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Evolution du δ13CO2 atmosphérique au cours des changements rapides du CO2 dans le passé : marqueur des mécanismes de couplage climat-carbone

par BRONDEX Julien - 30 octobre 2015 - ( maj : 30 octobre 2015 )

Jinhwa SHIN

Date de début et de fin : octobre 2015 - septembre 2018

Financement : LABEX OSUG 2020 + ERC ICE&LASERS

Directeurs : Jérôme Chappellaz (LGGE) et Roberto Grilli (LGGE)

Résumé :

Les simulations du climat futur reposent désormais sur la prise en compte du couplage intime entre le climat et le cycle du carbone, susceptible de diminuer les puits naturels de dioxyde de carbone (CO2) anthropique, voire de transformer en sources de CO2 les réservoirs naturels de carbone sous l’effet du réchauffement global. Ce couplage fait intervenir à la fois le compartiment océanique (intensité de la pompe biologique, échanges océan/atmosphère, ventilation des eaux profondes) et le compartiment terrestre (dynamique des sols gelés, migration de la forêt boréale, évolution des forêts tropicales en fonction du cycle hydrologique). L’échelle de temps caractéristique pour la plupart de ces rétroactions se chiffre en décennies au minimum, et le plus souvent en millénaires. Ainsi les observations actuelles du CO2 atmosphérique et des flux associés ne suffisent pas à comprendre les mécanismes impliqués dans les rétroactions lentes. Elles doivent être complétées par des contraintes sur ces rétroactions climat-carbone couvrant les variations climatiques à long terme, comme celles caractérisant les derniers cycles climatiques glaciaire-interglaciaires. Ces contraintes permettent alors d’évaluer les modèles couplés sous des conditions aux limites différant largement de la période instrumentale, et donc d’accroître notre confiance dans leurs simulations du futur. Si l’on connaît désormais relativement bien l’évolution du rapport de mélange du CO2 au cours des derniers 800.000 ans grâce aux carottes de glace, il n’en va pas de même d’un autre marqueur tout aussi pertinent pour comprendre les couplages lents entre climat et carbone : le rapport isotopique 13C/12C du CO2 (notation δ13CO2). Ce rapport résulte des échanges permanents entre les trois réservoirs principaux de carbone à ces échelles de temps : atmosphère, biosphère continentale, océan. Selon les réservoirs et les mécanismes impliqués, le CO2 transféré possède une signature isotopique plus ou moins enrichie ou appauvrie en isotope lourd 13C. L’évolution temporelle du signal δ13CO2 permet donc de restreindre le champ des scénarios capables d’expliquer – par exemple – l’augmentation de 40% du CO2 lors d’une transition glaciaire-interglaciaire. Le LGGE a contribué aux premières reconstructions détaillées du δ13CO2 atmosphérique au cours de la dernière transition climatique glaciaire-interglaciaire, grâce à l’analyse du forage européen EPICA à la base Concordia en Antarctique. En raison de la faible intensité de son changement (de l’ordre de quelques dizièmes de ‰) et des difficultés analytiques, ce signal de δ13CO2 représente un véritable défi à acquérir, qui motive plusieurs équipes au niveau international depuis plus de 15 ans. Nous proposons d’appliquer un nouveau système analytique révolutionnaire que nous avons développé en collaboration avec des physiciens des lasers au Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (LIPhy, Grenoble), pour revisiter cette transition climatique avec une bien meilleure précision analytique et pour étendre l’étude à d’autres épisodes de variations relativement rapides du CO2. On visera en particulier à mieux contraindre le rôle qu’a pu jouer la biosphère continentale (dynamique du permafrost, décomposition du carbone des plateaux continentaux lors des transgressions marines) dans ces variations. L’instrument utilisé repose sur la technologie brevetée à Grenoble, appelée Optical-Feedback Cavity-Enhanced Absorption Spectroscopy. Il utilise une diode à cascade quantique comme source lumineuse, pour mesurer avec grande précision les isotopologues du CO2 sans préconcentration préalable.

Abstract :

Model simulations of the future climate now rely on the close coupling between climate and the carbon cycle. This coupling could reduce the natural sink of carbon dioxide (CO2) from anthropogenic origin, or even transform into CO2 sources the natural carbon reservoirs under the effect of global warming. The coupling takes place both in the ocean compartment (biological pump intensity, ocean/atmosphere exchanges, deep water ventilation) and the terrestrial one (permafrost dynamics, migration of boreal forests, tropical rainforest evolution as a function of the hydrological cycle). The typical time scale of these feedbacks is decades at the minimum, but most often millennia. As a consequence, current observations of atmospheric CO2 changes and associated fluxes are not sufficient to fully understand the mechanisms involved in the slow feedbacks. These observations must be reinforced from constraints on the climate / carbon cycle feedbacks during long term climate changes, such as those characterizing the last glacial-interglacial cycles. These constraints allow one to evaluate coupled climate models under different boundary conditions compared with the instrumental time, and thus to add more confidence in future climate simulations. If the past evolution of atmospheric CO2 concentration is well known by now for time periods covering the last 800,000 years from ice core studies, the situation is much different for another useful tracer to better understand the coupling between climate and the carbon cycle : the 13C/12C stable isotopic ratio of CO2 (notation δ13CO2). This ratio in the atmosphere results from the constant exchanges of carbon between the three main reservoirs playing a role at these time scales : the atmosphere, the continental biosphere and the oceans. Depending on the involved reservoirs and mechanisms, the transferred CO2 bears an isotopic signature which is either enriched or depleted of the heavy isotope 13C. The temporal evolution of the δ13CO2 signal in the atmosphere thus allows one to restrict the range of scenarios able to explain – for instance – the 40% increase of atmospheric CO2 during the last glacial-interglacial transition. The LGGE has contributed to the first detailed reconstruction of atmospheric δ13CO2 changes in the course of the last glacial-interglacial transition, by analysing ice from the European drilling project EPICA at Concordia Station in Antarctica. Because of the very small amplitude of the changes (of the order of a few tenths of a ‰) and of analytical challenges, the δ13CO2 signal remains a real challenge to acquire, motivating several international teams since more than 15 years. we propose to apply a revolutionary and new analytical system that we recently developed in collaboration with laser physicists from the Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (LIPhy, Grenoble), to revisit the last climatic transition with a much better analytical precision, as well as to extend the work over other past episods of relatively rapid CO2 changes. This work