Judith Curry [1] a publié le 8 septembre 2016 sur son site un article de Donald Rapp [2] intitulé « Beyond Milankovitch » qui approfondit la thèse selon laquelle les paramètres orbitaux décrits par l’astronome serbe Milutin Milanković (voir ici une vidéo explicative) sont insuffisants pour expliquer l’arrêt des périodes glaciaires et nécessitent donc un processus supplémentaire : ce sont les dépôts de poussières sur les calottes glaciaires qui en réduisant l’albédo de celles-ci déclenchent la fin des âges glaciaires. Cette thèse avait fait l’objet en 2014 de la contribution d’une équipe française publiée dans la revue Geophysical research letter [3] (commentée en français par le CNRS). Plus récemment (2016), Ellis et Palmer [4] ont décrit ainsi le mécanisme : « durant le maximum glaciaire, le manque de CO2 “affame” les plantes terrestres, cause la mort des forêts et des savanes entraînant la désertification et l’érosion des sols ; les tempêtes de poussières et de sable résultantes déposent de grande quantité de poussières sur les calottes glaciaires enneigées et réduisent leur albédo, permettant une plus grande absorption de l’insolation ». ll apparaît de plus, que ces divers épisodes climatiques résultent de phénomènes régionaux contrairement aux variations de CO2 qui, selon le mécanisme ordinairement admis et utilisé dans les modèles de calcul, a une action globale. Une traduction d’un précédent article de Daniel Rapp (octobre 2016) intitulé « Dépôts de poussière sur les calottes glaciaires: un mécanisme de terminaison des âges glaciaires ? » est accessible sur Skyfall.fr.
« Au delà de Milankovitch »
Un article de Daniel Rapp, traduit par Pierre Beslu.
1. Les fins des âges glaciaires se produisent lorsque l’ensoleillement augmente fortement.
Il n’y a aucun doute quant à l’apport de la théorie largement acceptée de Milanković concernant le fait que la fin des âges glaciaires est contrôlée par l’insolation de l’hémisphère nord (HN) au milieu de l’été. Mais il est également clair que l’ensoleillement de l’hémisphère nord seul n’est pas en adéquation parfaite avec la fin des ères glaciaires. La variation de l’irradiance solaire à hautes latitudes est modulée par la précession (de l’axe de rotation de la Terre) qui produit des oscillations avec des lobes (ou branches) montants et descendants continuels de l’irradiance solaire avec une période d’environ 22 000 ans. Tandis que chaque fin de glaciation est accompagnée par une portion de branches montantes de 5500 ans de l’ensoleillement aux latitudes élevées, de nombreuses hausses importantes (strong up-lobes) ne produisent pas d’arrêt de glaciation.
De nombreux pics d’irradiance solaire n’entraînent pas la fin de glaciation.
Alors que tous les arrêts de glaciations se produisent peu après une hausse significative de l’irradiance solaire, il existe beaucoup d’accroissements d’intensité de cette irradiance qui ne produisent pas de fin de période de glaciation ; celle observée autour de 400 000 ans avant notre ère n’est pas explicable par cette cause.
La Figure 1 montre l’intensité solaire relative du pic à 65°N en fonction des occurrences des diverses fins de période. Nous pouvons considérer que le modèle de variabilité de l’intensité du pic solaire sur la figure 1 correspond à la contribution de la précession des équinoxes (périodes d’environ 22000 ans) avec une enveloppe dont l’amplitude dépend de l’excentricité et de l’inclinaison de la terre qui varient lentement. On peut voir cela comme une onde radio AM dont l’onde porteuse de haute puissance est modulée en amplitude par le signal (dans notre cas l’excentricité et l’obliquité).
Le point clef étant que :
Il y a de nombreux pics dont seulement une fraction est associée à des fins de périodes glaciaires. En conséquence une hausse de l’irradiance solaire peut être nécessaire mais n’est certainement pas suffisante pour clore une glaciation.
Figure 1. Irradiance solaire à 65°N en plein été montré avec les rampes terminales glaciaires (Rothlisberger et al. -2008).
Nécessité d’un facteur X accompagnant les pics d’irradiance solaire pour provoquer l’arrêt des périodes glaciaires.
Au moins un autre facteur doit être associé au modèle global pour déterminer pourquoi et quand les glaciations s’achèvent. Après avoir lu des douzaines de papiers sur les fins d’âge glaciaire, je suis arrivé à la conclusion que les 800 000 ans qui nous ont précédés correspondent à un état naturel de la terre que nous appelons un « Âge Glaciaire ». Apparemment les âges glaciaires se produisent parce que le bilan énergétique de la terre pendant les temps pré industriels favorise la production de calottes glaciaires dans les régions nordiques et ces calottes glaciaires augmentent quand l’irradiance solaire dans l’hémisphère Nord est particulièrement et inhabituellement faible. Même durant les périodes avec des hausses importantes (lobes ascendants) de l’irradiance solaire de l’hémisphère Nord, des ères glaciaires persistent en l’absence d’autre(s) facteur(s) qui force(nt) les glaciations à s’achever. Après la fin de la période glaciaires une période interglaciaire s’ensuit. Apparemment ce facteur inconnu X diminue et éventuellement disparaît durant les périodes interglaciaires. Quand le (ou les) facteurs X ne sont plus opérants, la croissance graduelle des calottes glaciaires reprend à partir de la situation qui prévalait précédemment. Il faut plusieurs milliers d’années pour qu’un nouvel âge glaciaire arrive à échéance, mais finalement un nouveau maximum de calotte de glace finit par se former.
