Comme ceci est observé au cours de l’holocène, la température de la surface de la terre est assujettie à la résonance des ondes de Rossby gyrales qui résulte du forçage solaire et orbital. De ceci découle le caractère résonant du système climatique. Le forçage est d’autant plus efficace que sa période est proche d’une des périodes de résonance, ces dernières étant verrouillées en mode subharmonique (Pinault 2018d, 2020a, 2021a).
Durant l’ère glaciaire-interglaciaire les variations climatiques, que l’on peut observer à partir de l’analyse des carottes de glace et de sédiments, se produisent essentiellement dans quatre bandes de fréquence.
Sommaire
- Les enregistrements des carottes de glace
- Les enregistrements des carottes de sédiments
- La dernière glaciation
- Ere glaciaire-interglaciaire
Les enregistrements des carottes de glace
L’amplitude des variations orbitales de l’insolation et de la température moyenne globale estimée à partir d’EPICA [Augustin et al., 2004, Jouzel et al., 2007] montre que le couplage se produit principalement dans deux bandes centrées sur 41 Ka (obliquité) et 100 Ka (excentricité) [Pinault, 2018d].
En ce qui concerne l’excentricité, l’efficacité du forçage varie de manière significative au cours des 800 milliers d’années d’observation, augmentant progressivement de 2,6 à 5,0 °C(W/m2)-1. Le couplage se relâche entre 450 et 350 Ka BP quand le forçage s’effondre, puis récupère lorsque l’amplitude du forçage augmente à nouveau. La stabilité de l’oscillation de l’onde de Rossby gyrale, qui se poursuit même lorsque le forçage s’évanouit en raison de la rémanence des forces géostrophiques à grande échelle, donne à penser qu’elle est l’onde fondamentale pour les grandes périodes, c’est à dire l’onde dont l’amplitude est directement assujettie à l’influence du forçage orbital. L’augmentation de l’efficacité du forçage reflète le fait que la période du forçage orbital et la période propre des ondes de Rossby gyrales se rapprochent au cours du temps.
Cette onde fondamentale produit deux harmoniques dont les périodes propres sont 49,2 et 24,6 Ka, l’une et l’autre glissant vers la période de forçage liée à l’obliquité et la précession suite à la dérive de la latitude des centroïdes. L’harmonique lié à l’obliquité subit des instabilités révélées par les variations de l’efficacité du forçage orbital.
Ceci confirme que la latitude de la composante de période 49,2 Ka ne diffère pas de 2°30′ de celle du gyre de façon constante, mais elle oscille autour de la valeur centrale, l’efficacité maximale étant atteinte lorsque la composante se confond avec le gyre. En effet, l’avance et le recul successifs du front polaire ne peuvent être invoqués pour expliquer les changements soudains dans l’amplitude des deux harmoniques parce que la dynamique de la banquise polaire est beaucoup plus rapide que ce qui est observé ici, d’après ce que nous avons vu au cours de l’Holocène : quelques milliers d’années par rapport à près de 50 Ka.
Les variations orbitales liées à la précession, bien que faibles, forcent l’onde de Rossby gyrale de période 24,6 Ka. L’efficacité du forçage est soumise à de fortes variations d’amplitude, en relation avec la phase de l’onde fondamentale comme cela se produit 451, 332, 242, 127, 9 Ka BP: les amplitudes maximales sont atteintes lorsque l’onde fondamentale croit.
Il semble que la composante de période 393,2 Ka ne soit pas couplée avec l’oscillation de l’excentricité de période 400 Ka, bien que plus intense que celle de période 100 Ka. La seule raison plausible semble résulter de l’écart entre les deux périodes, plus de 30 Ka actuellement. Enfin, la somme des trois composantes explique assez bien la température moyenne globale de la période glaciaire-interglaciaire au cours des 800 Ka d’observation.
