Atmosphère

Grâce à Rosetta, la comète 67P/Churyumov–Gerasimenko continue de livrer ses secrets

13 octobre 2015 by osuadmin

Plusieurs équipes de chercheurs français du LATMOS ¹, LPC2E ², CRPG ³, LAM ⁴, IRAP ⁵ impliqués dans l’analyse des observations effectuées par les instruments embarqués à bord de la sonde Rosetta (ESA) nous révèlent l’absence de lien pour certains éléments chimiques entre notre Terre et les atmosphères cométaires. Dans le même temps, des chercheurs de l’Observatoire de la Côte d’Azur ont montré que l’activité précoce de la comète est dûe aux fortes variations de temperature engendrées par les processus d’ombrage de la surface topographique. Ces travaux sont parus dans les revues Science et The Astrophysical Journal Letters, 810 :L22

Froids et inactifs loin du soleil, les noyaux cométaires glacés se vaporisent à l’approche du système solaire interne, libérant sous l’effet des radiations solaires un flux de gaz et de poussières. La chevelure et la queue de la comète ainsi formées, la coma, les différencient alors des autres petits corps inactifs du système solaire : les astéroïdes.

L’eau, le carbone, l’azote terrestre ne seraient pas d’origine cométaire

L’instrument ROSINA développé par une équipe internationale sous la coordination de Kathrin Altwegg (Université de Berne, Suisse) et embarqué à bord de la sonde ROSETTA, analyse ainsi la composition des gaz de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko par spectrométrie de masse. Cet instrument permet l’analyse élémentaire et isotopique de ces gaz.

Les résultats montrent que la glace cométaire est riche en deutérium, avec un rapport Deutérium/Hydrogène trois fois supérieur à la valeur des océans terrestres, ce qui interdit une filiation directe entre ce type de comète et l’eau terrestre ⁶.

Par ailleurs, pour la première fois un gaz rare, l’argon a été détecté dans une coma cométaire, et ce, en grande quantité ⁷. Les gaz rares sont importants en tant que traceurs de l’origine et de l’évolution des atmosphères des planètes internes (Vénus la Terre et Mars). Cette mesure d’argon confirme pleinement que les élements majeurs qui forment l’atmosphère terrestre et les océans (l’eau, le carbone, et l’azote) ne peuvent provenir de comètes de type 67P, et auraient été apportés par des astéroïdes riches en volatils. Par contre, elles suggèrent qu’une fraction importante des gaz rares sont d’origine cométaire (Marty et al., soumis).

Cet instrument a également mesuré en continu la composition de la coma (H2O, CO2, CO, N2…) ⁸ et a montré son hétérogénéité chimique. Ces mesures permettent de mieux connaître les conditions de formation de la glace cométaire, dont sa température (autour de 30-40 K) ⁹.

L’activité de la comète trahie par son ombre…

Voir la modélisation :

Variation de température (∆T/∆t)max à la surface de 67P durant la période de août-décembre 2014

L’imageur NAVCAM a révélé de façon inattendue que l’activité précoce de 67P, matérialisée par des jets de gaz et de poussières et encore mal comprise, se produisait principalement dans la zone concave du cou, entre les 2 lobes principaux (cf. Fig). Or, cette région est la moins exposée au Soleil et devrait être en moyenne plus froide, et donc moins propice à la sublimation de la glace que les autres régions de la comète.

Pour comprendre ce paradoxe les chercheurs de l’Observatoire de la Côte d’Azur ¹⁰ ont utilisé un modèle thermophysique prenant en compte la conductivité thermique et la topographie complexe de la comète pour calculer une carte de température de sa surface au cours de ses rotations. Ce modèle leur a permis de mettre en évidence que la région du cou présentait entre août et Décembre 2014 les variations de température les plus rapides en réponse au processus d’ombrage par les terrains environnants. Une nouvelle relation de cause à effet est donc mise au jour entre ces variations thermiques de surface et l’activité précoce de la comète.

