Dépôts de poussière sur les calottes glaciaires: un mécanisme de terminaison des âges glaciaires ?

Overpeck et al. (1996) disaient:

Nos résultats désignent des poussières aérosols comme source potentielle d’épisodes de réchauffement durant la dernière période glaciaire, et suggèrent que ce réchauffement pourrait être le mécanisme de déclenchement expliquant les événements climatiques abrupts inexpliqués jusqu’à maintenant.

 

Donc la poussière minérale semble avoir été l’aérosol le plus globalement distribué, avec l’effet radiatif le plus grand sur la neige et les régions couvertes de glace.

 

Sauf pour les régions du nord Canada et de l’Alaska, le réchauffement moyen annuel déclenché par la poussière devint plus important et à des latitudes progressivement plus élevées, et fut le plus important (jusqu’à 4.4°C) dans les régions avec poussière sur neige à fort albédo et zones couvertes de glace.

Calov et al. (2005) disaient:

La poussière affecte le comportement du climat en réduisant l’albédo de la neige et de la glace. Cette rétroaction est probablement négative, au moins à certaines étapes du cycle glaciaire parce qu’une augmentation du volume de glace conduit à un climat plus sec, une augmentation de la génération de poussière, d’où dépôt diminuant l’albédo et augmentant la fonte de neige.

Krinner et al. (2006) ont utilisé un modèle de circulation générale avec une haute résolution générale et une paramétrisation de l’albédo de neige pour montrer que :

… Les conditions d’absence de neige dans le nord de l’Asie durant le Dernier Maximum Glaciaire (DMG) ont été favorisées par un fort dépôt de poussière glacée sur la couche de neige saisonnière. Les simulations de notre modèle climatique indiquent que les dépôts de poussière minérale sur la surface enneigée donnent un faible albédo durant la saison de fonte. Ceci a causé ensuite une accélération de la fonte de la neige et par conséquent a favorisé des conditions hors neige au plus fort de l’été sur le continent asiatique presque tout entier durant le GMG, tandis qu’une couverture neigeuse pérenne est simulée sur une grande partie de la Sibérie orientale lorsque le dépôt de poussière glaciale n’est pas pris en compte.

Ganopolski et al. (2010) ont utilisé un modèle climatique de haute résolution qui « tient compte directement de l’effet du dépôt de poussière sur l’albédo de la neige » pour analyser l’évolution du dernier Âge Glaciaire depuis 130 kya jusqu’à maintenant. Ils présupposaient des taux de dépôt assez élevés. Ils en sont venus à dire :

En réalité, l’essentiel de la poussière associée à l’érosion glaciaire est déposé durant l’été ; par suite, la concentration de poussière dans la couche de neige supérieure durant la fonte est prévue pour être beaucoup plus importante que dans le cas d’un mélange uniforme sur l’ensemble de l’année. De plus, lorsque la neige fond, seule une fraction de la poussière est éliminée par l’eau de fonte et par conséquent la concentration de poussière dans la neige augmente avec le temps. Bien que la modélisation de tous ces processus soit problématique, les incertitudes en rapport ne sont pas cruciales car il se produit un effet de saturation de la concentration de poussière dans la neige de plus de 1000 ppmw et l’albédo de la neige prend une valeur comparable à celle de la glace sale.

Ils ont inclus à la fois la poussière globalement transférée aussi bien que la poussière glaciogénique qui « provient des flancs sud des calottes et cette source n’est significative que pour les calottes mûres qui pénètrent loin dans des zones couvertes d’épais sédiments terrestres.  » Leur modèle a donné un Âge Glaciaire s’étendant de 130 kya à 20 kya, bien qu’il y ait eut quelques oscillations dans la croissance des calottes glaciaires. « La déglaciation commença aussitôt après 20 kya est s’accéléra significativement après 16 kya. » Ils estimaient que le rythme du dépôt de poussière durant le dernier Âge Glaciaire atteignit son maximum au DMG vers 20 kya à 40 à 60 g/m²-an. Leur modèle indiquait que sans inclusion de poussière glaciogénique , les calottes auraient diminué de 60% dans les 20.000 dernières années mais n’auraient pas disparu. Avec l’inclusion de poussière glaciogénique, les calottes de glace auraient disparu totalement il y a environ 8.000 ans. Ils concluaient :

D’où, au moins dans notre modèle, tenir compte de la source supplémentaire de poussière en rapport avec l’érosion glaciaire est crucial pour la simulation d’une terminaison complète du cycle glaciaire.