Les enregistrements des carottes de sédiments
Les enregistrements des carottes de sédiments [Lisiecki et Raymo, 2005] permettent d’élucider ce qui s’est produit il y a 0,8 Ma (Ma=106 années) lorsque la période dominante de la température moyenne globale a sauté de 41 à 100 Ka. En effet, lorsque la température est étalonnée par rapport aux enregistrements des carottes de glace, les carottes de sédiments peuvent être utilisées d’une manière quantitative sur l’intervalle 0-2 Ma BP au cours duquel la diffusion, qui a tendance à brouiller le signal utilisé pour l’estimation des variations de température, c’est à dire δ18O dans les foraminifères, peut être négligée.
La figure confirme ce qui a été observé dans les enregistrements de carottes de glace: le forçage orbital des ondes de Rossby gyrales augmente linéairement depuis 1425 Ka BP pour l’excentricité alors qu’il est soumis à des variations rapides pour l’obliquité. Bien que l’évolution de la période de l’excentricité puisse difficilement être estimée avec précision à partir de l’analyse en ondelettes qui élargit la bande de fréquences des séries obtenues par Berger, 1992, on peut en déduire qu’elle est reliée à la période du forçage lorsqu’elle approche de la période propre des ondes de Rossby gyrales, soit 98,3 Ka. L’accord entre le forçage orbital et les ondes de Rossby gyrales semble être extrêmement pointu en raison de l’étroitesse de la bande de fréquences de l’excentricité.
Pour ce qui concerne l’obliquité, la moyenne de l’efficacité de forçage ne change pas de manière significative au cours de l’intervalle de temps considéré, de l’ordre de 1 °C(W/m2)-1, mais la stabilité du couplage est meilleure avant 0,8 Ma BP, l’efficacité restant proche de 1 °C(W/m2)-1 pendant la moitié du temps alors qu’elle oscille entre 0,5 et 1,5 °C(W/m2)-1 entre 0,8 Ma BP et le présent. Cela semble confirmer que ces instabilités résultent du couplage entre le subharmonique et l’onde fondamentale, les sauts diminuant lorsque l’amplitude de l’onde fondamentale augmente. Il convient de noter une augmentation significative de l’efficacité du forçage il y a 0,8 Ma, c’est à dire lorsque l’onde fondamentale et le subharmonique ont presque la même amplitude, ce qui donne à penser que les deux ondes de Rossby gyrales fusionnent. D’autre part, la moyenne de l’efficacité du forçage liée à l’obliquité reste faible par rapport à celle de l’excentricité, en raison de l’écart entre la période de forçage et la période propre, ce qui explique la transition observée 0,8 Ma BP.
Là encore, le forçage orbital lié à la précession est soumis à de fortes variations d’amplitude, en relation avec la phase de l’onde fondamentale : la somme des trois composantes de périodes moyennes 23,5, 41 et 100 Ka explique assez bien la température moyenne globale au cours de la période glaciaire-interglaciaire couvrant les 2 Ma d’observation si la tendance est ignorée. Cette tendance est probablement imputable à la mesure elle-même car elle n’apparaît pas sur les enregistrements des carottes de glace.
La dernière glaciation
Les indicateurs de la température moyenne globale obtenus à partir des carottes de glace NGRIP [North Greenland Ice Core Project members, 2004] et EPICA permettent de décrypter les différents processus de forçage au cours de la dernière glaciation. L’avance de la banquise polaire dans les deux hémisphères augmente l’efficacité du forçage sur la résonance gyrale en raison du gradient de température de la couche de mélange entre les hautes et basses latitudes des gyres. La comparaison des différentes composantes dans des bandes de fréquences successives met en lumière le forçage solaire et orbital sur les ondes de Rossby gyrales, et le couplage des harmoniques entre eux.