Ainsi nous n’avons pas, comme on pourrait s’y attendre, des périodes glaciaires inattendues qui interfèrent avec des périodes de chaleur naturelles relatives mais nous avons en fait des âges glaciaires persistants qui s’arrêtent quand le (ou les) facteurs X se manifestent comme une exception à la règle plutôt que comme un état de normalité. Les fins de glaciations sont des exceptions. Par conséquent, la quête du Graal des âges glaciaire est essentiellement la recherche du (ou des) facteurs X accompagnant l’ensoleillement de l’hémisphère nord.
Il est intéressant de noter que Wolff et ses collaborateurs comprirent en 2016 le besoin d’un facteur X. Ils écrivent :
« La théorie de Milanković suggère que les fins de glaciations et l’apparition des périodes interglaciaires associées devraient se produire lors de branches montantes de l’insolation estivale de l’hémisphère Nord. Comme tous les cycles de précession ne conduisent pas à une période interglaciaire, il doit se trouver d’autres facteurs qui gouvernent ces périodes interglaciaires qui apparaissent lors de certains cycles de précession des équinoxes et pas à d’autres ».
Le blog « doom » (un des sites les plus crédible de discussion sur le climat[5]) [1] examine en détail plusieurs théories et modèles des âges glaciaires et particulièrement la dynamique des calottes glaciaires. Ce blog conclut « q’un autre ingrédient est nécessaire pour expliquer le lien entre insolation et fin de glaciation ».
Et quel est cet ingrédient manquant qui accompagna l’augmentation de l’insolation de l’hémisphère Nord il y a environ 20000 ans en déclenchant la déglaciation alors qu’un ensoleillement plus intense avait précédemment échouer à le faire ? La fin du dernier âge glaciaire est un sujet fascinant qui défie notre capacité à comprendre le changement climatique.
Sur d’autres blogs, les auteurs et commentateurs semblent très heureux que des scientifiques du climat aient écrit un papier qui défend l’hypothèse orbitale sans un examen critique de ce que le papier soutient en réalité avec évidence.
Revenons à la question d’intérêt expliquant que la fin du dernier âge glaciaire. Le problème pour l’instant est moins l’absence d’une théorie que le fait que la richesse de données n’a pas encore permis d’établir clairement une chaîne de cause et d’effet. Or ceci est essentiel pour parvenir à dégager une théorie décente.
Cycle solaire depuis la glaciation maximale jusque à la fin de la période interglaciaire
La description idéalisée d’une fin de glaciation est montrée sur la figure 2. Sur cette figure les courbes bleues et rouges représentent l’intensité solaire du 21 juin à midi à la latitude 65° N pour les deux périodes, fin de glaciation/et période Interglaciaire, avec des échelles de temps surimposées. Dans les deux cas, les âges glaciaires de longue durée mûrissent durant des dizaines de milliers d’années. Tandis que les calottes glaciaires s’étendent, les pics périodiques d’irradiance solaire inhibent cette croissance pour un temps alors que les baisses d’irradiance augmentent au contraire la croissance des surfaces glaciaires. Mais tout compte fait, les calottes glaciaires croissent pendant des dizaines de milliers d’années. Finalement, l’âge glaciaire atteint sa température la plus basse, le CO2 voit sa concentration descendre en dessous de 200 ppm, la désertification qui en résulte génère d’importantes sources de poussières et le vent transfère cette poussière sur les calottes de glace. Cela fait pencher la balance énergétique et alors la calotte glaciaire disparaît rapidement quand l’albédo décroit. Les 5500 années de hausse furent suffisantes pour provoquer la fin de la période glaciaire. Une période interglaciaire prit place et dura environ 5500 ans. A ce moment, avec la résurgence de vie des plantes, la source de poussières tarit et l’insolation se mit à décliner. Un nouvel âge glaciaire commença par des débuts timides.
Avec cette description idéale, la durée totale de la fin de rampe à la période interglaciaire est de 11 000 ans (à un ou deux milliers près). Notons cependant que l’interglaciaire en cours semble durer trop longtemps pour s’accorder avec cette simple description. Cela reste difficile à expliquer bien que la suie, la saleté, les cendres et la poussière générée par les activités humaines lors des 500 dernières années ont sali les calottes glaciaires résiduelles au point qu’aucun nouvel âge glaciaire semble possible lors du millénaire à venir [5].
Fig 2 : Concept idéalisé des transitions des Ages glaciaires
Durée d’une fin d’âge glaciaire
Le tableau 1 indique les durées requises pour les fins de rampe entre conditions de glaciations et de périodes interglaciaires des 9 dernières déglaciations basées sur la revue de toutes les données depuis 800 000 ans. La durée de transition entre les conditions de glaciation et de déglaciation prend grossièrement 6000 ans (environ un quart de la période de précession des équinoxes).
