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relations volcanisme et climat à différentes échelles de tempséchelles de temps
LE HIR Guillaume, maître de conférencesUniversité Paris 7 IPGPUniversité Paris 7 – IPGPéquipe de paléomagnétisme
Partie I : comprendre les effets potentiels d’une éruption volcanique contemporaine q p
(Pinatubo, 1991)
P i II l ff d’ é i d d’i i i é l iPartie II : les effets d’une période d’intense activité volcanique à l’échelle des temps géologiques
(Trapps du Deccan 65Ma)(Trapps du Deccan, 65Ma)
Partie III : l’importance du volcanisme aux très longuesp géchelles de temps
(le cas du Phanérozoïque, 542-0Ma)
Conclusion
Partie I : comprendre les effets potentiels d’une éruption volcanique contemporaine
(Pinatubo, 1991)
unités de temps considérées : du jour à l’année
Une éruption volcanique : un événement brutal aux conséquences prolongées
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie
(Embleton and Williams, 1986)
Source : J Besse
Hémisphère Nord proche équateur (15.1°N; 120.4°E)
Source : J. Besse
Éruption du Pinatubo, 12‐16 Juin 1991Paroxisme 15 Juin 1991P h j ’à 40k d’ ltit d
Conséquence sur les températures 18mois plus tard : ∆T ‐ 0 4°C en moyenne globalePanache jusqu’à 40km d’altitude ∆T 0.4 C en moyenne globale
‐ 0.5 à 0.6°C dans l’hémisphère Nord
Comment une éruption brêve peut‐elle avoir des conséquences si longtemps après ?
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie
Image satellite traçant le trajet du nuagede particules fines (par la chaleur)
(Embleton and Williams, 1986)
Source : J BesseSource : J. Besse
Problème : rapide disparition des particules fines (~ qq jours)
Impossible d’expliquer la baisse de température sur plus d’une année !
Comment une éruption brêve peut‐elle avoir des conséquences si longtemps après ?
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie Le 16 Juin (mesure satellite TOMS) : présence d’un “nuage” de SO2 dans la
stratospherestratosphere~ 20 (±6) Mt (1 Mt = 109 kg)
(30% d’erreur)
(Embleton and Williams, 1986)
Source : J Besse
En 30 jours 50% du SO2(g) disparait(Winker and Osborn, 1992)
A è 6 i 0% d SO d l Source : J. BesseAprès 6 mois 0% de SO2(g) dans la stratosphère
Read et al. 1993
M C i k l 1992En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie
Mc Cormick et al. 1992
(Embleton and Williams, 1986)
Source : J BesseSource : J. Besse
l’épaisseur optique augmente après l’éruption. 18 mois après l’éruption, l’épaisseur optique toujours anormaleComposition : aérosols sulfatés (< 1µm)
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie SAGE II (Stratospheric Aerosol and Gas Experiment II) mis en orbite en 1984 pour étudier le bilan radiatif de la Terreétudier le bilan radiatif de la Terre
Méthode : Passage du satellite derrière la Terre / SoleilPrincipe : durant “le couché de soleil” si l’objet occultant possède une atmosphère
(Embleton and Williams, 1986)
Principe : durant le couché de soleil si l objet occultant possède une atmosphère, la diminution du signal est progressive (variable selon la λ et l’altitude)
Source : J BesseSource : J. Besse
Épaisseur optique avant l’éruption Un mois après l’éruption
Que se passe t‐il dans la stratosphère ?
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie
Ob ti P
phase d’oxydation (au contact des OH) En 30 jours 50% du SO2(g) disparait
Observations Processus
SO2 devient de l’acide sulfurique:
oxydation : SO2(g) → H2SO4(g)
j 2(g) p(Winker and Osborn, 1992)
Après 6 mois 0% de SO2(g) dans la stratosphère
(Embleton and Williams, 1986)
phase d’hydratation (condensation deA iti d’ d’ é l i
Source : J Besse
phase d hydratation (condensation de l’acide sulfurique avec H2Ovap)
H2SO4( )→ S‐aerosols
Apparition d’un nuage d’aérosols qui augmente et perdure plusieurs mois après l’éruption
Source : J. BesseH2SO4(g) → S aerosols
Pourquoi la présence d’aérosols a un tel effet ?