La totalité de la bande 0,58-147,5 Ka qui est nécessaire pour reconstruire le signal brut avec précision est divisée en quatre bandes 0,58-2,3 Ka, 2,3-9,2 ka, 9,2-18,4 ka et 18,4-147,5 ka. Pour chaque bande les composantes obtenues à partir des carottes de glace NGRIP et EPICA sont comparées: là où les composantes sont corrélées, on peut en déduire qu’un mode de forçage commun externe se produit dans les deux hémisphères, et qui est l’oscillation de l’irradiance solaire pour les trois premiers groupes, et le forçage orbital pour le dernier. La réponse des ondes de Rossby gyrales au forçage peut être chaotique lorsque la bande du forçage est étroite en raison de la dérive de la latitude du centroïde de l’onde de Rossby gyrale qui lui permet de s’accorder. En revanche, l’amplitude reflète directement l’efficacité du forçage quand la bande est large. C’est probablement la raison pour laquelle une bonne corrélation est observée sur presque tout l’intervalle d’observation dans les deux premières bandes soumises au forçage de l’irradiance solaire.
La bande 0,58-2,3 Ka
La bande 0,58-2,3 Ka, qui est la fusion des deux bandes 0,58-1,15 et 1,15-2,3 Ka, révèle que l’efficacité du forçage est trois fois plus faible dans l’hémisphère sud que dans le nord de l’Atlantique, mais les périodes successives de crise et de calme coïncident dans les deux hémisphères. La plupart des désaccords ne sont qu’apparents, en raison de certaines divergences sur la datation entre les deux enregistrements des carottes de glace, en particulier entre 112 et 100 Ka, puis 80 et 65 Ka. Ceci donne à penser que le front polaire est plus avancé dans l’Atlantique Nord que dans le l’Antarctique pendant les périodes de réchauffement, ce qui n’est pas vrai au cours de l’Holocène. Ceci n’est pas surprenant compte tenu de l’avance du Groenland dans l’Atlantique Nord qui favorise la formation de la banquise polaire durant les glaciations.
Trois périodes de calme peuvent être identifiées, entre 103 et 80 ka BP, 70 et 62 ka BP à l’exception d’un événement de grande amplitude 64 ka BP, et entre 27 et 16 ka BP. Ces intervalles correspondent généralement à un refroidissement dû à l’activité réduite du gyre, à moins que le forçage orbital s’impose comme cela se produit dans l’Arctique entre 27 et 16 ka BP.
Par contre, les événements de grande amplitude induisent un réchauffement soudain comme ceci se produit entre 80 et 70 Ka et entre 60 et 27 ka BP, provoquant les événements de Heinrich et les cycles D-O: l’amplitude du réchauffement peut dépasser 4 °C pendant quelques centaines d’années dans l’Atlantique Nord. La large corrélation dans les deux hémisphères va à l’encontre de l’hypothèse du forçage interne comme, par exemple, le modèle « binge-purge» pour expliquer à la fois les événements de Heinrich et D-O, mais plaide en faveur du forçage externe comme déjà mentionné par Bond et al., 1992, 1997.
La bande 2,3-9,2 Ka
La bande 2,3-9,2 Ka, qui est la fusion des deux bandes 2,3-4,6 et 4,6-9,2 Ka, montre une bonne corrélation entre les deux températures moyennes globales, bien que la composante EPICA soit deux fois plus faible que NGRIP. La résonance gyrale qui se produit dans cette bande peut produire un réchauffement de plus de 2 °C d’une durée de près de 2-3 Ka.
Les bandes 9,2-18,4 et 18,4-147,5 Ka
Le couplage a lieu dans un intervalle étroit pour ce qui concerne la bande 9,2-18,4 Ka, soit entre 90 et 40 ka BP, qui suggère que le forçage est moins efficace, et une prédominance du verrouillage en mode harmonique en-dehors de cet intervalle. Quant à la bande 18,4-147,5 Ka, l’amplitude de variation de la température moyenne globale est la même dans les deux hémisphères. Ainsi, la différence d’efficacité du forçage entre les deux hémisphères s’estompe progressivement à mesure que la période s’allonge. Cela confirme que la réponse du front polaire au réchauffement reflétée par son déplacement latitudinal est plus lente dans l’Atlantique Nord que dans l’Antarctique, en raison de la saillie du Groenland qui maintient froid l’océan au large. Cette différence disparaît lorsque la période augmente parce que les effets liés à l’extension des calottes polaires sont lissées sur de grands intervalles de temps.
