Heinrich event 1: an example of dynamical ice-sheet reaction to oceanic changes

Heinrich events, identified as enhanced ice-rafted detritus (IRD) in North Atlantic deep sea sediments (Heinrich, 1988; Hemming, 2004) have classically been attributed to Laurentide ice-sheet (LIS) instabilities (MacAyeal, 1993; Calov et al., 2002; Hulbe et al., 2004) and assumed to lead to important disruptions of the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) and North Atlantic deep water (NADW) formation. However, recent paleoclimate data have revealed that most of these events probably occurred after the AMOC had already slowed down or/and NADW largely collapsed, within about a thousand years (Hall et al., 2006; Hemming, 2004; Jonkers et al., 2010; Roche et al., 2004), implying that the initial AMOC reduction could not have been caused by the Heinrich events themselves. Here we propose an alternative driving mechanism, specifically for Heinrich event 1 (H1; 18 to 15 ka BP), by which North Atlantic ocean circulation changes are found to have strong impacts on LIS dynamics. By combining simulations with a coupled climate model and a three-dimensional ice sheet model, our study illustrates how reduced NADW and AMOC weakening lead to a subsurface warming in the Nordic and Labrador Seas resulting in rapid melting of the Hudson Strait and Labrador ice shelves. Lack of buttressing by the ice shelves implies a substantial ice-stream acceleration, enhanced ice-discharge and sea level rise, with peak values 500–1500 yr after the initial AMOC reduction. Our scenario modifies the previous paradigm of H1 by solving the paradox of its occurrence during a cold surface period, and highlights the importance of taking into account the effects of oceanic circulation on ice-sheets dynamics in order to elucidate the triggering mechanism of Heinrich events.Peer reviewe

Changements abrupts et variabilité rapide dans différents contextes climatiques (une étude basée sur une stratégie de plusieurs modèles)