Il a déjà été observé que des variations rapides de température peuvent induire de la fracturation à la surface des petits corps du système solaire (Delbo et al. 2014). Les auteurs proposent dans cet article que le taux d’érosion de la surface de la comète, lié à cette fracturation thermique, soit plus élevé dans le cou qu’ailleurs. Cette fracturation du matériau de surface permet la pénétration des radiations solaires plus en profondeur. Ceci expliquerait pourquoi la région du cou révèle à l’analyse plus de glace que les autres régions et pourquoi elle est la principale source de gaz de la comète (cf. Fig). Plus généralement, ces résultats suggèrent que la fracturation par effet thermique (formation du régolite) doit être beaucoup plus rapide à la surface des corps sans atmosphère présentant des concavités importantes (formation d’ombre) que ne le prévoit les estimations actuellement disponibles.

1. LATMOS/IPSL-CNRS-UPMC-UVSQ, 4 Avenue de Neptune, F-94100 Saint-Maur, France.

2. Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace (LPC2E), UMR 6115 CNRS – Université d’Orléans, France.

3. Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques, CRPG-CNRS, Université de Lorraine, 15 rue Notre Dame des Pauvres, BP 20, 54501 Vandoeuvre lès Nancy, France.

4. Aix Marseille Université, CNRS, LAM (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille) UMR 7326, 13388 Marseille, France.

5. Université de Toulouse–UPS-OMP–IRAP, Toulouse, France. 6CNRS–IRAP, 9 avenue du Colonel Roche, BP 44346, F-31028 Toulouse Cedex 4, France.

6. Altwegg, K et al. 2015. 67P/Churyumov-Gerasimenko, a Jupiter Family Comet with a High D/H Ratio. Science 347 : 1261952–1.

7. Balsiger, H. et al. 2015. Detection of argon in the coma of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko Science Advances 2015, 1500377 (online)

8. Hässig, M. et al. 2015. Time Variability and Heterogeneity in the Coma of 67P/Churyumov-Gerasimenko. Science 347 : aaa0276–1.

9. Rubin, M. et al. 2015. Molecular Nitrogen in Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko Indicates a Low Formation Temperature. Science : 1–4. aaa6100.

10. Alí-Lagoa V., Delbo M., Libourel G. (2015) Rapid temperature changes and the early activity on comet 67P/CHURYUMOV-GERASIMENKO. The Astrophysical Journal Letters, 810 :L22

Réconcilier l’histoire des vents et des pluies de la mousson au Miocène

19 avril 2022 by osuadmin

La mousson d’été est un phénomène climatique majeur en Asie du Sud, dont les origines et l’évolution passée restent débattues. Elle s’exprime aujourd’hui par de fortes pluies sur le continent pendant l’été, associées à des vents intenses qui remontent le long des côtes Est-africaines et génèrent des remontées d’eau froides dans l’océan côtier (upwelling) qui favorisent la production biologique. L’évolution de cette production biologique au cours du temps, déduite à partir de l’analyse de carottes sédimentaires prélevées du fond des océans, est utilisée pour comprendre l’évolution des vents de la mousson passée. Les informations issues des carottes indiquent la mise en place des vents de la mousson moderne y a environ 13 millions d’années. Toutefois, les enregistrements continentaux indiquent l’existence de pluies saisonnières et intenses, typiques de la mousson en Asie du Sud, depuis au moins 40 millions d’années.

A l’aide du modèle de Système-Terre français IPSL-CM5A2 et du modèle de biogéochimie océanique PISCES, récemment adaptés pour l’étude des paléoclimats, un panel de simulations numériques a permis d’évaluer le lien entre l’évolution des vents et des pluies de mousson, des upwelling et de la géographie au cours du Miocène (entre -23 et -5 millions d’années). Les résultats obtenus montrent que la chronologie de l’évolution des vents et des précipitations est contrôlée par l’histoire géologique de différents reliefs autour de l’océan Indien, et suggèrent que les chronologies discordantes enregistrées dans l’océan et sur les continents traduisent la mise en place en deux temps du système de mousson moderne. Ainsi, les pluies intenses et saisonnières qui existent depuis au moins 40 millions d’années sont modulées par la formation du relief dans la région himalayenne. La distribution actuelle des vents et les upwelling se mettent en place vers 13 millions d’années, en réponse à la formation de relief à l’Est de l’Afrique et dans la région de l’Iran, et à la fermeture du passage maritime reliant l’océan Indien à la mer Méditerranée (passage de la Tethys).