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie Fenètre spectrale: faible absorption
et/ouet/oudiffraction
‐ une part importantedu rayonnementsoleil
(Embleton and Williams, 1986)
du rayonnementsolaire atteint la
surface de la Terre (75%)
soleil
Source : J Besse
‐ UV sont trèslargement absorbés
Source : J. Besse
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie Pinatubo
soleil
(Embleton and Williams, 1986)
soleil
Source : J BesseRéduction de la transmission solaire
Source : J. Besse
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie
S0 / 4Ta4S0 α /4 σTa4
sommet atm
σTa4
σTs4
(Embleton and Williams, 1986)S0 (1‐ α )/4
surface
Source : J Besse
Cas idéal : on suppose l’atmosphère : ‐ transparente au rayonnement visible
Source : J. Besse‐ totalement opaque au rayonnement infrarouge
ES T 4 T 4ES = σTs4 ‐ σTa4
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie
S0 / 4Ta4S0 α /4 σTa4
sommet atm
σTa4
σTs4Absorption dans le visible
(Embleton and Williams, 1986)S0 (1‐ α )/4
surface
Source : J Besse
(1) L’énergie à la surface de la Terre diminuant, la Ts baisseSource : J. Besse
(2) Le flux d’IR émis par la Terre diminue
Pourquoi les autres gaz ont‐ils si peu d’effets ?
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie Kilauea (Hawai – point chaud)
. Erta’Ale (Ethiopie – limite de 3 plaques‐ rift). .Momotombo (Nicaragua –subduction)
Volcans Kilauea Erta` Ale Momotombo
(Embleton and Williams, 1986)
Temperature 1170°C 1130°C 820°C
H20vap 37.1 77.2 94.0
C02 48.9 11.3 1.44
Source : J Besse
C02 48.9 11.3 1.44
S02 11.8 8.34 0.50
H2 0.49 1.39 0.70 Source : J. Besse
CO 1.51 0.44 0.01
H2S 0.04 0.68 0.23
HCl 0 08 0 42 2 89exemples de gaz volcaniques émis (en %) HCl 0.08 0.42 2.89
HF ‐‐‐ ‐‐‐ 0.26
émis (en %)(Symonds et. al., 1994)
Pourquoi les autres gaz ont‐ils si peu d’effets ?
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie Emissions du Pinatubo
~ 42 Mt de CO2 (Gerlach et al 1996)
~ 750 103Mt
(Gerlach et al. 1996)
(Embleton and Williams, 1986)
Source : J Besse~ 20 (±6) Mt de SO2
Source : J. Besse
S‐aérosols dans stratosphere ~ 0 Gt
effet du SO2 est très perceptible / taille du réservoir atmosphérique(surtout dans la stratosphère)
Rapport GIEC
Importance de considérer les changements causés par les éruptions volcaniquespart du volcanisme dans la variabilité naturelle du climat VS effets anthropiques
Partie II : les effets d’une période d’intense activité volcanique à l’échelle des temps géologiques
(Trapps du Deccan, 65Ma)
unités de temps considérées : de 10ans à 1Maunités de temps considérées : de 10ans à 1Ma
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie
(Embleton and Williams, 1986)“The current challenge is to better understand the variable
Source : J Besse
better understand the variable environmental effects of LIP and identify the causal mechanisms” Source : J. Bessemechanisms
(Bond and Wignall, 2014)
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie Trapps du Deccan: ‐ 65Ma‐ grand épanchement basaltique
Keller, 2008
‐mise en place < 1Ma
(Embleton and Williams, 1986)
Source : J Besse
Isotopes de l’oxygèneréchauffement deseaux profondes de 3‐4°C
Source : J. Besse
P i é h ffPourquoi un réchauffementcette fois‐ci ?
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie
(Embleton and Williams, 1986)
Source : J BesseSource : J. Besse
Que savons nous de la dynamique éruptive des trapps ?
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie
Le cas du Deccan (limite K/T)
(Embleton and Williams, 1986) Chenet et al. 2007, 2008, 2009
Source : J Besse
Observations déduites du terrain: → ~2 106 km3 de lave → 28 000 Gt CO2
Source : J. Besse→ 6 800 Gt SO2→ durée de la phase principale ~ 200 kyrs
(Keller et al., 2012)
Que savons nous de la dynamique éruptive des trapps ?