La période du Quaternaire est caractérisée par une alternance de périodes froides, les phases glaciaires, dans lesquelles deux calottes additionnelles se développent sur l'hémisphère Nord (en Amérique du Nord et en Eurasie), et des périodes relativement chaudes (similaires à l'Holocène) où les seules calottes de glace présentes à la surface du globe sont le Groenland et l'Antarctique. L'étude des carottes marines et continentales ainsi que celles de glace ont révélé l'existence d'une variabilité millénaire dans le système climatique du Quaternaire. Cette variabilité semble beaucoup plus importante lors des périodes glaciaires que lors des périodes interglaciaires, mais à l'heure actuelle il n'existe toujours pas un consensus total sur son origine. Premièrement, le Dansgaard-Oeschger sont caractérisés par de transitions abruptes (quelques décennies), mais d'un caractère pseudo-périodique d'une fréquence trop élevée pour être associée aux seules variations de l'insolation dues à des changements orbitaux. Deux types d'explications concernant le mécanisme déclencheur ont été proposées: un forçage périodique externe et des oscillations internes au système climatique dans lesquelles la circulation océanique est vraisemblablement impliquée. Quels sont exactement ces mécanismes ? Comment les différents sous-systemes climatiques interagissent entre eux ? Pourquoi cette variabilité se manifeste-t-elle plus fortement en période glaciaire ? Ces questions intrigantes, qui restent toujours d'actualité au sein de la communauté scientfiique, constituent l'objet principal de cette thèse. J'ai donc essayé au cours de ce travail d'apporter de nouvelles réponses plus cohérentes avec nos connaissances actuelles des différents sous-systèmes. En particulier, les épisodes de dépôts de matériel détritique qui ont marqué les enregistrements sédimentaires de l'Océan Nord-Atlantique glaciaire (connus comme les événements de Heinrich) sont toujours particulièrement durs à comprendre. Ces événements sont attribués à un relargage massif d'icebergs originairesdes calottes polaires de l'hémisphère Nord, mais le mécanisme permettant le développement de ces immenses flottes d'icebergs fait encore l'objet d'une controverse passionnante.Nous utilisons ici un modéle numérique conceptuel pour simuler les effets des changements de la circulation océanique sur la géometrie des plates-formes de glace flottantes. Nous analisons l'impacte de ces changements sur la dynamique des fleuves de glace et de la calotte posée. Nos résultats demontrent que des oscillations de la température océanique impactent la fusion basale sous les plates-formes et génèrent des débâcles périodiques d'icebergs vers la mer. Ce travail est ensuite focalisé sur l'événement de Heinrich 1. Grâce à des simulations effectués avec un modèle tri-dimensionelle des calottes polaires et un modèle climatique couplé océan-atmosphère, nous proposons un nouveau mécanisme déclencheur basé sur les effets d'un réchauffement océanique de subsurface sur la dynamique des fleuves de glace.Finalement, dans le contexte du climat actuel qui risque de se modifer considérablement du fait de la pression anthropique, une autre question surgit : est-il possible que la transition vers un climat plus chaud dans le futur provoque l'apparition d'une nouvelle variabilité rapide ? La dernière partie de cette thèse est dediée à cette thematique.Ice core data as well as marine and continental records reveal the existence of pronounced millennial time-scale variability in the Quaternary climate system. Such rapid climate variability appears to be stronger in glacial periods than during interglacials, but there is not yet a full consensus about its origin. Firstly, the Dansgaard-Oeschger events are characterized by abrupt transitions occurring in a few decades, and by a period of a few thousand years. Two types of explanation have been suggested concerning its triggering mechanism: periodic external forcing and internal oscillations in the climate system, for which ocean circulation is a likely candidate. On the other hand, six periods of extreme cooling in the Northern Hemisphere were marked by an enhanced discharge of icebergs into the North Atlantic Ocean, increasing the deposition of ice-rafted debris (known as Heinrich events). Increased sliding at the base of ice sheets as a result of basal warming has been proposed to explain the iceberg pulses, but recent observations suggest that iceberg discharge is related to a strong coupling between ice sheets, ice shelves and ocean conditions. In this work, I tried to bring new insights about the mechanisms responsible for the millennial glacial variability, more consistent with the present knowledge of the different Earth's components. This work is based on the use of a hierarchy of climate and ice-sheet models of different complexities. We used a conceptual numerical model to simulate the effect of ocean temperature on ice-shelf width, as well as the impact of the resulting changes in ice-shelf geometry on ice-stream velocities. Our results demonstrate that ocean temperature oscillations affect the basal melting of the ice shelf and will generate periodic pulses of iceberg discharge in an ice sheet with a fringing shelf. Using a state-of-the-art tri-dimensionnal ice-sheet model we also explore the conditions leading to internal oscillations of geometrically idealised ice sheets. We describe in detail the thermomechanical feedback responsible of the so-called binge-purge'' oscillations and we analyse the effects of ocean circulation changes on ice shelves and the dynamic implications resulting from a break-up of these ice shelves. Our studies are then focalised on the Heinrich event 1, showing a new mechanism based on the effects of a subsurface warming on the ice shelves stability. We demonstrate that such ice-shelf break-up and the subsequent ice-stream acceleration should be considered as a likely candidate to generate the icebergs surge implicated in Heinrich event 1. Leaving glacial period we finally focus on the present-day anthropically perturbed interglacial. We analyse with a fully coupled climate ice sheet model whether the shift into a warmer climate in the future could favor the occurrence of a new millennial-scale climate variability.PARIS-BIUSJ-Sci.Terre recherche (751052114) / SudocSudocFranceF

Mobilisation sociale pour la vaccination et la planification familiale au Burkina Faso (entre révolution, bureaucratie et instances internationales)

L'étude de cas du système sanitaire, couvrant une période de turbulence politique du Burkina Faso (1984-1996) examine les facteurs organisationnels et institutionnels qui affectent le succès avec lequel un état pauvre peut obtenir une participation élargie de la population pour mettre en oeuvre des politiques de santé publique de façon durable, sous l'impulsion d'organisations internationales. Pour identifier ces facteurs, nous comparons deux volets des soins de santé primaires : le programme élargi de vaccination (PEV) et le programme de planification familiale.(...)The case study of the Burkina Faso health system during a period full of political turbulences (1984-1996) explores organisational and institutional aspects that come into play when a poor state tries to obtain massive people's participation in order to implement public health policies in a durable manner, under the impulse of foreign donors. In order to identify success factors, we compare two components of primary health care : the extended program of immunization (EPI) and the family planning programme.(...)PARIS5-BU Saints-Pères (751062109) / SudocSudocFranceF

Impact des variations de l'insolation et du CO2 atmosphérique sur l'évolution passée et future des calottes de glace