Table 1. Durées en milliers d’années requises pour la transition entre les conditions glaciaires et interglaciaires.
Variation des variables physiques pendant un cycle de fin de glaciation.
Les données sur les modèles de transition du maximum glaciaire à l’Interglaciaire sont montrées sur les Figures 3 à 5 :
Figure 3. Superposition de neuf courbes de température autour de la fin de la dernière glaciation (WAIS, 2013)
Figure 4. Changement de Température autour de l’actuel interglaciaire. (Masson-Delmotte et al. -2011)
Figure 5. Variation des températures avant et pendant le précédent interglaciaire. (Masson-Delmotte et al.(2011))
2. Le dépôt de poussières : déclencheur de la fin des âges glaciaires.
Il a été trouvé que des niveaux élevés de poussières précèdent les fins de glaciation des 80000 dernières années. Les données des 2 dernières glaciations sont données figure 6.
Figure 6. Comparaison du taux de dépôt de poussières et des changements de température lors de la dernière et de la précédente fin de glaciation. Schneider et al. (2013) et Masson-Delmotte et al. (2011) ou WAIS (2013).
Ellis and Palmer (2016) souligne l’importance des dépôts de poussières comme déclencheur capable d’initier la fin des âges glaciaires.
Comme Ellis le dit dans une communication privée : « Presque tout le monde admet que les cycles de Milanković contrôlent les cycles glaciaires. Mais ils sont incapables d’expliquer pourquoi quelques cycles échouent à produire une période interglaciaire tandis que d’autres réussissent et il est apparu au cours de recherches subséquentes qu’il n’y avait pas de réponses acceptables à cette troublante et centrale question. Une théorie n’est pas une théorie si elle présente une énorme lacune en son milieu. Ceci me conduisit à une étude détaillée des cycles glaciaires et la révélation fut la présence de poussières juste avant chaque interglaciaires. Ce fut seulement quand Michael Palmer chercha à affiner mon brouillon que la précédente recherche de Mahowald and Ganopolski et celle de beaucoup d’autres furent découvertes. Et ce fut une surprise de voir que tous ces papiers papillonnaient autour de ce que j’avais perçu être l’agent central de la modulation des ” âges glaciaires” sans l’identifier comme tel. Ganopolski, par exemple, identifia l’existence d’un lien entre le volume de la couche de glace et la poussière et présuma que ce volume était la cause de la poussière ; autrement dit que cette poussière était provoquée par l’érosion des roches par la glace. Mais de précédents papiers avaient déjà identifié que la source de poussière étaient les déserts de Gobi et de Taklamakan, excluant la possibilité d’une origine glaciaire des poussières. »
Ellis et Palmer on écrit en 2016:
« Quand la concentration de CO2 atteint un minimum et l’albédo un maximum (au pic de l’Age Glaciaire), le monde se réchauffe rapidement et un interglaciaire prend place. L’effet similaire mais opposé peut être observé au voisinage du pic d’un interglaciaire ; un CO2 élevé et un albédo faible provoquent un refroidissement. Cette réponse contre intuitive du système climatique reste également inexpliqué et ainsi un agent non pris en compte jusqu’à présent doit exister et être assez fort pour contrer et renverser le mécanisme classiquement admis de rétroaction…la réponse à ces deux énigmes repose sur les poussières qui furent déposées sur les calottes de glace vers la fin de chaque maximum glaciaire…durant le maximum glaciaire, le manque de CO2 “affame” les plantes terrestres d’un nutriment vital et cause en retour la mort des forêts et des savanes ce qui entraîne la désertification et l’érosion des sols. Les tempêtes de poussières et de sable résultantes déposent de grande quantité de poussières sur les calottes glaciaires enneigées et réduisent leur albédo, permettant une plus grande absorption de l’insolation ».
Ils affirment que leur proposition explique toutes les facettes du cycle glaciaire et tous les mécanismes sous-jacents qui gouvernent sa périodicité, ses excursions et limites de température. Le papier d’Ellis and Palmer traite ensuite de la variabilité de l’ensoleillement aux hautes latitudes et un point qu’ils soulèvent mérite d’être souligné : on ne peut invoquer la hausse de l’ensoleillement comme seule cause d’arrêt des périodes glaciaires puisque beaucoup d’accroissement de cet ensoleillement ne conduisent pas à des arrêts. L’augmentation de l’insolation peut être nécessaire mais n’est clairement pas suffisante pour justifier les fins de glaciation.