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie
Mesures paléomagnétiques sur les coulées basaltiques
(Embleton and Williams, 1986)
Chenet et al. 2007, 2008, 2009
Source : J BesseS l 200 000 d l h i i l Source : J. BesseSur les 200 000ans de la phase principale‐ 30 pulses volcaniques‐ 41 coulées individuellestemps écoulé entre les pulses/coulées‐ temps écoulé entre les pulses/coulées
demeure inconnu
L’i fl d l d i é ti l h t d’i j tiL’influence de la dynamique éruptive sur la hauteur d’injection
si activité éruptive par pulses < 1Mastratosphère
si activité éruptivecontinue < 1Matroposphère
(Embleton and Williams, 1986)
Source : J BesseI l ff Source : J. BesseImportant car les effetstroposhèriques < stratosphériques
(precip, dyn. atmos, etc..)
Kaminski et al. 2011
(Donnadieu et al. 2006)
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie
(Embleton and Williams, 1986)
Source : J Besse
Effets climatiques
Source : J. BesseSur les continents :
réaction avec les carbonatesDans les océans(SST, carbonates,pH, …)
rivières
2CaCO3 + H2SO4liq => 2Ca2+ + 2HCO3‐ +SO4
2‐
Conditions fini‐Maastrichtienne (66Ma)En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie
Conditions fini Maastrichtienne (66Ma)
‐pCO2 atmos~ 340 ppmvpp
‐SST globale~ 17°C
pas de glace continentaleaux pôles
(Embleton and Williams, 1986)
aux pôles
Source : J BesseSource : J. Besse
Scénario de dégazage (CO2 et /ou SO2)pulses (durée 10 à 100ans)
Réponse court‐terme Réponse long‐terme
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie Deccan
ΔSST = + 2,5°CΔSST tropicale = ‐ 8°C
(Embleton and Williams, 1986)
CO2 seulSO l
CO2 + SO2+ 28 000 Gt CO2+ 6 800 Gt SO
Source : J Besse
SO2 seul2 2 + 6 800 Gt SO2
Source : J. BesseΔpCO2 = + 345 ppmv(~doublement de la pCO2)
Mussard et al. 2014
altération des silicates
continents rivières océans
CaSiO3 + 2H2O + 2CO2Ca2+ + 2HCO3‐ + SiO2CaCO3 + H2O + CO2
altération des silicates
À l’équilibre (pCO2 atmosphérique constante)
∑ puits carbone (CO2) = ∑ sources carbone (CO2)
CO seulCO2 seulSO2 seul
CO2 + SO2
(Embleton and Williams, 1986)
Source : J BesseSource : J. Besse
R d l’é ilib d l d CRupture de l’équilibre du cycle du C
Refroidissement accélère l’accumulation du CO2 volcanique (+20%)
SST reconstituées (zone hautes latitudes sud)
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie
succession de refroidissementsrefroidissementsà la limiteK/T
(Embleton and Williams, 1986)
Source : J BesseSource : J. Besse
Tobin et al. 2013
Deccan
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie refroidissement court‐termeréchauffement long‐termeune fois les aérosols lessivés
de l’atmosphèreRetour conditions pré‐trapps
ΔpH = ‐0,2 La lysocline remonte
(Embleton and Williams, 1986)
La lysocline remontede ‐2400 à ‐1600m
(dissolution de la calcite)
Source : J BesseConditions moins favorablesSource : J. Besseaux précipitations de la calcite
TrappsEn 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie
Trapps(pulses)
SO2CO2
50%50%
refroissement Réchauffement
+20%
(Embleton and Williams, 1986)
(ex : ΔSST tropicale ‐ 8°C) (ex: ΔSST +2°C)
Acidification des
Source : J Besse
altération continentaleen baisse (<50%)
altération continentaleen hausse (~15%)
Acidification des océans (ex : ΔpH = ‐0,2)
Source : J. Besse
?Biomasse etBiodiversité
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie
(Embleton and Williams, 1986)
Source : J BesseSource : J. Besse
Le volcanisme classique n’augmente pas le Cl dans des teneurs suffisantes pour affecter l’O3...