La communauté scientifique s intéresse depuis longtemps à la compréhension du système climatique terrestre. Ce système se caractérise par une grande complexité, due aux interactions entre ses nombreuses composantes (atmosphère, océans, biosphère, lithosphère et cryosphère) opérant à différentes échelles de temps. A ces interactions se rajoute maintenant une forte pression anthropique, capable de modifier l état du climat, ainsi que l amplitude et la fréquence de ces variations naturelles. Un des moyens d étudier et de comprendre les changements climatiques en cours consiste à analyser les variations passées. Ceci permet d établir des confrontations avec d autres périodes et transitions de l histoire de la Terre, ainsi que de tester les résultats des modèles dans des contextes paléo-climatiques contraints par les données. En effet, le climat de la Terre est depuis toujours sujet à des variations. En particulier, le basculement vers des états froids du système (glaciaires) ou, inversement, vers des périodes plus chaudes (interglaciaires) a été l un des faits marquants des trois derniers millions d années, connu sous le nom de cycles glaciaires-interglaciaires et amplement documenté par de nombreux marqueurs climatiques (sédiments marins, carottes de glace, enregistrements continentaux). Comprendre les transitions des climats interglaciaires vers les climats glaciaires à l aide d un modèle couplé climat-calottes pour différentes échelles de temps (échelle géologique, échelle de temps de Milankovitch et projections futures) constitue l objectif fondamental de cette thèse. Chacune de ces questions scientifiques est caractérisée par des mécanismes et rétroactions différents. Ce travail de modélisation représente une étape importante dans l étude de la variabilité lente du climat. Notre analyse est structurée autour de trois axes de recherche correspondants à des périodes différentes de l histoire de la Terre. Un premier volet est consacré à l étude de l englacement de l Antarctique au Cénozoïque; ceci nous a permis de mettre en évidence les liens complexes entre forçages en gaz à effet de serre, tectonique des plaques (avec notamment l ouverture du Passage de Drake entre Atlantique et Pacifique sud), climat global et mise en place de la calotte Antarctique. Un deuxième volet est dédié aux interactions climat-calottes à l échelle de temps de Milankovitch, nous permettant d obtenir la première simulation transitoire du dernier cycle glaciaire-interglaciaire effectuée avec un modèle climatique couplé à un modèle 3D de calottes. La dernière partie de cette thèse est consacrée à l étude de l évolution future des calottes polaires, dans le but de reproduire la prochaine entrée en glaciation en l absence de perturbation anthropique, et d évaluer les effets des différents scénarios d émission sur cette transition: aura-t-elle lieu? Sera-t-elle décalée, et de combien? Enfin, cette thèse nous aura permis d illustrer sur des échelles de temps très différentes l efficacité et les limites du modèle couplé et offre ainsi de nouvelles perspectives pour l étude des relations climat-calottes.Better understanding the Earth s climate system is a major issue for the scientific community. The climate system is characterized by a high degree of complexity, due to the numerous interactions between its various components (i.e. atmosphere, oceans, biosphere, lithosphere and cryosphere), operating at different timescales. Furthermore, the anthropogenic pressure has also to be considered in a comprehensive description of the climate system, since it is capable of modifying its state, as well as the amplitude and frequency of the natural variability. The study of past climatic variations represents a primary means to understand the ongoing climate change: on the one hand, it allows direct comparison with previous warm episodes, and, on the other, it is useful to validate climate models for paleo-climatic conditions fully different from the present day ones, yet well-constrained by data-sets. Indeed, the Earth s climate has always been characterized by changes; the transitions between cold states (glacial periods) and warm ones (interglacials), and vice versa, have been a major feature of the system for the last three million years. These changes are better known as glacial-interglacial cycles, and their existence is recorded in many climatic archives (i.e. sea sediments, ice cores, continental records). The main goal of this thesis is to better understand the transition from interglacial periods to glacial ones for different timescales (geological timescale, Milankovitch timescale and future projections), by using a fully coupled climate-ice sheet model. Our work represents a step forward in the study of low frequency climate variability. We have tested the model performances for three different case studies, corresponding to different periods of the Earth s history. The first part of this thesis is focused on the study of the Cenozoic glaciation of Antarctica, which enables us to pinpoint the complex links between atmospheric CO2 concentration, tectonics (i.e. the opening of the Drake Passage), global climate and the inception of the Antarctic ice sheet 34 Ma ago. The second part deals with climate-ice sheets interactions at the Milankovitch timescale, and provides a transient simulation of the last glacial-interglacial cycle. Finally, the third part is dedicated to the future ice sheet evolution, focusing on the next glacial inception, and on how this transition might be affected by anthropogenic activity. Our approach covers the range of applicability of the coupled model, thus highlighting its strengths, but also its major limitations, and offers new insights for the ongoing studies on the links between climate and ice sheets.VERSAILLES-BU Sciences et IUT (786462101) / SudocSudocFranceF