Voir en ligne : L’actualité sur le site de l’INSU

Quantifier l’impact des éruptions volcaniques sur le climat

31 août 2015 by osuadmin

Les grandes éruptions volcaniques éjectent dans la stratosphère des quantités considérables de soufre qui, après conversion en aérosols, bloquent une partie du rayonnement solaire et tendent à refroidir la surface de la Terre pendant quelques années. Une équipe internationale de chercheurs à laquelle participe Joël Guiot, chercheur au Centre Européen de Recherche et d’Enseignement des Géosciences de l’Environnement (OSU Pythéas – CNRS / IRD / Université d’Aix-Marseille) vient de mettre au point une méthode, présentée dans la revue Nature Geoscience, pour mesurer et simuler avec précision le refroidissement induit.

L’éruption du volcan Pinatubo, survenue en juin 1991 et considérée comme la plus importante du XXe siècle, a injecté 20 millions de tonnes de dioxyde de soufre dans la stratosphère et provoqué un refroidissement global moyen de 0,4°C.

Pour quantifier le refroidissement temporaire induit par les grandes éruptions de magnitude supérieure à celle du Mont Pinatubo survenues ces 1 500 dernières années, les scientifiques ont généralement recours à deux approches : la dendroclimatologie, basée sur l’analyse des cernes de croissance des arbres, et la simulation numérique en réponse à l’effet des particules volcaniques. Mais jusqu’à maintenant ces deux approches fournissaient des résultats assez contradictoires, ce qui ne permettait pas de déterminer avec précision l’impact des grandes éruptions volcaniques sur le climat.

Les refroidissements simulés par les modèles de climat étaient en effet deux à quatre fois plus importants et duraient plus longtemps que ce que les reconstitutions dendroclimatiques établissaient. Les écarts entre ces deux approches ont même conduit certains géophysiciens à douter de la capacité des cernes de croissance d’arbres à enregistrer les impacts climatiques des grandes éruptions volcaniques passées et à remettre en cause la capacité des modèles à les simuler fidèlement.

Réconcilier les deux approches

Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université de Genève (UNIGE), de l’IRD, du CNRS, du CEA, de l’Université de Berne, de l’Université de Western Ontario et de Université de Cambridge sont parvenus à réconcilier les deux approches et à proposer une méthode capable d’estimer avec précision les effets que pourraient avoir les futures éruptions de forte magnitude sur le climat, pour ensuite mieux anticiper leurs impacts sur nos sociétés.

Dans cette équipe pluridisciplinaire, les dendrochronologues ont réalisé une nouvelle reconstitution des températures estivales de l’hémisphère nord pour les 1 500 dernières années. Ils ont analysé la largeur mais surtout la densité de cernes d’arbres, qui est très sensible aux variations de température et qui avait été négligée par le passé.

Les données ont été récoltées à travers tout l’hémisphère nord, de la Scandinavie à la Sibérie, en passant par le Québec, l’Alaska, les Alpes et les Pyrénées. Toutes les éruptions majeures ont ainsi été clairement détectées dans cette reconstitution. Les résultats ont montré que l’année qui suit une grande éruption est caractérisée par un refroidissement plus prononcé que celui observé dans les reconstitutions précédentes. Ces refroidissements ne semblent toutefois pas persister plus de trois ans à l’échelle hémisphérique.

