Interactions entre le climat et le cycle du carbone à des échelles de temps centennales à orbitales au cours des 2 derniers millions d'années

Interactions between the climate and the carbon cycle at centennial-to-orbital timescales over the past 2 million years

• Auteur / Autrice : Etienne Legrain
• Direction : Frédéric Parrenin, Emilie Capron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l’Environnement
• Date : Soutenance le 17/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des géosciences de l'environnement (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Didier Voisin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : María Fernanda Sánchez Goñi, Thomas Stocker
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Masson-Delmotte, Eric Wolff

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carottes de glace

Dioxyde de carbone atmosphérique

Paléoclimatologie

Mots clés libres

Paléoclimat

CO2 atmosphérique

Carotte de glace Antarctique

Variabilité climatique

Modélisation conceptuelle

Synthèse de températures de surface

Paleoclimate

Atmospheric CO2

Antarctic ice core

Climate variability

Conceptual modelling

Multi-Archive surface temperature synthesis

Résumé

Les projections climatiques futures dépendent de notre compréhension des processus liés aux changements dans le cycle du carbone et de la manière dont ce dernier interagira avec le climat pour les siècles et les millénaires à venir. Cette thèse combine des analyses expérimentales réalisées sur de la glace Antarctique avec une synthèse des températures de surface et de la modélisation conceptuelle, permettant ainsi d’étudier l'impact des changements dans le cycle du carbone sur le climat à des échelles temporelles centennales à orbitales. Mes résultats apportent de nouvelles perspectives :(i) À l'échelle orbitale : Les causes de la Transition du Pléistocène Moyen (MPT, ~1,2 - 0,6 Ma) font l'objet d'un large débat. Basé sur un nouveau modèle conceptuel du volume global de glace, je démontre que le forçage orbital a joué un rôle clé dans le déclenchement de la MPT, combiné à un changement graduel au sein du système interne terrestre. Ces résultats soutiennent l'hypothèse qu'une diminution sur le long terme des concentrations atmosphériques de CO2 durant le Pléistocène a déclenché la MPT.(ii) À l'échelle pluri-milléniale : Obtenir une représentation complète du climat pendant les périodes chaudes nécessite de se baser sur différentes archives sur toute la surface terrestre. Ici, je présente la première synthèse de données de température de surface à l'échelle mondiale pendant le stade marin isotopique 7 (MIS 7, ~ 245-190 ka). Mes résultats montrent que (i) les intensités des deux phases chaudes du MIS 7 sont similaires sauf dans les hautes latitudes australes, (ii) les changements climatiques dans les hautes latitudes sont corrélés avec les variations des concentrations atmosphériques de CO2 et (iii) les variations de température de surface sont corrélées avec les variations de l'obliquité pendant cette période, mettant en évidence des similitudes entre le MIS 7 et les interglaciaires pré-MPT.(iii) À l'échelle pluri-centennale : Les transitions glaciaire-interglaciaire (terminaisons) sont les périodes de réchauffement global les plus importantes des 2 derniers millions d'années. Les interactions en jeu entre le cycle du carbone et le climat pendant ces intervalles restent mal contraints. Sur la base de nouvelles et anciennes mesures des concentrations de δ15N de N2 et de CO2 atmosphérique issues de la carotte EPICA Dome C, je mets en évidence un retard à l'échelle pluri-centennale de la diminution des concentrations de CO2 atmosphérique par rapport au refroidissement climatique Antarctique à la fin de quatre des cinq dernières terminaisons. Ce décalage, similaire à celui observé pendant la variabilité à l'échelle millénaire de la dernière période glaciaire, suggère que les terminaisons sont achevées par des événements milléniaux. L'analyse de la séquence d'événements à la fin de la terminaison suggère également que le renforcement d'un puits de carbone situés aux basses et moyennes latitudes pourrait avoir déterminé le moment exact de la diminution des concentrations de CO2.(iv) À l'échelle centennale : Plusieurs augmentations abruptes des concentrations atmosphériques de CO2 ont été identifiées par des mesures de l’air inclus dans la glace de l'Antarctique. En combinant un nouvel enregistrement des concentrations de CO2 atmosphérique sur la période 260-190 ka avec des enregistrements publiés, je constate que 18 des 20 événements centennaux identifiés se produisent dans un contexte d'obliquité élevée. De nouvelles simulations réalisées avec le modèle du système terrestre LOVECLIM confirment cette influence de l’obliquité et pointent vers la biosphère continentale comme source de carbone modulée par l'obliquité lors de ces événements rapides.Dans l'ensemble, mes résultats soulignent deux caractéristiques du climat du Pléistocène : (i) le rôle prédominant du forçage orbital dans les interactions entre le climat et le cycle du carbone, et (ii) une interaction forte entre les processus agissant à différentes échelles temporelles.

