Impact de l’éruption du volcan Toba sur le climat et la dynamique océan-atmosphère

Impacts of Toba eruption on climate and ocean-atmosphere dynamics

• Auteur / Autrice : Ana Alves
• Direction : Annachiara Bartolini, Eva Moreno, Franck Bassinot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers, espace
• Date : Soutenance le 22/03/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la nature et de l'Homme - Évolution et écologie (Paris ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche en paléontologie (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Jorge Cubo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : William Robert Gray, Stéphanie Duchamp-Alphonse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabel Cacho, Thibault de Garidel-Thoron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moussons

Paléo-océanographie

Paléoclimatologie

Volcanisme

Mots clés libres

Volcanisme

Mousson

Océan

Climat

Volcanism

Monsoon

Ocean

Climate

Résumé

Les éruptions volcaniques explosives tropicales, surtout si elles sont de nature stratosphérique, sont des phénomènes naturels qui peuvent influencer de manière significative le climat. Ce sont les émissions de soufre vers l'atmosphère qui jouent un rôle majeur. En effet, ce gaz précurseur d'aérosols, peut d'une part engendrer une modification de la température en diminuant le rayonnement solaire incident, et d'autre part, perturber la chimie des océans. L'éruption du volcan Toba (Younger Toba Tuff, YTT), s'est produite il y ~74 000 ans sur l'ile de Sumatra. Elle est actuellement considérée comme la plus grande éruption du Quaternaire. Ses émissions vers l'atmosphère sont estimées entre 3.5 x 1010 et 3.3 x 1012 kg de soufre, et ~8600 km3 de cendres qui se sont réparties sur près de ~40 millions de km2. De nombreuses incertitudes sur les paramètres clés de l'éruption (durée, dynamique éruptive, émissions) persistent et rendent difficile l'estimation de son impact sur le climat. Cependant, certaines études ont suggéré que l'éruption du Toba aurait eu un impact sur la mousson indienne. L'hypothèse est que le refroidissement global causé par les aérosols d'origine volcanique a pu altérer les gradients de température de surface et perturber la circulation atmosphérique et les vents de mousson. Cette thèse a pour objectif de (1) reconstruire la variabilité de la mousson indienne lors des derniers 150 000 ans, (2) étudier à très haute résolution la transition entre le stade isotopique marin 5 (interglaciaire) et le stade 4 (glaciaire) afin d'observer l'impact de l'éruption du Toba sur l'océan de surface et la dynamique océan-atmosphère. Pour réaliser cette étude, un analyse multi-proxy (isotopes du bore (δ11B) et de l'oxygène (δ18O), rapport Mg/Ca des foraminifères G. ruber, fluorescence de rayons X (XRF) et abondance des foraminifères G.bulloides et G. ruber) a été réalisée sur deux carottes marines provenant de l'océan Indien tropical. La carotte BAR94-25 a été prélevée en mer d'Andaman (~600 km du volcan Toba) et la carotte MD00-2355 en mer d'Arabie (~4500 km). Ces carottes sont idéalement situées dans deux régions fortement influencées par la mousson indienne. Plusieurs niveaux de téphra appartenant au volcan Toba ont été identifiés dans ces deux carottes et correspondent à plusieurs événements explosifs pendant la transition climatique MIS5-MIS4. Nos résultats ont montré que lors des dernier 150 000 ans, les variations de la salinité en mer d'Andaman sont en phases avec l'insolation d'automne à 6°N. Ceci a été interprété comme une influence de « El Niño-oscillation australe » (ENSO) et du dipôle de l'océan Indien (DOI) sur le régime de précipitations. En mer d'Arabie, nous avons observé une variabilité glaciaire-interglaciaire de la mousson indienne, avec un affaiblissement de la mousson d'été (Sud-Ouest) en période glaciaire.L'étude détaillé de la transition MIS 5/4 a mis en évidence une acidification de l'océan de surface en mer d'Andaman qui coïncide avec l'activité éruptive du volcan Toba. Nous avons également observé une augmentation graduelle de la salinité qui témoigne d'une diminution des précipitations dans cette région. Ainsi, l'activité volcanique du Toba aurait perturbé la circulation atmosphérique caractérisée par un état moyen semblable à El Niño et à un DOI-. En mer d'Arabie, nos résultats ont permis de voir que l'activité éruptive du volcan Toba a diminué, voire arrêté, la mousson d'été (Sud-Ouest).

Tropical explosive volcanic eruptions, especially the stratospheric ones, are natural phenomena that can have a significant influence on climate. Sulfur emissions into the atmosphere play a major role. This aerosol-precursor gas can both modify temperatures by reducing incident solar radiation, and disrupt ocean chemistry. The eruption of the Toba volcano (Younger Toba Tuff, YTT) occurred ~74,000 years ago on the island of Sumatra. It is currently considered the largest eruption of the Quaternary period. Its emissions of material into the atmosphere are estimated at between 3.5 x 1010 and 3.3 x 1012 kg of sulfur and ~8600 km3 of ash spread over nearly ~40 million km2. Numerous uncertainties about the eruption's key parameters (duration, eruptive dynamics, emissions) persist, making it difficult to estimate its impact on climate. However, some studies have suggested that the Toba eruption may have had an impact on the Indian Monsoon. The hypothesis is that the global cooling caused by the release of volcanic aerosols may have altered atmospheric conditions and Monsoon winds. The aim of this thesis is to reconstruct the variability of the Indian Monsoon during the last ice age (150 ka). Then, to study the impact of the Toba eruption on the surface ocean and ocean-atmosphere dynamics, by analyzing at very high resolution the transition between marine isotope stage 5 (interglacial) and stage 4 (glacial). To carry out this study, a multi-proxy analysis (boron (δ11B) and oxygen (δ18O) isotopes, G. ruber Mg/Ca ratio, X-ray fluorescence (XRF) and G.bulloides and G. ruber abundance) was carried out on two marine cores from the tropical Indian Ocean. Core BAR94-25 was taken from the Andaman Sea (~600 km from volcano Toba) and core MD00-2355 from the Arabian Sea (~4500 km). These cores are ideally located in two regions strongly influenced by the Indian Monsoon. Several tephra levels belonging to the Toba volcano were identified in these two cores, corresponding to several explosive events during the MIS5-MIS4 climatic transition. Our results show that during the last 150 ka, salinity variations in the Andaman Sea are in phase with autumn insolation at 6°N. This was interpreted as the influence of El Niño-Southern Oscillation (ENSO) and the Indian Ocean Dipole (DOI) on the precipitation regime. In the Arabian Sea, we observed glacial-interglacial variability of the Indian Monsoon, with a weakening of the summer (southwest) Monsoon during the glacial period. A detailed study of the MIS 5/4 transition revealed acidification of the surface ocean in the Andaman Sea, coinciding with the Toba eruption. We also observed a gradual increase in salinity, reflecting a decrease in precipitation in this region. Thus, the volcanic activity of Toba would have disrupted the atmospheric circulation characterized by a mean state similar to El Niño and a DOI-. In the Arabian Sea, our results showed that the eruption of Toba reduced or even halted the summer Monsoon (Southwest).