuses impactent la composition isotopique de la vapeur d’eau. Cet impact complique l’interprétation des enregistrements isotopiques dans les tropiques. Mais c’est aussi une opportunité, pour reconstituer les variations passées d’évènements de pluie extrême, par exemple liés aux cyclones. On appelle cela la paléo-tempestologie.
Figure 3 : Photos de différents types d’orages
(a) Photo par avion d’un orage isolé, donnant une courte averse ; (b) Photo au sol d’une ligne de grains au Mali ; (c) Image satellite d’un cyclone tropical, le super Typhon Yutu.
(a) © Nicolas METZL/CNRS Images, (b) © Françoise GUICHARD/Laurent KERGOAT/CNRS Images, (c) © NASA
9Les lœss (figure 2c) sont des sédiments continentaux principalement formés pendant les périodes glaciaires, par l’accumulation de poussières transportées par le vent. Présents sur la plupart des continents, ils regorgent d’informations paléo-climatiques. Ils informent sur les circulations atmosphériques passées, et peuvent servir à tester les modèles d’atmosphère. De forts taux d’accumulation, et des grains plus grossiers, témoignent généralement d’un climat froid et sec, avec beaucoup de vent, et peu de végétation. Les taux faibles (voire nuls) correspondent aux périodes plus chaudes et humides, avec formation de sols (Rousseau et al. 2017). Dans les paléosols, mais aussi (en moindre mesure) dans les couches de lœss, on peut trouver des granules de calcite que les vers de terre produisent quotidiennement pendant leur vie dans ce milieu (figure 2d). Ces granules peuvent être datés avec précision, et leur compositions isotopiques en oxygène et en carbone permettent de reconstruire respectivement la température, et l’humidité du sol (Prud’homme, 2017).
10Lorsque les poussières ont été implémentées pour la première fois dans un modèle numérique d’atmosphère - celui du LMD, au même titre que les isotopes de l’eau (voir encadré) - c’était principalement en lien avec leurs variations à l'échelle glaciaire-interglaciaire dans les glaces polaires. D’autres modèles de circulation globale ont intégré ensuite les poussières pour étudier les mécanismes à l'œuvre. En retour, les modèles s’appuient sur les données d’observation pour s’améliorer. Par exemple, au début, les taux de dépôt simulés pour le dernier maximum glaciaire étaient trop faibles, car on considérait comme sources de poussière uniquement les déserts modernes. Ajouter les sources en périphérie des glaciers a augmenté de moitié les flux de dépôt simulés, en meilleur accord avec les données.
11Au LMD, nous avons appliqué l’approche combinée modélisation-observation aux changements climatiques abrupts enregistrés dans la bande de lœss européenne autour de 50°N, par une alternance de couches de lœss et paléosols. Nous avons montré que les sources principales de poussière étaient régionales : notamment la périphérie de la calotte glaciaire scandinave, le plateau continental de la Manche et la Mer du Nord, émergé selon la baisse du niveau marin (figure 4b). Les poussières étaient soulevées surtout au printemps (Sima et al., 2009), par des tempêtes pouvant les transporter jusqu’à plusieurs centaines de kilomètres, voire plus pour les particules les plus fines. Le lien a été établi entre les événements Dansgaard-Oeschger identifiés dans la glace polaire et les changements abrupts en Europe en période glaciaire, lien confirmé ultérieurement par la datation précise des paléosols via des granules de vers de terre. Les variations de taux de sédimentation des lœss semblent dues en grande partie aux variations de la végétation, plus développée pendant les phases relativement chaudes, inhibant le soulèvement des poussières.
12L’exploitation des enregistrements isotopiques et de poussières pour reconstituer les changements de pluie et d’évènements extrêmes continueront à bénéficier des interactions entre le LMD et d’autres laboratoires plus axés sur les paléoclimats, comme le Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (LSCE) ou Géosciences Montpellier. Nous travaillons notamment à représenter différentes formes orageuses dans le modèle global de l’atmosphère du LMD, et à mieux modéliser les mécanismes atmosphériques qui impactent le soulèvement, transport et dépôt des poussières. Le but ultime de ces études est d’exploiter les variations passées du climat pour mieux comprendre les mécanismes actuels du changement climatique, mieux évaluer la capacité des modèles à les simuler, et informer sur le changement climatique à venir.
La modélisation de la composition isotopique l’eau et des poussières dans le modèle global du LMD.
