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Terre Univers Environnement

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

Jinhwa SHIN, Équipe iCe3 / IGE, Oct. 2015 - Oct 2018

par Chargé(e) de mission communication - 22 février 2017

Supervision : Jérôme Chappellaz IGE
Funding : 50% ERC Grant ICE&LASERS / 50% Labex
Doctoral School : Terre-Univers-Environnement ; Grenoble

Sujet

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 le puits naturel 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 décennie 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.

L’IGE 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 dixièmes 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.

Dans le cadre de cette thèse, 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.

Le travail essentiel du doctorant consistera à conduire un travail analytique exigeant de la rigueur pour aboutir à une nouvelle courbe de référence de l’évolution de ce signal de δ13CO2 atmosphérique, très
attendu par la communauté des modélisateurs du système couplé climat-carbone. Il s’appuiera sur plusieurs forages antarctiques dont l’IGE possède les échantillons nécessaires : les forages européens EPICA/Dôme C et EPICA/EDML, Talos Dome, Berkner Island, Fletcher Promontory. Pour l’interprétation de ses données, le doctorant collaborera notamment avec Didier Roche au LSCE à Saclay, en mettant en oeuvre différents modèles climat-carbone existants permettant d’évaluer les mécanismes mis en cause par les signatures isotopiques associées.


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