Ere glaciaire-interglaciaire
La transition du milieu du Pléistocène (MPT)
Alors que la plupart des transitions climatiques ont été reconnues comme résultant du forçage solaire et orbital en raison de leur synchronisme, la compréhension des mécanismes physiques sous-jacents rencontre des problèmes considérables. Les variations du forçage sont trop faibles pour expliquer les variations climatiques observées comme de simples réponses linéaires. Les difficultés atteignent leur paroxysme lorsque l’on considère la transition du Pléistocène moyen (MPT), c’est-à-dire un changement fondamental dans le comportement des cycles glaciaires au cours des glaciations quaternaires. La transition s’est produite il y a environ 1,2 million d’années, à l’époque du Pléistocène. Avant le MPT, les cycles glaciaires étaient dominés par une périodicité de 41 000 ans cohérente avec le forçage de Milankovitch dû à l’inclinaison axiale. Après le MPT, la durée des cycles a augmenté, avec une durée moyenne d’environ 100 000 ans cohérente avec le forçage de Milankovitch dû à l’excentricité. Cependant, l’intensité du forçage résultant de l’excentricité est bien inférieure à celle induite par l’inclinaison axiale.
La période d’excentricité a varié fortement au cours des 4 derniers millions d’années, se rapprochant de la période de résonance du mode sous-harmonique n11, soit 98,3 Ka, depuis 1,2 Ma BP (Pinault, 2021a). L’efficacité du forçage pour cette période n’a cessé d’augmenter depuis 1,4 Ma BP pour atteindre 5°C (W/m2)-1 actuellement, ce qui suggère que l’accord s’améliore encore.
Une période propre des ondes de Rossby Gyrales se rapprochant de la période de forçage, les gyres s’ajustent pour parfaire l’accord entre les deux périodes. Alors que la période dominante des cycles glaciaires-interglaciaires avant le MPT était de 41 Ka, cohérente avec l’obliquité, elle est depuis cohérente avec celle de l’excentricité bien que l’amplitude du forçage orbital soit beaucoup plus élevée pour l’obliquité que pour l’excentricité.
L’hypothèse selon laquelle les ondes de Rossby Gyrales ont été accordées sur différentes périodes de forçage avant et après le MPT suppose que la période dominante était de 41 Ka avant le MPT, comme l’attestent les enregistrements climatiques. Cependant, la période propre la plus proche correspond au mode sous-harmonique n10, soit 49,2 Ka. Le passage de la période de 41 Ka, lorsque le mode sous-harmonique n10 était accordé sur la période de forçage avant le MPT, à la période propre de 49,2 Ka actuellement avait nécessité un ajustement du gyre (Pinault 2021a).
La transition pliocène-pléistocène
Tirant partie du paléothermomètre alcénone (produit de dégradation de la chlorophylle) dans les carottes de sédiments prélevés dans le fond de la mer de Tasmanie, nous allons montrer que, de la même manière que lors de la transition du mi-pléistocène (MPT), mais avec des périodes 10 fois plus longues, une transition s’est produite à la charnière du Pliocène-Pléistocène. Les deux transitions seront interprétées comme la réponse au forçage orbital du système climatique avec la médiation des ondes de Rossby Gyrales (Pinault 2021a).
La bande 295-590 Ka
La comparaison de l’irradiance solaire totale et de la température de surface de la mer (sans tendance) filtrée dans la bande 295-590 Ka caractéristique du mode subharmonique n13 confirme leur cohérence car presque en phase, une condition préalable à toute relation causale entre le forçage et ses effets présumés sur les gyres océaniques subtropicaux. Cependant, l’efficacité du forçage varie dans le temps puisque l’oscillation de la température de surface de la mer s’affaiblit entre 1,6 et 2,4 Ma BP tandis que le forçage reste soutenu tout au long de la période d’observation. En effet, la figure b) confirme l’affaiblissement de l’efficacité du forçage malgré la proximité de la période du forçage et de la période propre, soit 408 et 393,2 Ka.