Mais parfoisMais parfois
Trapps de Sibérie
bassin de Tungunska
ppage : 251.4 +/‐ 0.3Ma
bassin de Tungunska‐ riche en MO halites (NaCl)
0.87‐1.65Gt CH3Cl(g)0 5 Gt HCl
(Black et al., 2014)
0.5 Gt HCl(g)
Dans la stratosphère
Source volcaniqueSource volcanique
U.V nécessaire
Le Cl est recyclé, perte nette d’O3
Trapps de Sibérie
Valeur normale~ 300 DU
Partie III : l’importance du volcanisme aux très longueséchelles de temps
(le cas du Phanérozoïque, 542-0Ma)
unités de temps considérées : de 1Ma à 100Ma
Unité : flux en PgC/an (Pg = 1015 g)(Pg = 1015 g)
Rapport GIECpp
Fvolc faible, pourtant la source de CO2 du système exosphérique(atmosphère + océans) provient du dégazage
On observe des successions d’ères chaudes(absence de glaces continentales) avec des ères glaciaires cohérentes avec l’évolutionères glaciaires cohérentes avec l évolutionde la pCO2.
Quel rôle le volcanisme joue dans cettevariabilité long‐terme du climat ?
Reconstruction d’un indice d’activité volcanique sur les derniers 200Ma
Cogné and Humler, 2004
Valeur moyenne des 200Ma
Seul le volcanisme aérien est théoriquementpris en compte
Exemple d’approche à l’équilibre: Modèle GEOCARB (Berner, 1991)
À l’équilibre (pCO2 atmosphérique constante) ∑ sources carbone = ∑ puits carbone
Fvolc = Falter. Silicates
Fvolc = k Runoff pCO20.3 exp[(T‐288.15)/17.7)]
oùT = 288.15 + 6.5 ln(pCO2) Runoff = [1 + 0.038 (T‐288.15)]
pCO2 (unité : PAL)
1 2
1,4
1,6
1,8
2
2,5
3
2 (PAL)
p 2 ( )
0,6
0,8
1
1,2
0100200300400500600
0,5
1
1,5
0100200300400500600
PCO2
A (M )Age (Ma)
Age (Ma)
indice de dégazage (Gaffin 1997)
pCO2 (unité : PAL)
2
2,5
3
2(PAL)
pCO2 (unité : PAL)
0,5
1
1,5
0100200300400500600
PCO2(
Age (Ma)
L’activité du volcanisme est un facteurde premier ordre contrôlant le climat
+
Fvolc = k Runoff pCO20.3 exp[(T‐288.15)/17.7)]
surface des continents = f(tps) Paléogéographie = f(tps)présence de végétaux = f(évol. bio)
Conclusion
Quels sont les acteurs importants ?
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie les emissions volcaniques qui influencent le climat
celles capablent de perturber le bilan radiatifdurablement
(Embleton and Williams, 1986)
particules solides gaz volcaniques,
Source : J Besse
p(cendre, …) aérosols
temps de residence Source : J. Besse
temps de residence assez court
passez long
stabilité du composéstabilité du composé
En 1986 : découverte d’une formation glaciaire dans le Sud de l’Australie ‐ SO2(g) est absent dans la stratosphère, il est donc facile de changer sa concentration très brutalement.
‐ pour le CO2 et H2Ovap une éruption seule ne peut modifier de manière suffisante. Ex : stock de Catmos > 700GtC actuellement 8GtC/an émis par l’Homme
modification 3‐4ppmv/an Un doublement de CO2 nécessite 100ans !
À l’é h ll d illi d’ é l l i l’ j bl(Embleton and Williams, 1986)
‐À l’échelle du million d’années, le volcanisme est l’acteur majeur responsablede l’évolution du climat trapps (extinction de masse)
Sur le Phanérozoïque le volcanisme détermine le niveau de CO atmosphérique
Source : J Besse
‐Sur le Phanérozoïque, le volcanisme détermine le niveau de CO2 atmosphérique. son action, couplée à celle de l’évolution paléogeographique, explique l’évolutiondu climat (absence/présence ères glaciaires)
Source : J. Besse
‐Associés aux phénomènes éruptifs, la mise en place de grands épanchements basaltiquespeut également influencer le climat (action de refroidissement long‐terme).