Lorsqu’ils modifièrent le montant du dépôt de poussière, l’effet ne fut pas important. Une petite quantité de poussière était nécessaire pour terminer l’Âge Glaciaire, mais une plus grande quantité avait un effet plus réduit.

Ganopolski et al. (2011) étendirent le travail de Ganopolski et al. (2010) aux Âges Glaciaires des derniers 800.000 ans avec le même modèle. Leurs résultats montraient :

Chaque terminaison glaciaire est associée à un important accroissement de dépôt de poussière qui réduit l’albédo de surface et augmente l’ablation. Il y a deux raisons principales à l’accroissement du rythme de dépôt de poussière durant la fin de la glaciation : (i) une portion considérable de la calotte Nord Américaine lors du maximum glaciaire s’étend sur des zones couvertes d’épais sédiments terrestres et (ii) l’essentiel de la base de la calotte glaciaire sur cette zone est au point de fonte de pression. Ces deux facteurs permettent un glissement des calottes et un important transport de sédiments vers les marges des glaciers ce qui, par suite conduit à une augmentation de la production de poussière glaciogénique et de dépôt de poussière sur les calottes. Ceci amplifie l’effet direct de l’insolation estivale et de la concentration de GES .

Dans l’article de Ganopolski et al. (2011) la façon dont ils ont ajusté le dépôt de poussière comme fonction annuelle sur 800.000 ans n’est pas très clair. Ganopolski et Caloc (2012) mentionnaient :

Le dépôt de poussière est calculé comme la somme du dépôt de fond pris dans les simulations GCM et le dépôt de poussière glaciogénique calculé dans le modèle CLIMBER-2 (Ganopolski et al. 2010).

Cependant, si nous prenons leurs résultats en valeur nominale, nous pouvons examiner la relation entre les niveaux de poussière et la fin des Âges Glaciaires fournie par leur modèle. La Figure 1 montre leurs résultats comparant le rythme de dépôt de poussière avec le volume de glace.

Figure 1. Comparaison entre le chargement de poussière modélisé (g/m²-an) (courbe marron) avec le volume de glace (niveau marin eustatique global équivalent en mètres) (courbe bleue).

Figure 2. Comparaison entre le chargement de poussière modélisé (g/m²-an) (courbe rouge) avec le volume de glace (niveau marin global équivalent eustatique en mètres) (courbe bleue) montrant les pointes de dépôts de poussière (lignes pointillées verticales).

Il est intéressant de comparer le chargement de poussière modélisé avec le volume de glace de façon plus détaillée comme sur la Figure 2. Les Âges Glaciaires sont représentés par les courbes bleues, alors que le rythme de dépôt de poussière est représenté par les courbes rouges. Il est tout de suite évident que les fins d’Âges Glaciaires sont typiquement précédées par des pointes du taux de dépôts de poussière. De plus, comme on pouvait s’y attendre, le délai est court entre la pointe de dépôt de poussière et la fin rapide de l’Âge Glaciaire. Dans la Figure 2, une ligne pointillée verticale marque chaque pointe de dépôt de poussière, et les pointes sont marquées de A à U. La relation entre chaque pointe de dépôt de poussière et la courbe de volume de glace est résumée à la Table 1.