La théorie d’Ellis et Palmer explique comment les arrêts de glaciation se produisent, mais il n’explique pas nécessairement pourquoi s’achèvent les périodes interglaciaires. Une fois qu’un interglaciaire est établi, l’histoire montre qu’un nouvel âge glaciaire débute typiquement avant que dix mille ans se soient écoulés. Une explication probable pour cette constatation, comme un addendum de la théorie d’Ellis and Palmer, est de noter que durant la période interglaciaire, le [CO2] croît rapidement à environ 280 ppm, les plantes ressuscitent et les poussières chutent brutalement. Bien que les calottes glaciaires soient drastiquement réduites par rapport au niveau atteint lors des âges glaciaires, des montants substantiels de glace et de neige persistantes demeurent en haute altitude. L’absence de poussière sur ces surfaces favorise via le bilan énergétique, l’expansion des calottes glaciaires. La rampe ascendante d’insolation de 11000 ans à hautes altitudes qui coïncident à la fin de la glaciation et à l’interglaciaire virent brutalement vers le bas supportant ainsi l’expansion de la surface des calottes glaciaires ainsi que l’arrivée de l’interglaciaire. Un nouvel âge glaciaire commence. Cet âge glaciaire continue pendant environ 100 000 ans jusqu’à ce que la concentration de CO2 s’effondre jusqu’à ce que la survie des plantes soit sévèrement affectée, l’effet des poussières devient prépondérant et le cycle continue. Le niveau des poussières mesurées par la méthode de Coulter et par laser dans les carottes de glace prélevées en Antarctique sont résumées sur les figures 7 et 8.
Figure 7 : Concentration de poussière antarctique dans les carottes de glace, mesurée par la méthode de Coulter. (Lambert et al. (2008))
Figure 8 . Concentration de poussière antarctique dans les carottes de glace, mesurée par une méthode optique au laser. (Lambert et al. (2008))
La base de l’hypothèse avancée par Ellis and Palmer est illustrée par les figures 9 et 10. Le graphique du bas sur ces figures montre la quantité des poussières dans les carottes glaciaires prélevées en Antarctique. Le graphique du milieu montre l’intensité de l’insolation à la latitude de 65°N le 21 juin. Le graphique montre l’anomalie de température en Antarctique. Les lignes verticales pointillées rouge sont tirées au niveau de chaque pic majeur de température de l’antarctique, suppose initié une fin de glaciation.
A partir de ces données, on observe immédiatement :
- Un pic marqué ou une accumulation de poussières précède toutes les fins de glaciation ;
- Les basculements vers le haut de l’oscillation de l’intensité solaire se produisent au début de chaque fin de glaciation.
La conclusion inévitable doit être que les fins de glaciations sont toujours précédées par une accumulation de poussières et se produisent lors d’une branche ascendante de l’oscillation de l’insolation.
La conclusion d’Ellis et Palmer est par conséquent que deux conditions sont nécessaires pour déclencher la fin d’un âge glaciaire :
(1) On doit être en présence d’un pic aigu de poussières. Mais cela se produit spécifiquement après une période glaciaire de longue durée
(2) Ce pic de poussière doit coïncider avec un pic notable d’intensité solaire.
Notons que les pics aigus d’insolation aux hautes latitudes ne mènent pas nécessairement à la fin d’une période glaciaire. Beaucoup de branches ascendantes de fortes amplitudes ne conduisent pas à des fins de glaciations. Celles-ci ne se produisent que lors de fortes insolations des latitudes élevées pour un âge glaciaire mûr après une très forte réduction de la concentration de CO2 combinée avec un pic de poussière. La plupart des branches d’insolation ascendantes et de grande amplitude ont un effet modéré sur la croissance des calottes glaciaires. Par conséquent, on peut en déduire que les pics de poussières sont plus importants que l’intensité solaire à hautes latitudes vis-à-vis de la fin des âges glaciaires. Bien que ces déductions ne soient pas en elles-mêmes la preuve d’une relation de cause-effet, elles en suggèrent fortement l’existence.
Figure 9 . (en haut) température antarctique. (milieu) Intensité solaire à 65 ° N le 21 juin. (en bas) Chargement de la poussière dans le noyau de glace de l’Antarctique à l’aide du compteur Coulter.
Figure 10. (sommet) Température de l’Antarctique, (milieu) intensité solaire à 65°N le 21 juin., (bas) teneur en poussières d’une carotte de glace dans l’Antarctique mesuré par laser.
Flux de poussières lors du Dernier Maximum Glaciaire (DMG) et absorption de rayonnement solaire.
Lambert et al. (2015) ont présenté un nouveau jeu de flux global pour l’holocène et le DMG basé sur des observations. Ils ont créé une interpolation des mesures de flux de poussières distribuées de manière inégale pendant l’holocène et le DMG. Comme dans la plupart des études, ils se sont en premier lieu intéressés à l’impact des dépôts croissants de fer dans les océans glacés pendant le cycle du carbone DMG-Holocène, plutôt que les dépôts de poussières sur les calottes glaciaires. Les seuls endroits pour lesquels une information a été fourni au Groenland ou en Amérique du nord durant le DMG provenaient d’une carte avec un code couleur donnant une résolution approximative. Une lecture grossière de cette carte indique les taux de dépôts suivants :
Groenland (région de forage) : 0,3 g/m2/an ;
Groenland (extrémité sud) : 0,8 g/m2/an
Région des Grands Lacs : 32 g/m2/an
Inlandsis Laurentides : 12 g/m2/an
Maher et al. (2010) et Lambert et al. (2015) ont estimé que le taux de dépôt pour les glaces des Laurentides et la région des Grands Lacs du DMG. Une moyenne de ces valeurs est :
Région des Grands Lacs : 20 g/m2/an
Laurentides : 7 g/m2/an
Selon Mahowaldet al. (1999), le diamètre moyen des particules de poussières est de2,5 µm. La surface géométrique équivalente d’une particule de poussière est donc p*(1 ,25-6)2=510-12m2 et sa masse environ 4/3* p*(1.25-6)3m3*1,5 106 g/m3= 1,2 10-11 g
Ce qui conduit à environ 5 10-12m2/ 1,2 10-11 g = 0,4 m2 de surface par g/m2 de poussière.
