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Un nouveau regard sur le message des carottes tropicales andines

Dossier - Les secrets de notre climat actuel
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Les carottes de glace extraites des glaciers de haute altitude constituent de formidables archives de notre climat passé. Au travers de forage dans les glaciers andins découvrons les secrets de notre climat actuel.

  
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La conclusion de cette étude de calibration, nous a permise de regarder les enregistrements isotopiques issus des carottes andines avec un nouvel éclairage.

Forage de carottes de glace au San valentin. Dernière section de carotte de glace au contact du substrat rocheux lors du forage profond. Pour la première fois, plusieurs carottes de glace ont été extraites d'un glacier patagonien, le San Valentin (Chili, 47 degrés sud) culminant à 3900 m, dans le cadre du projet Sanvallor soutenu par l'ANR où sont impliqués l'unité de recherche Great Ice de l'IRD, le LSCE, le LGGE, le LMTG et notre partenaire chilien, le CECS. © Patrick Ginot - IRD

Les carottes de glace extraites des glaciers tropicaux nous permettent de reconstruire l'histoire du climat jusqu'au dernier maximum glaciaire, il y a environ 20 000 ans. La dynamique rapide des glaciers, la forte accumulation neigeuse par an (entre 0,5 et 1 m de neige par an) et les épaisseurs de glace réduites (150 m au maximum) ne permettent pas d'accéder à des archives climatiques plus anciennes contrairement aux carottages polaires (jusqu'à 800 000 ans en Antarctique de l'Est pour une carotte de près de 3,5 km et une accumulation neigeuse de 2 cm/an). En contrepartie, les carottes tropicales permettent d'étudier notre climat avec une très bonne résolution temporelle, atteignant la saison sur les derniers siècles (seule une résolution de plusieurs décennies, voire plusieurs siècles, est atteinte dans les carottes polaires).

Glacier San Valentin Chili 2007 © Bernard Pouyaud - IRD

Les carottes de glace issues des glaciers andins sont donc une aubaine pour mieux comprendre les réactions du climat tropical au fil du temps, dans des contextes de forçages très différents. Il ne faut pas oublier, par exemple, que c'est dans le Pacifique tropical que prend naissance le premier mode de variabilité climatique interannuelle : le phénomène El Niño. Je détaille ci-dessous les résultats importants que nous avons déduit des enregistrements isotopiques de la glace à différentes échelles de temps.

Vue vers l'Est depuis le glacier du San Valentin, au fond le lac Général Carerra. Pour la première fois, plusieurs carottes de glace ont été extraites d'un glacier patagonien, le San Valentin (Chili, 47 degrés sud) culminant à 3900 m, dans le cadre du projet Sanvallor soutenu par l'ANR où sont impliqués l'unité de recherche Great Ice de l'IRD, le LSCE, le LGGE, le LMTG et notre partenaire chilien, le CECS. © Patrick Ginot - IRD

A - Le dernier siècle

La forte accumulation neigeuse sur les glaciers andins permet de reconstruire sur le dernier siècle la variabilité des précipitations avec une résolution saisonnière. L'un des résultats phares de l'étude des carottes tropicales est le signal isotopique décennal commun à toutes les carottes depuis l'Equateur jusqu'au sud de la Bolivie. Ce signal, que nous avons appelé Index Isotopique Andin (IIA), représente les variations de l'intensité des pluies dans le bassin Amazonien et sur l'Atlantique tropical Nord. Ce signal isotopique présente une corrélation significative avec l'évolution de la variabilité interannuelle des précipitations globales, au premier ordre, contrôlées par le phénomène El Niño. Ce phénomène, qui peut être considéré comme une oscillation interne du système climatique apparaissant à des intervalles irréguliers allant de 2 à 7 ans et résultant du couplage entre l'océan et l'atmosphère, entraîne des déplacements de masses d'eau chaude de part et d'autre du Pacifique tropical.

Il modifie ainsi la température de surface de l'océan ce qui provoque un déplacement de la cellule de circulation atmosphérique (dite de Walker) au-dessus de l'Amérique du Sud qui joue un rôle de courroie de transmission en modifiant largement l'abondance des pluies dans la région de l'Amazonie. La composition isotopique des pluies, moins appauvries lors de ces périodes El Niño (conditions sèches sur l'Amazonie), montre que les carottes de glace andines sont susceptibles d'enregistrer des modifications de ce phénomène qui, rappelons-le, provoque de terribles et meurtrières inondations dans certaines régions tropicales comme sur les régions côtières du Nord du Pérou.