Short- and long-term future climate projections strongly depend on our understanding of the processes related to changes in the carbon cycle and how the latter interacts with climate for the centuries to millennia to come. Past climates offer a diversity of climatic conditions that provide the necessary hindsight to explore these interactions at different time scales. My PhD work combines experimental analyses performed on Antarctic ice together with a surface temperature synthesis and conceptual modelling to investigate the impact of carbon cycle changes on the Earth’s climate at centennial-to-orbital timescales. My results provide new insights:(i) At orbital scale: The causes of the Mid-Pleistocene-Transition (MPT, ~1.2 – 0.6 Ma), during which the glacial-interglacial periodicity changed from ~40 to ~100 ka cycles are widely debated. Based on a new conceptual model of global ice volume, I demonstrate that the orbital forcing played a key role in triggering the MPT. In addition, I show that an additional gradual forcing within the Earth’s internal system is required to fully simulate the MPT. These results support the hypothesis that a long-term decrease in atmospheric CO2 concentrations throughout the Pleistocene triggered the MPT.(ii) At multi-millennial scale: Having a comprehensive picture of the climate during warm periods require combining climate reconstruction from various archives across the globe. Here, I present the first surface temperature data synthesis at global scale across the interglacial Marine Isotope Stage 7 (MIS 7, ~245-190 ka). My results show that (i) the intensities of the two MIS 7 warm phases are similar in magnitude apart in the southern high latitudes, (ii) the high-latitudes climatic changes are correlated with variations in the atmospheric CO2 concentrations and (iii) the surface temperature changes are correlated with the obliquity variations during this period, underlying similarities between MIS 7 and pre-MPT interglacials.(iii) At multi-centennial scale. Glacial-interglacial transitions (also referred to as terminations) are the largest global warming periods of the past 2 Ma. The interactions at play between the carbon cycle and the climate during these intervals remains not well constrained. Based on new and published records of δ15N of N2 and atmospheric CO2 concentrations measured on the air trapped in the EPICA Dome C ice core, I evidence a multi-centennial scale lag of the atmospheric CO2 concentrations decrease over the Antarctic climate cooling at the end of four of the past five terminations. This delay, similar to the one observed during the millennial-scale variability of the last glacial period, suggests that terminations are ultimately ended by millennial-scale events. The analysis of the sequence of events at the end of termination also suggests the enhancement of a mid-to-low latitude carbon sink that may constrain the exact timing of the atmospheric CO2 decrease.(iv) At centennial scale. Increases of atmospheric CO2 concentrations at a rate superior to 1.5 ppm/century have been identified in high-resolution Antarctic ice core records over the past 500 ka. Combining a new atmospheric CO2 record spanning the 260-190 ka period with published ones, I find that 18 of the 20 identified centennial-scale events occur in an orbital context of high obliquity. New simulations performed with the Earth System Model LOVECLIM support the hypothesis that the occurrence of centennial-scale carbon cycle variations is tight to the obliquity context and also point toward the continental biosphere as the obliquity-dependent source of carbon during these rapid events.Overall, my results evidence two main characteristics of the Pleistocene climate: (i) the pervasive role of the orbital forcing in the climate-carbon cycle interactions regardless of the timescale considered, and (ii) a close interplay between the processes acting at different timescales on the carbon cycle-climate interactions.