Par conséquent avec cette approximation géométrique, on déduit qu’une couche de poussière de 2,5 g/m2recouvre la surface et bloque complètement les réflexions optiques. Une couche de poussière de1 g/m2 recouvre et bloque 40% de la surface.
Les estimations ci-dessus sont basées sur la géométrie en considérant qu’une particule de poussière peut être représentée par une sphère de diamètre de 2,5 µm. Cependant la section effective d’une particule vis-à-vis de la diffusion et de l’absorption de la lumière, As est reliée à la surface géométrique d’une particule, Ad, par la relation : As= AdQext où Qext est l’efficacité de l’extinction ou de la diffusion. Il apparaît qu’en raison de la diffraction Qext>1. En analysant les poussières sur Mars, Tomasko (1999) estima Qext~ 2,6. Dans ce cas, l’effet réel de 1 g/m2 de particules de poussières est de bloquer optiquement 100% de la surface. La poussière de Mars est à peu près similaire à celle de la terre en ce qui concerne leur diamètre moyen [6].
Quand la lumière interagit avec une particule isolée, un peu de lumière peut être diffusée dans un cône orienté vers l’avant et un peu dans un cône orienté vers l’arrière et un peu peut être absorbé. Selon les études faites sur les poussières de Mars, la meilleure estimation est que 7% de la lumière est absorbée, 77% est diffusée vers l’avant et 16% rétro diffusée.
Notons que la majorité de la lumière diffusée l’est dans sa propre direction soit vers l’avant. Ainsi l’effet prédominant des particules de poussières incorporées dans la glace est de diffuser la lumière plus profondément au sein de celle-ci et dans une moindre mesure d’absorber la lumière incidente.
3. Quelle est l’origine des poussières ?
Ellis and Palmer (2016) ont revu soigneusement les données et les modèles concernant la source des poussières et les effets de celles-ci sur l’albédo au cours des périodes glaciaires. Je me bornerai à ne mentionner brièvement que les faits qui émergent. Il ne semble pas faire de doute que la combinaison d’une basse température et d’une faible concentration de CO2 fut nuisible pour la vie des plantes. Ils affirment que le principal impact se situe dans les régions de hautes altitudes, les régions habituellement arides et les régions nordiques durant l’été. La source de poussière déterminée par des analyses isotopiques fut attribué aux déserts de Gobi et de Taklamakan ; il y a peu d’indices prouvant que ces poussières aient une origine glaciaire.
Comme Ellis l’établit dans une communication privée :
« La question est de savoir comment ces flux ou bouffées de poussières furent générés pendant les derniers millénaires de chaque âge glaciaire. Si ce n’est pas l’abrasion des calottes de glace qui crée la poussière, alors qu’est-ce ? La réponse probable est que les faibles concentrations de CO2 lors de chaque maximum glaciaire conduit à l’extinction des végétaux dans les régions arides de hautes altitudes les transformant en nouveaux déserts. Et ce scénario concorde très bien avec la région source trouvée pour le Groenland, Gobi. Cette région est principalement une steppe mais lors des conditions de faible concentration de CO2 régnant lors d’un maximum glaciaire « Gobi » devient un désert de sable qui crée de vastes nuages et des tempêtes de sable comme le prouve les dépôts massifs de poussières sur les plateaux de Lœss en Chine ».
Et ainsi, la « beauté » de cette théorie … est qu’il s’agit d’une simple spéculation intellectuelle pouvant être comprise par tout le monde et cependant, d’après moi, elle explique toutes les facettes du cycle « âge glaciaire et interglaciaire » et ce qui était précédemment inexplicable : la raison pour laquelle quelques forts maxima d’insolation lié à la précession, échouaient à chauffer suffisamment la glace pour la faire fondre notablement, et ne parlons pas des Interglaciaires.
Pour faire court :
Les âges glaciaires causent l’extension des calottes glaciaires ⇒d’où refroidissement des océans ⇒et absorption du CO2 par l’océan ⇒asphyxie de la végétation sur le plateau de Gobi ⇒nouveaux déserts« CO2 » ⇒génération de poussières ⇒ contamination des surfaces de glaces pendant environ 10000 ans.
Puis :
L’insolation croissante de l’hémisphère nord (Milankovitch) ⇒ ablation et fonte des surfaces glacées ⇒ exposition et concentration des poussières sur ces surfaces ⇒réduction de l’albédo de ces surfaces recouvertes ⇒accroissement de l’absorption d’énergie solaire⇒ augmentation de la fonte des glaces ⇒ Interglaciaire.