B - Le Petit Age de glace

Le terme de "Petit Age de Glace" désigne une période relativement froide allant du 15ème à la fin du 19ème siècle avec un paroxysme entre 1600 et 1800. L'extension géographique de ce phénomène, tout comme son origine, sont débattues mais un consensus existe pour dire que ce phénomène a été centré sur l'Europe. Ce dernier a été mis en évidence grâce à l'étude de certaines archives climatiques comme les cernes d'arbres mais aussi grâce à la lecture de nombreux écrits qui l'attestent et au travers d'anciennes gravures et peintures (tableaux du peintre Pieter Bruegel montrant des hivers particulièrement froids dans le Nord de l'Europe). Dans l'hémisphère sud, les traces de cette période sont plus rares. Pourtant les glaciologues l'ont recherchée dans les glaciers andins. Entre 1650 et 1780, la composition isotopique de la glace montre une diminution significative qui pourrait s'interpréter comme une augmentation du régime des précipitations. Il n'y a pas d'indication en termes de température au cœur des carottes mais il est avéré qu'à cette même époque, l'avancée des glaciers andins était maximale. Ainsi, le "Petit Age de Glace" aurait-il aussi laissé des traces dans cette région tropicale de haute altitude comme étant une période plus froide et plus humide qu'aujourd'hui.

Sommet du San Valentin © Robert Gallaire - IRD

C - La dernière transition glaciaire-interglaciaire

La mesure de la composition isotopique sur le fond des carottes de glace andines, les derniers mètres, a apporté une surprise de taille. Le signal obtenu est très similaire à celui enregistré dans les calottes de glace polaires alors que, dans ces deux environnement glacés, le rapport entre le nombre de molécules d'eau lourdes et légères n'a absolument pas la même signification (température aux pôles, précipitation aux tropiques).

La composition isotopique des carottes de glaces extraites au Huascarán (Pérou), au Sajama (Bolivie) et à Illimani (Bolivie) montre sur les derniers mètres de la carotte un fort appauvrissement de la composition isotopique suivi d'une remontée significative du signal interrompue par un léger appauvrissement avant d'atteindre une composition relativement stable. Cette variation commune de type glaciaire-interglaciaire est tout a fait comparable à celle enregistrée dans les pôles et interprétée en termes de variations de température : un climat plus froid d'environ 10°C en Antarctique et 20°C au Groenland lors du dernier maximum glaciaire il y a 20 000 ans, suivi d'une déglaciation marquée par un retour à des conditions froides vers 12 000 ans, période connue sous le nom de Younger Dryas, avant d'atteindre la période de l'Holocène il y a 10 000 ans, période chaude caractérisée par une stabilisation de la composition isotopique à l'échelle du millier d'années, brièvement précédée par un optimum de température, appelé optimum de l'Holocène (il y a 11 000 ans environ).

Notre connaissance de la physique des isotopes stables et le travail de calibration sur site nous permettent de dire que le signal des glaciers andins, bien que similaire à celui de plus hautes latitudes, est relié au régime des précipitations. Ainsi, l'hypothèse apportée par ces signaux glaciaires tropicaux est que les régions andines et amazoniennes ainsi que l'océan Atlantique tropical sud (sources des précipitations) auraient été plus humides il y a 20 000 ans, ce qui n'exclut pas un climat moyen plus froid de 2 à 4°C dans ces régions comme le montrent les modèles de climat. Cette conclusion est nouvelle par rapport aux précédentes publications qui suggéraient davantage des conditions sèches dans le passé alors qu'il faut peut-être envisager l'Amazonie comme une mosaïque de conditions diverses il y a 20 000 ans.

Partie de la carotte de glace extraite du glacier Sajama Bolivie © Pouyaud, Bernard - IRD

Pour comprendre cette situation, revenons aux modifications qui ont touché les régions tropicales lors du dernier maximum glaciaire. Dans un climat plus froid, la bande de convergence intertropicale (l'équateur météorologique, lieu de précipitations convectives très intenses) est décalée vers le Sud à cause de la présence d'une immense calotte glaciaire dans les hautes latitudes de l'hémisphère Nord qui rompt la symétrie entre les deux hémisphères, provoque un gradient de température nord-sud anormal et pousse vers le Sud la branche descendante de la cellule de Hadley de l'hémisphère Nord. Ceci a pour conséquence de créer une augmentation des précipitations principalement au-dessus de l'Atlantique tropical Sud, dans une zone interceptée par les trajectoires des masses d'air précipitant sur les Andes (Vimeux et al., 2005).

Les modèles couplés de climat simulent parfaitement cette augmentation des précipitations sur l'océan Atlantique tropical sud et montrent peu de changement au-dessus de l'Amazonie. Ils suggèrent aussi que la saison humide était légèrement plus précoce qu'aujourd'hui. Ainsi, il y a 20 000 ans, le cumul des précipitations le long des trajectoires des  masses d'air est augmenté et la composition isotopique des neiges andines est-elle plus appauvrie en molécules lourdes.