Producing and communicating natural history in the long 18th century: Moravian observations concerning Greenland’s climate in unpublished sources

International audienceAbstract This paper discusses weather observations of Moravian missionaries in Greenland in the long 18th century, placing them in the broader context of their missionary work at Neu-Herrnhut and other stations as well as their comments on the natural world. Some of their climate-related remarks and measurements were published and discussed in print, notably in David Cranz’ History of Greenland and a number of scholarly reviews at the time. These publications are compared to and complemented by data retrieved by the authors from unpublished source material in the Moravian Archives in Herrnhut, Germany, demonstrating that the Moravian diaries can fill in significant gaps in Greenland’s weather charts before systematic measurements were introduced in the 19th century. Their special interest for climate studies is underscored in conclusion, in particular their observations of extreme climate events that can allow us to better characterise the amplitude and geographical extent of such events and to compare them with climate model simulations in order to better understand the respective roles of external (volcanism, solar activity) and internal (atmospheric circulation) forcings and the impacts of potential feedbacks within the ocean–atmosphere system

Quel est le rôle de la cryosphère dans l'équilibre climatique et sa modélisation ?

International audienceLe programme ARGO a révolutionné l'observation de l'océan. Depuis les années 2000, l'océan mondial est parsemé de flotteurs, des tubes d'acier d'environ 1,5 m de long qui dérivent à 1000 m de profondeur pendant 10 jours, puis remontent à la surface, à la manière de sous marins miniatures, pour envoyer par satellite les observations de température et de salinité de l'océan qu'ils ont collectées le long de leur chemin, avant de replonger et recommencer un cycle. Le réseau de 3500 flotteurs, maintenu en partenariat par 30 nations, permet de suivre en temps réel le contenu de chaleur et la salinité de l'océan mondial

Amount of CO2 emissions irreversibly leading to the total melting of Greenland

International audience[1] The long-term response of Greenland to anthropogenic warming is of critical interest for the magnitude of the sea-level rise and for climate-related concerns. To explore its evolution over several millennia we use a climate-ice sheet model forced by a range of CO 2 emission scenarios, accounting for the natural removal of anthropogenic CO 2 from the atmosphere. Above 3000 GtC, the melting appears irreversible, while below 2500 GtC, Greenland only experiences a partial melting followed by a re-growth phase. Delaying emissions through sequestration slows significantly the melting, but has only a limited impact on the ultimate fate of Greenland. Its behavior is therefore mostly dependent on the cumulative CO 2 emissions. This study demonstrates that the fossil fuel emissions of the next century will have dramatic consequences on sea-level rise for several millennia. Citation: Charbit, S., D. Paillard, and G. Ramstein (2008), Amount of CO 2 emissions irreversibly leading to the total melting of Greenland, Geophys. Res. Lett., 35, L12503

Simulations of Northern Hemisphere ice-sheet retreat:sensitivity to physical mechanisms involved during the Last Deglaciation

International audienceA 3-dimensional thermomechanical ice-sheet model is used to simulate the evolution of the geometry of Northern Hemisphere ice sheets through the Last Deglaciation. The ice-sheet model is forced by a time-evolving climatology provided by the linear interpolation through time of climate snapshots simulated by the LMD5.3 atmospheric general circulation model (AGCM) at different periods of the Last Deglaciation (21, 15, 9, 6 and 0 kyr BP). The AGCM is driven by insolation, atmospheric CO2 content, ice-sheet configuration and sea surface temperatures. Although our approach is able to produce the complete continental ice retreat, our simulated deglaciation presents a phase-lag with reconstructions based on observational evidences. This suggests that physical mechanisms related to climate forcing and/or ice-sheet internal dynamics are not properly represented. The influence of millennial-scale forcing, feedback mechanisms between ice-sheet elevation and surface mass balance and parameterization of the ice flow is also tested through a set of sensitivity experiments. The rapid variability has a strong impact on the evolution of the ice volume because of nonlinear effects in temperature-mass balance relationships. Fennoscandia appears to be strongly sensitive to the small-scale ice-sheet instability. Both ice sheets are to some extent sensitive to an increased basal sliding

Effects of a melted greenland ice sheet on climate, vegetation, and the cryosphere

International audienc