C’est un simple système de rétroactions qui est très puissant et opère régionalement au contraire du CO2 qui est un agent global de force indéterminée. Et nous savons aussi que les Interglaciaires sont des phénomènes régionaux plutôt que globaux parce qu’ils coïncident seulement avec l’insolation de Milankovitch dans l’hémisphère Nord et jamais avec les augmentations d’insolation des hémisphères Sud. Donc, la rétroaction principale qui contrôle le commencement des périodes interglaciaires doit être régionale et nordique plutôt que globale.
Résumé
Je pense qu’ Ellis a posé de puissants arguments ; des incertitudes subsistent encore concernant la quantité de poussières déposées au DMG et l’efficacité exacte des poussières vis-à-vis l’accroissement de l’absorptivité des calottes glaciaires. Les données de l’Antarctique confirment l’hypothèse mais l’Antarctique est loin des calottes glaciaires (de l’hémisphère nord (?). Les données du Groenland sont plus énigmatiques. Il est largement admis que les dépôts de poussières sur les calottes glaciaires furent beaucoup plus importants qu’ils ne le furent sur le Groenland et en Antarctique mais il en était de même pour l’accumulation de neige.
L’hypothèse mise en avant par Ellis et Palmer possède un mérite potentiel considérable. Alors qu’un âge glaciaire se renforce, la combinaison d’un taux de CO2 faible, du froid et des vents, transforme les régions à l’origine semi-désertique, en source majeure de poussière balayée par les vents. Les mesures effectuées sur les carottes glaciaires montrent que le DMG est une période présentant un niveau de poussière relativement élevé porté par des vents forts. Ces niveaux de dépôts de poussières doivent assombrir significativement la partie supérieure des carottes glaciaires. Ainsi, comme Ellis et Palmer le suggèrent, les niveaux de poussières sur les carottes glaciaires culminent avant et pendant le DMG, fournissant un mécanisme capable d’initier la cessation de glaciation quand elle est synchronisée avec un accroissement d’ensoleillement lors de l’été aux latitudes nord élevées. Le rôle des poussières dans l’arrêt des glaciations est beaucoup plus important que certains ne se l’imaginent. Il apparaît probable que des niveaux inhabituels de poussières couplés avec des accroissements prononcés d’insolation à hautes latitudes est un facteur majeur d’initiation de la fin des âges glaciaires même si, comme toujours dans ce genre de raisonnement, des incertitudes demeurent.
Enfin, il est intéressant de constater que parce que Ellis et Palmer (2016) furent publiés par un obscur journal, ils semblent avoir été quelque peu ignorés par la communauté scientifique. Mon Espoir est que mon livre contribuera à faire connaître leur théorie.
Modèle simpliste des Ages glaciaires
Dans ce qui suit, je propose une modification du modèle de Paillard (1998). Dans lequel je considère 4 états du système Terre :
I = interglaciaire ; g = glaciaire modéré ; G = glaciaire maximal ; U = fin
Chacun d’eux est caractérisé par un volume de glace = nR et une constante de temps du changement de volume, TR, où l’indice R est successivement I, g, G ou U.
A chaque pas de temps t, n=le volume de glace et dv/dt = la vitesse de changement de ce volume de glace.
F(t )représente l’insolation dont l’amplitude oscille à la fréquence de la précession des équinoxes. Le temps démarre à une valeur négative en année et l’ensemble évolue au travers des équations différentielles. Nous pouvons avoir un aperçu de la grandeur de nR grâce à l’équation de basse suivante : dv/dt = (vR– v)/TR– F(t)
dans laquelle le taux de variation du volume de glace dans chaque état du système est maximum lorsque n est petit et minimum quand n est grand. Le terme lié à l’insolation F(t) oscille avec une période d’environ 22000 ans due à la précession des équinoxes. F(t) est mesuré à partir de sa valeur moyenne et peut donc être négatif ou positif.
Quand le premier terme de droite est grand (v<<vR), ce premier terme surpasse F(t) et les calottes glaciaires s’étendent. Les oscillations de F(t)augmentent ou diminuent la valeur de dv/dt, mais celle-ci reste substantielle. Cela correspond à l’état “g”.
Après être resté dans cet état “g” pendant environ quatre périodes de précession soit environ 90000 ans, v atteint un niveau que nous avons caractérisé “DMG” ou l’état “G” pour ce modèle. Dans cet état “G”, le premier terme devient petit comparé à F(t). Aussi longtemps que F(t) reste dans une branche descendante(soit environ 11000 ans) ; l’état “G” persiste. Mais quand F(t) s’inverse et se met à croître (branche ascendante), dv/dt devient négatif et le système passe dans l’état “U” – soit l’arrêt de la glaciation. Cet état “U” dure pendant environ la moitié d’une phase montante jusqu’à que la glace est disparue (en environ 5500 ans), le système entrer alors dans l’état “I” –Interglaciaire – durant lequel le volume de glace reste faible et ne varie pas. La période interglaciaire dure encore 5500 ans de plus pendant que l’insolation diminue. Finalement, F(t) entre dans une phase descendante et dv/dt devient positif et un nouvel état “g” commence.
