Modéliser l'évolution du climat global et de la calotte eurasienne pendant la dernière déglaciation

Modelling the evolution of the global climate and the eurasian ice sheet during the last deglaciation

• Auteur / Autrice : Victor Van Aalderen
• Direction : Sylvie Charbit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Amaëlle Landais
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jorge Alvarez-Solas, Florence Colleoni, Didier Swingedouw, Nicolas Jourdain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jorge Alvarez-Solas, Florence Colleoni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déglaciation

Calottes glaciaires

Paléoclimatologie

Mots clés libres

Modélisation

Barents-Kara

Déglaciation

Simulation transitoire

Modèle couplé

Calotte marine

Modelisation

Barents-Kara

Deglaciation

Transient simulation

Coupled model

Marine Ice sheet

Résumé

La calotte marine de l'Antarctique de l'Ouest présente la particularité d'être en grande partie en contact avec l'océan. Les dernières observations révèlent une accélération de sa perte de masse sur les dernières décennies, essentiellement provoquée par l'augmentation de la fonte sous les plateformes de glace flottante. En revanche, son évolution future reste très incertaine, du fait de notre mauvaise compréhension des processus physiques mis en jeu entre la calotte et l'océan.La dernière déglaciation (-21 000 - -11 000 ans), constitue l'un des changements climatiques majeurs les plus récents de notre histoire. Cette période est marquée par une augmentation des températures atmosphériques globales et la disparition des calottes nord-américaine et eurasienne. L'étude de la calotte marine de Barents-Kara (BKIS), qui couvrait les mers de Barents et de Kara au Dernier Maximum Glaciaire (DMG, -21 000 ans) et faisait partie intégrante de la calotte eurasienne, revêt un intérêt particulier en raison de ses caractéristiques communes avec l'Antarctique de l'Ouest actuel. Identifier les mécanismes responsables de son recul permet de fournir des informations pour mieux comprendre le comportement de l'Antarctique de l'Ouest dans des contextes climatiques actuel et futur.L'impact du climat sur l'évolution d'une calotte marine dépend de deux processus principaux : le bilan de masse de surface, influencé par les températures atmosphériques et précipitations, ainsi que la fonte sous la glace flottante, liée aux températures océaniques et la salinité. Pour identifier les mécanismes ayant initié la fonte de BKIS, j'ai utilisé le modèle de glace GRISLI2.0 afin d'analyser la réponse de cette calotte à des perturbations du climat au DMG. Cette étude a mis en évidence le rôle déterminant des températures atmosphériques dans le déclenchement de la fonte de la calotte via la fonte de surface, tandis que les températures océaniques n'ont eu qu'un impact limité malgré une grande partie de la calotte BKIS en contact avec l'océan. J'ai aussi identifié que la fonte totale BKIS pouvait être attribuée à une instabilité mécanique à la ligne d'échouage, provoquée par une diminution de l'épaisseur de glace dû à une augmentation de la fonte de surface. Afin de mieux comprendre l'impact des calottes sur le climat global, j'ai également réalisé la première simulation transitoire de la dernière déglaciation avec le modèle IPSL-CM5A2 en modifiant à certaines périodes clés la géométrie des calottes de glace donnée par la reconstruction GLAC-1D. Les simulations montrent une tendance du réchauffement en accord avec les reconstructions, notamment lors du MWP1A caractérisé par une augmentation abrupte des températures atmosphériques. A partir d'expériences de sensibilité, j'ai mis en évidence que les changements de géométrie des calottes glaciaires ont participé à l'augmentation des températures atmosphérique via les rétroactions température-altitude et l'effet d'albédo. Par ailleurs, j'ai aussi montré que la dynamique océanique a été notablement perturbée par les flux d'eau douce issus de la fonte des calottes. Ce phénomène a conduit à une atténuation de l'intensité de la circulation méridienne de retournement de l'Atlantique et à une réduction de sa profondeur de plongée, entraînant un ralentissement du réchauffement, principalement dans l'Atlantique Nord. De plus, les expériences IPSL-CM5A2 simulent toutes un arrêt de la circulation des eaux de fond antarctiques au début du MWP1A, entraînant un refroidissement significatif d'une centaine d'années dans la mer d'Amundsen, suivi d'une réactivation de cette même circulation. Ces travaux contribuent ainsi à une meilleure compréhension des mécanismes complexes régissant la dynamique des calottes glaciaires et de leur interaction avec le climat, tout en offrant des éléments de réponse pour anticiper les conséquences des changements climatiques actuels et futurs, notamment en ce qui concerne l'Antarctique de l'Ouest.

The marine West Antarctic ice sheet is characterized by being largely in contact with the ocean. The latest observations reveal an acceleration in its mass loss over the last few decades, mainly due to increased melting under floating ice shelves. However, its future evolution remains highly uncertain, due to our poor understanding of the physical processes at play between the ice sheet and the ocean.The last deglaciation (21 ka-11 ka) is one of the most recent major climatic changes in our history. This period is marked by an increase in global atmospheric temperatures and the melting of the North American and Eurasian ice sheets. The study of the Barents-Kara Ice Sheet (BKIS), which covered the Barents and Kara Seas during the Last Glacial Maximum (LGM, 21 ka) and was an integral part of the Eurasian Ice Sheet, is of particular interest because of its common features with present-day West Antarctica. Identifying the mechanisms responsible for its retreat allows to provide information to better understand the West Antarctic behavior within under present and future climatic conditions.The impact of climate on the evolution of a marine ice sheet depends on two main processes: The surface mass balance, depending on atmospheric temperatures and precipitation, and melting under floating ice, related to oceanic temperatures and salinity. In order to identify the mechanisms triggering the BKIS retreat, I used the GRISLI2.0 ice-sheet model to analyse the ice-sheet response to climate perturbations at the LGM. This study highlighted the key role of atmospheric temperatures in triggering the melting of the ice sheet via surface melting, while ocean temperatures had only a limited impact despite a large part of BKIS being in contact with the ocean. I also identified that the total retreat of BKIS could be attributed to a mechanical instability at the grounding line, caused by a decrease in ice thickness resulting from an increase in surface melting.In order to better understand the impact of ice sheets on the global climate, I have also carried out the first transient simulation of the last deglaciation with the IPSL-CM5A2 model, modifying the geometry of the ice sheets provided by the GLAC-1D reconstruction at some key periods. The simulations show a warming trend in line with the reconstructions, particularly during MWP1A, which was characterised by an abrupt rise in atmospheric temperatures. Using sensitivity experiments, I have shown that changes in the ice sheet geometry have contributed to the increase in atmospheric temperatures via temperature-altitude feedbacks and the albedo effect. Moreover, I have shown that ocean dynamics have been significantly altered by freshwater fluxes from the melting ice sheets. This has led to a weakening of the strength of the Atlantic Meridional Overturning Circulation and a reduction of its deepening, resulting in a warming slowdown, mainly located in the North Atlantic Ocean. In addition, the IPSL-CM5A2 experiments all simulate a shutdown of the Antarctic bottom water circulation at the onset of MWP1A, leading to a significant cooling of about 100 years in the Amundsen Sea, followed by a restart of this circulation.This work is contributing to a better understanding of the complex mechanisms governing the dynamics of the ice sheets and their interaction with the climate, while also providing a basis for anticipating the consequences of current and future climate change, particularly in West Antarctica.