La bande 590-1769 Ka
Comme pour la bande 295-590 Ka, la comparaison de l’irradiance solaire totale et de la température de surface de la mer (sans tendance) filtrée dans la bande 590-1769 Ka caractéristique du mode sous-harmonique n14 montre leur quasi-cohérence, mis à part le petit déphasage qui s’est produit entre 1,5 et 0,8 Ma BP. Cela pourrait refléter l’accord du gyre pendant la transition du mi-pléistocène (MPT): Figure f). Comme le montre la figure e), l’efficacité du forçage augmente considérablement pendant la transition Pliocène-Pléistocène, dépassant 10 ° C (W / m2) -1. Une telle valeur dénote un accord optimal entre les périodes propre et de forçage. Le mode n13 est multiplié par 3 pour obtenir le mode n14 au lieu de 2 : cela reflète la forte influence du forçage résultant des variations d’excentricité.
Les transitions du Pléistocène moyen et du Pliocène-Pléistocène (Pinault, 2021a)
Qu’il s’agisse de la transition du Pléistocène moyen ou du Pliocène-Pléistocène, deux modes sous-harmoniques sont forcés simultanément. Ce sont n10 et n11 dont les périodes propres sont 49,2 et 98,3 Ka pour la première transition, et n13 et n14 dont les périodes propres sont de 0,39 et 1,18 Ma pour la seconde. La période propre du mode le plus élevé s’accorde de manière transitoire, mais de manière optimale, sur la période de forçage lorsque l’une et l’autre deviennent très proches. Ensuite, les deux modes sous-harmoniques permutent le mode dominant, comme en témoigne la variation opposée presque symétrique des efficacités de forçage (b, e). L’efficacité de forçage du mode supérieur dépasse 10 °C (W/m2)-1 entre 2,4 et 1,6 Ma BP lorsque l’accord est optimal alors que celle du mode inférieur descend à 0,12 °C (W/m2)-1. Le changement de période dominante s’est produit il y a environ 2,2 Ma lorsque l’oscillation de la période de 0,39 Ma s’est effondrée au profit de l’oscillation de la période de 1,18 Ma (c, f). De nos jours, la transition se produit dans l’autre sens puisque l’oscillation de période 1,18 Ma s’effondre au profit de l’oscillation de période 0,39 Ma, les deux ayant approximativement la même amplitude. Cette transition implique un faible ajustement de la circonférence du gyre car l’écart entre les périodes de forçage et propre du mode sous-harmonique inférieur est faible, respectivement 0,41 et 0,39 Ma.
Référence
Berger, A.; Loutre, M.-F. Insolation values for the climate of the last 10 million years. Quat. Sci. Rev. 1991, 10, 297–317.
Glossaire
Les événements de Heinrich, qui furent décrits pour la première fois par le géologue et océanologue Hartmut Heinrich, se sont produits pendant la dernière période glaciaire. Au cours de ces événements, de nombreux icebergs se sont détachés des glaciers et ont traversé l’Atlantique Nord. Les icebergs contenaient des masses rocheuses érodées par les glaciers, et lors de leur fusion, la matière a été abandonnée sur le plancher océanique en tant que « débris ayant voyagé sur un radeau de glace ».
Les événements Dansgaard-Oeschger (souvent abrégés D-O) désignent les fluctuations rapides du climat qui ont eu lieu au cours de la dernière période glaciaire.
L’onde quasi-stationnaire fondamentale est en phase avec le forçage. Dans les tuyaux sonores, les cordes et les membranes vibrantes se forment des harmoniques dont la période est un diviseur de celle de l’onde fondamentale. Pour ce qui concerne les longues vagues océaniques, il se forme des subharmoniques dont la période est un multiple de celle de l’onde fondamentale comme ceci se produit pour les modes baroclines d’ordre élevé.
Expliquer avec réalisme la variabilité du climat 