La figure 11 montre une image simpliste de la variation de v et de dv/dt avec t. Dans le trace de dv/dt en fonction de t, la surface sous la courbe dans la région “g” doit être égale à la surface du rectangle de la région “U” (conservation de la masse). La figure 11 n’inclut ni ne montre les variations de l’insolation. Dans la région “g”, cependant, les oscillations due à la précession s’ajoutent ou se retranchent à la courbe.
Figure 11. Variation schématisée de v et de dv/dten fonction de t..
Considérons un système à t= 0 au début de l’état Interglaciaire avec v<vI et que F(t)est assez grand pour que dv/dt soit légèrement négatif.
dv/dt = (vI– v)/TI– F(t) est donc légèrement en dessous de zéro au démarrage de l’état “I” avec F(t) sur une branche ascendante de précession.
De plus, les valeurs des grandeurs doivent être choisies de telle sorte que quand F(t)se remet à baisser en raison de la précession, un point sera atteint où dv/dt devient positif. A ce point, le système bascule vers l’état “g” Maintenant on a : dv/dt = (vg– v)/Tg– F(t), lorsque n croît, le taux d’accumulation décroît. En outre, les variations dans un sens et dans l’autre de la précession ajoutent des perturbations à la progression du volume de glace. A un moment, lorsque n devient assez grand, le système bascule vers l’état “G”. Comment se fait cette transition n’est pas très clair. Peut-être quand n atteint, disons 90% de ng? A ce stade, le taux d’accumulation a considérablement ralenti et le volume de glace est grand. C’est l’état “G” : dv/dt = (vG– v)/TG– F(t)
Les valeurs des paramètres doivent être choisies de telle sorte que dv/dt~ 0 pour une valeur modérée de F(t). A un moment, une branche ascendante du cycle de précession se produit augmentant F(t)jusqu’à ce que dv/dt devienne positif, on est alors dans l’état “U” :
dv/dt = (vU– v)/TU– F(t) ici, dv/dt<< 0 et le système évolue rapidement vers la fin de la glaciation. Quand v atteint un niveau (faible) critique le système entre dans un état “I” et le cycle repart une nouvelle fois. La détermination de la valeur des paramètres est un travail délicat. Il semble que vU~ vG~ vg doivent être grand tandis que vI est petit. TU doit être lui le paramètre temporel, le plus petit.
La figure 12 illustre cette théorie. Notons qu’en réalité, l’amplitude des oscillations du soleil varie d’un cycle à l’autre mais sur cette figure cette amplitude est constante par souci de simplification. Les figures 11 et 12 sont idéalisées, et chaque cycle glaciaire-interglaciaire possède son propre et unique caractère. Les hauts et les bas (comme ceux représentés par les courbes bleues) peuvent être très différents dans la réalité.
Figure 12. Représentation schématique de (dv/dt) pendant un cycle d’âge glaciaire
Dans ce modèle, il y a quatre périodes à l’intérieur d’un cycle correspondant à un âge glaciaire. La période “g” (fond blanc) correspond à une très longue accumulation de glace des calottes polaires. Pendant cette période de glaciation, la vitesse d’accumulation décroit avec le temps. Après 4 cycles de précession (environ 88000 ans), les calottes glaciaires approchent de leur extension maximale. Le système entre alors dans l’état “G” (fond brun). Ce maximum glaciaire dure environ 11000 ans, et se produit lors d’une branche descendante d’insolation et la concentration de CO2 s’écroule à son plus bas niveau (moins de 200 ppm). Ces baisses impactent la végétation, sa disparition provoquant le dépôt de poussière épaisse sur la surface des calottes glaciaires. Avec la branche d’insolation ascendante qui suit, la combinaison de l’écran de poussière et de l’augmentation de l’intensité solaire génère une fin de glaciation (l’état “U” – fond vert). Les calottes glaciaires s’amenuisent en environ 5500 ans. Lorsque la fin de glaciation s’installe, la concentration de CO2 augmente, la végétation revit et le niveau de poussières s’effondre brutalement. Quand les calottes glaciaires atteignent leurs étendues minimales, le système entre alors dans l’état interglaciaire (“I”) (fond bleu) qui dure également environ 5000 ans, achevant la branche ascendante en cours. L’état interglaciaire a un climat pas très différent de celui d’aujourd’hui. Quand la courbe de l’ensoleillement vire vers la descente, la valeur de dn/dt devient positive et un nouvel âge glaciaire débute (un état “g” state se met en place). La durée totale des états “U” et “I” est d’environ 11000 ans.
La courbe noire de la figure 12 montre l’allure de la dérivée dn/dt (où n est le volume total de glace) simplifiée car négligeant les variations d’ensoleillement. Le cycle du soleil oscille sans discontinuer avec une période d’environ 22000 ans gouverné par la précession. La courbe bleue montre les effets des perturbations solaires sur dn/dt. Chaque lobe ou branche montante ou descendante provoque une bosse de la courbe dv/dt mais une fin de glaciation ne peut pas se produire avant que survienne l’état “G” et le dépôt des poussières et la décroissance de l’Albédo des calottes glaciaires.