C’est au LMD que la composition isotopique de l’eau et les poussières ont été implémentés pour la première fois dans un modèle global de l’atmosphère. En 1981, Claude Lorius, spécialiste français des glaces polaires, est venu présenter au LMD ses enregistrements d’isotopes dans l’eau et de poussières dans des carottes de glace. Robert Sadourny, pionnier de la modélisation atmosphérique au LMD avec Katia Laval, a alors eu l’idée d’implémenter les isotopes dans l’eau et les poussières dans le modèle du LMD, pour aider à l’interprétation des enregistrements dans les carottes de glace. C’est Sylvie Joussaume, au cours de sa thèse de 3e cycle puis d'État, encadrée par Robert Sadourny, qui s’est attelée à cette tâche. À l’époque, cela n’avait jamais été fait, c’était un “pari fou”, sans garantie que ça finisse par marcher. Après plusieurs années de persévérance, les efforts de Sylvie Joussaume ont fini par payer. Les premières simulations avec isotopes dans l’eau et poussières, pour l’actuel puis le dernier maximum glaciaire, ont vu le jour (Joussaume et al 1984). Ces travaux ont ouvert la voie à d’autres implémentations des isotopes dans l’eau et des poussières dans d’autres modèles atmosphériques, au cours des décennies suivantes.
Après les travaux pionniers de Sylvie Joussaume, la modélisation des isotopes dans l’eau et des paléo-poussières a connu une longue pause au LMD. Entre temps, le modèle d’atmosphère du LMD a beaucoup évolué. Nommé LMDZ (« Z » pour sa capacité de tourner sur des grilles « zoomées »), il pouvait désormais tourner aussi en couplage avec des modèles d’autres composantes du système climatique (océan, surfaces continentales, chimie-aérosols…), l’ensemble formant le modèle de climat de l’IPSL. Les isotopes dans l’eau avaient disparu, et pendant près de 20 ans, les efforts pour ré-implémenter ces isotopes dans le modèle se sont avérés infructueux. Les poussières pouvaient être représentées par le modèle d’aérosols, mais tout avait été réglé uniquement pour le climat présent. Ce n’est que dans les années 2000 que la modélisation des isotopes dans l’eau et des paléo-poussières au LMD connaîtra un nouvel essor.
Concernant les isotopes dans l’eau, Sandrine Bony les a fait revenir au LMD vers en 2005, initialement dans le but de mieux interpréter les archives préservées dans les glaciers andins et les mesures disponibles dans la haute atmosphère tropicale. Sandrine Bony et Camille Risi réalisent d’abord des simulations isotopiques de colonnes atmosphériques isolées, et montrent l’effet des différents processus orageux sur la composition isotopique de l’eau. À partir de 2007, grâce à la thèse de Camille Risi, co-encadrée par Jean Jouzel, et Sandrine Bony (Risi 2009, Risi et al 2010), les isotopes dans l’eau sont ré-implantés dans le modèle de climat global du LMD. Cela a permis de nombreuses applications des isotopes dans l’eau pour l’étude des processus et des climats présent et passés (Fig 4a). Aujourd’hui, une dizaine de modèles atmosphériques représentent la composition isotopique de l’eau, mais le modèle du LMD reste l’un des plus utilisés dans le monde.
Concernant les poussières, en 2007 est arrivé depuis Montpellier Denis-Didier Rousseau, spécialiste des enregistrements lœssiques. Le volet modélisation de ses projets a été pendant longtemps conçu et porté par Adriana Sima, au LMD depuis 2009 (post-doctorante, puis ingénieure de recherche CNRS). À travers ces projets, le LMD a été pionnier aussi dans l‘étude des changements climatiques abrupts en lien avec les lœss, à l’aide du modèle LMDZ. La contribution et l’expertise de nombreux modélisateurs, ingénieurs et spécialistes de données, la plupart du LSCE, mais aussi de LISA et d’autres laboratoires, ont été décisives. Adriana Sima a utilisé le couplage avec le modèle d’aérosols, pour simuler au début en « offline » seulement les émissions, puis « online » les émissions, le transport et dépôt des paléo-poussières. Elle a implémenté une formulation plus générale des sources - qui étaient restreintes aux déserts actuels - en fonction notamment de la végétation : une couverture végétale réduite en climat glaciaire transformait, totalement ou saisonnièrement, certaines régions en sources de poussière, alors qu’elles ne le sont pas aujourd’hui. Cela a permis par exemple de simuler pour la première fois les principales zones sources de poussière en Europe pendant une période glaciaire très marquée par des changements abrupts, il y a environ 40 000 ans (Figure 4b).
Le modèle LMDZ est en évolution continue, motivée entre autres par la participation aux exercices internationaux d’intercomparaison des modèles à la base des rapports du GIEC. Toute amélioration contribue aussi à une représentation plus réaliste du cycle des traceurs, dont les isotopes et les poussières, pour le climat actuel comme pour ceux passés et futur.
Figure 4 : Exemples de résultats de simulations numériques avec LMDZ
(a) Changement de composition isotopique de l’eau (exprimée en pour mil) entre le dernier maximum glaciaire et l’époque actuelle, simulée par LMDZ avec une résolution de 50 km, et mesurée dans des glaces ou des stalagmites (modifié de Risi 2009). (b) Sources de poussières simulées pour l’Europe en climat glaciaire il y a 40 000 ans environ, avec un niveau de la mer de 60 m plus bas qu’aujourd’hui, et une végétation beaucoup moins développée notamment à la proximité de la calotte glaciaire de la Péninsule Scandinave (A. Sima, modifié de Rousseau et al. 2014).