Nous notons ce qui suit:

1. Tous les Âges Glaciaires ne sont pas d’une durée égale et ne sont pas parfaitement espacés de façon régulière. Cependant il y a une similitude entre la plupart des Âges Glaciaires, et la périodicité, bien que loin d’être parfaite, est à peu près de 100.000 ans.
2. Occasionnellement, des augmentations significatives du volume de glace interviennent entre les Âges Glaciaires, mais elles sont typiquement de courte durée (G et Q ; pas de surbrillance).
3. Les cas classiques de pointe de dépôt de poussière élevée précèdent immédiatement une fin soudaine d’un Âge Glaciaire sont au nombre de 6 : A, C, F, L, A et U (sur lignage jaune). Trois autres fins suivent des pointes intermédiaires de dépôt de poussières (L, N et P) (Sur lignage orange).
4. Dans sept cas (B, D, K, M, O et R) une baisse mineure du rythme du dépôt de poussière produit, comme attendu, une baisse mineure du volume de glace (sur lignage vert).
5. Il y eut quelques cas anormaux où l’importance de la variation du volume de glace était disproportionné par rapport à la variation du chargement de poussière ; E, G, H, Q et T (pas de sur lignage).

Table 1. Relation entre les pointes de poussière et la courbe du volume de glace.

Ainsi le modèle de Gonopolski et al. (2011) montrait un lien direct entre une forte pointe de dépôt de poussière et une diminution rapide du volume de glace. Comme nous l’avons montré, il y a quelques défauts dans cette représentation, mais, dans l’ensemble, le lien entre le chargement de poussière et la fin des Âges Glaciaires semble fermement prédit par leur modèle.

Comme le font remarquer Ganopolski et al. (2011) :

Comme l’ont montré Ganopolski et al. (2010), la simulation d’une terminaison glaciale complète, même avec le forçage de GES prescrit, n’est possible que si le dépôt de poussière glaciogénique est pris en compte.

L’explication de la terminaison glaciaire nécessite un fort mécanisme non linéaire supplémentaire, qui, dans notre cas, est la rétroaction de la poussière. Cette rétroaction agit après que les calottes glaciaires se soient étendues dans la zone couverte de sédiments terrestres. Des taux élevés de dépôt de poussière sur les surfaces de glace réduit leur albédo, ce qui renforce leur ablation et donc amplifie la réponse de la calotte à l’insolation croissante. A noter que ce mécanisme avait déjà été proposé par Peltier et Marshall (1995)…

Ganopolski et Calov (2012) ont revu leur travail antérieur et concluent:

Supprimer l’effet des dépôts de poussière sur l’albédo de la neige conduit à un développement rapide d’immenses et irréalistes calottes, qui ne peuvent fondre même durant des périodes de haute concentration de CO2 et d’ensoleillement. Cela confirme notre première hypothèse (Calov et al. 2005) sur l’importance de la poussière atmosphérique pour la limitation de la croissance des calottes glaciaires et leur rapide terminaison.

 

Le modèle tient explicitement compte du forçage radiatif direct de la poussière atmosphérique et de l’effet du dépôt de poussière sur l’albédo de la neige. Ce dernier, comme montré dans Calov et al. (2005) et Ganopolski et al. (2010), joue un rôle important dans le contrôle de l’extension spatiale des calottes glaciaires et le rythme du dégel.

Le dépôt de poussière est calculé comme la somme du dépôt de poussière de fond pris dans les simulations GCM, et le dépôt de poussière glaciogénique, qui est combiné interactivement dans le modèle CLIMBER -2 (Ganopolski et al. 2010).

 

Enlever l’effet du dépot de poussière sur l’albédo de la neige conduit au développement rapide de calottes glaciaires irréalistes, qui ne peuvent être fondues lors des périodes de forte insolation et de haute concentration de CO₂. Ceci confirme nos spéculations antérieures (Calov et al. 2005) sur l’importance des poussières dans le contrôle de la croissance des calottes et leur fin.

Bauer et Ganopolski (2014) ont enquêté plus avant sur le rôle de la poussière dans les cycles glaciaires. Parmi les nombreux éléments dont ils ont discuté, le forçage du à la poussière et la source de poussière dans leur modèle a été présenté. La Figure 3 montre le forçage modélisé du au dépôt de poussière sur les calottes glaciaires. Ce forçage de la poussière est comparé à une mesure de température relative à EPICA-Dome en Figure 4.

Figure 3. Forçage modélisé du au dépôt de poussière sur les calottes glaciaires par Bauer et Ganopolski (2014).

Figure 4 . Comparaison entre le forçage modélisé de la poussière par Bauer et Ganopolski (2014) et les températures relatives de EPIC-Dome.

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