Figure 13. Représentation schématique v(t) pendant un cycle d’âge glaciaire.
La figure 13 montre les courbes correspondantes donnant l’allure du volume de glace v(t). Dans ce modèle, la variabilité de l’insolation aux hautes latitudes est sans importance durant l’état durable “g” car dv/dt est alors dominé par le premier terme sur la droite de l’équation. L’intensité du soleil commence à jouer seulement vers la fin d’un âge glaciaire. Les amplitudes des oscillations du soleil (liées à la précession) ne sont pas très importantes. Une branche descendante de l’ensoleillement en fin d’âge glaciaire conduira au maximum glaciaire. A ce moment-là, le CO2 plongera vers ses valeurs les plus basses et de grande quantité de poussières seront générés et transportés par les vents. Lorsque la précession change de sens en augmentant l’insolation, la fin de glaciation s’enclenche. L’interglaciaire s’en suit jusque à ce que le nouveau changement de la précession réduise l’ensoleillement. La précession solaire agit comme stimulateur (cardiaque) des transitions de g vers G vers U vers I vers g.
Bien que les modèles montrés sur les figures 12 et 13 sont très satisfaisant dans leur simplicité, la nature n’est pas si coopérative. Ces images simples ne décrivent pas fidèlement et exactement la réalité en détail. Ils donnent néanmoins un aperçu des caractéristiques de cette réalité.
Addendum : Ce qui précède est un extrait des chapitres 8 et 11 de la troisième édition de mon livre sur les âges glaciaires qui est en ce moment sous presse et sera disponible début 2019.J’enverrai volontiers un PDF de ces chapitres aux scientifiques sérieux qui m’en feront la demande.
Références
Ellis, Ralph and Michael Palmer (2016) “Modulation of Ice Ages via precession and dust-albedo feedbacks” Geoscience Frontiers. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674987116300305
Lambeck, Kurt et al.(2014) “Sea level and global ice volumes from the Last Glacial Maximum to the Holocene” PNAS111, 15296–15303.
Lambert, F. et al.(2008) “Dust-climate couplings over the past 800,000 years from the EPICA Dome C ice core” Nature 452, 616-619
Lambert, Fabrice (2015) “Dust fluxes and iron fertilization in Holocene and Last Glacial Maximum climates” Geophys. Res. Lett.,42, 1-10.
Maher, Barbara et al.(2010) “Global connections between Aeolian dust, climate and ocean biogeochemistry at the present day and at the last glacial maximum” Quaternary Science Reviews99, 61-97.
Mahowald, N.et al.(1999) “Dust sources and deposition during the last glacial maximum and current climate: A comparison of model results with paleodata from ice cores and marine sediments” JGR104, 15895-15916.
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Rothlisberger, R., M. et al.(2008) ‘‘The southern hemisphere at glacial terminations: Insights from the Dome C ice core,’’ Climate of the Past Discussions, 4, 761–789.
WAIS (2013) “Onset of deglacial warming in West Antarctica driven by local orbital forcing”Nature500, 440-446.
Wolff, E. W.et al.(2016) “Interglacials of the past 800,000 years” Past Interglacials Working Group of Interglacials of the last 800,000 years, Reviews of Geophysics54, 162–219.
Rapp, D. Human missions to Mars, 2nd ed
[1] Judith A. Curry est une climatologue américaine, présidente de la School of Earth and Atmospheric Sciences (École des sciences de la Terre et de l’atmosphère) au Georgia Institute of Technology, où elle a enseigné jusqu’à la fin de 2016. Elle est membre du Comité de recherche climatologique (Climate Research Committee) du Conseil américain de la recherche
[2] Donald Rapp est titulaire d’un doctorat de l’Université de Californie. Il a été professeur titulaire à l’Université du Texas et a passé plus de 30 ans au Jet Propulsion Laboratory (Pasadena, CA).
[3] European glacial dust deposits: Geochemical constraints on atmospheric dust cycle modeling https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/2014GL061382)
[4] Ralph Ellis et Michael Palmer : Modulation of ice ages via precession and dust-albedo feedbacks
(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674987116300305)
[5] Note du traducteur : cette assertion ressemble à un réflexe d’allégeance à la pensée dominante (à la pensée unique dirait Jacques Duran). C’est, en effet, la seule fois que l’auteur parlent de l’avenir mais il est vrai que plusieurs points dans son papier sont en contradiction formelle avec les thèses officielles. Cette phrase agissant comme une compensation a, en tous cas, le mérite de le maintenir dans le sérail et de permettre de classer le papier comme carbo-centriste… Malheureusement pour l’auteur, le dernier rapport (AR5 WG1, chapitre 4.5.3) du GIEC précise : « ..des contrôles très complets des impuretés de la neige arctique du milieu des années 1980 et des dernières années 2000 suggèrent que ces impuretés décroissent entre ces deux périodes (Doherty et al., 2010) et par conséquent le changement d’Albédo n’a probablement pas apporté une contribution significative aux récentes réductions de neige et de glace de l’arctique.
[6] https://scienceofdoom.com/2014/04/14/ghosts-of-climates-past-nineteen-ice-sheet-models-i/