Les physiciens du climat ont, quant à eux, calculé le refroidissement engendré par les deux plus grandes éruptions du dernier millénaire, les éruptions du Samalas et du Tambora, toutes deux survenues en Indonésie en 1257 et 1815 respectivement, à l’aide d’un modèle climatique sophistiqué. Ce modèle prend en compte la localisation des volcans, la saison de l’éruption et la hauteur d’injection du dioxyde de soufre et intègre un module microphysique capable de simuler le cycle de vie des aérosols volcaniques depuis leur formation, suite à l’oxydation du dioxyde de soufre, jusqu’à leur sédimentation et élimination de l’atmosphère. « Cette approche inhabituelle permet de simuler de façon réaliste la taille des particules d’aérosols volcaniques et leur espérance de vie dans l’atmosphère, ce qui conditionne directement l’ampleur et la persistance du refroidissement provoqué par l’éruption », explique Markus Stoffel, chercheur à l’UNIGE. Ces nouvelles simulations montrent que les perturbations des échanges de rayonnement, dues à l’activité volcanique, étaient largement surestimées dans les simulations précédentes, utilisées dans le dernier rapport du GIEC (Groupe intergouvernemental d’experts sur l’évolution du climat).

Pour la première fois, les résultats produits par les reconstitutions et les modèles climatiques convergent quant à l’intensité du refroidissement et démontrent que les éruptions de Tambora et du Samalas ont induit, à l’échelle de l’hémisphère nord, un refroidissement moyen oscillant entre 0,8 et 1,3°C pendant les étés 1258 et 1816. Les deux approches s’accordent également sur la persistance moyenne de ce refroidissement évaluée à deux-trois ans. Ces résultats ouvrent la voie à une meilleure évaluation du rôle du volcanisme dans l’évolution du climat.

**Panache plinien de l’éruption du Sarychev** **(Russie) le 12 juin 2009.** *Crédit : NASA*

Impact biogéochimique et écologique des îles du Pacifique

9 juin 2022 by osuadmin

Dans les eaux pauvres du Pacifique tropical, les îles sont des sources de nutriments pour les algues photosynthétiques microscopiques, ou phytoplancton, des eaux alentour. Il en résulte un enrichissement en phytoplancton – un « bloom » – proche des îles, qui supporte les niveaux trophiques supérieurs, y compris les poissons qui sont essentiels à la survie des habitants des îles. Cet effet fertilisant, dit « effet d’île », se traduit par une augmentation de la concentration en chlorophylle (un indicateur de la biomasse phytoplanctonique) ce qui permet de l’identifier par observations satellitaires de couleur de l’eau. Les chercheurs ont développé un algorithme qui identifie automatiquement la zone enrichie par les îles à partir d’une carte de concentration en chlorophylle et l’ont appliqué à une base de données de toutes les îles du Pacifique. L’algorithme détecte des enrichissements saisonniers pour 99 % des îles, représentant 3 % de la surface du Pacifique tropical alors que les îles n’en représentent que 0.4 %. Les chercheurs ont quantifié les augmentations locales et à l’échelle du bassin de la chlorophylle et de la production primaire en comparant les eaux enrichies par effet d’île avec les eaux voisines. Ils ont aussi découvert, pour la première fois, des impacts significatifs sur la structure de la communauté phytoplanctonique et sur sa biodiversité, visibles dans les anomalies du signal de couleur de l’eau. Ces résultats suggèrent qu’en plus de forts impacts biogéochimiques locaux, les îles peuvent avoir des impacts écologiques encore plus importants.

Effets d’île détectés à partir de données satellitaires de chlorophylle. Les effets d’îles sont entourés en rouge, la couleur indiquant l’augmentation en chlorophylle à côté des îles (carte moyenne et agrandissements pour certains mois de l’année). Crédit : MIO

L’intensification des vents d’ouest responsable d’une augmentation de la fonte en Antarctique

5 septembre 2022 by osuadmin

La calotte glaciaire antarctique représente le plus grand contributeur potentiel à l’élévation globale du niveau des mers. Cette contribution est largement contrôlée par la fonte basale des plateformes de glace (extensions flottantes de la calotte glaciaire ou ice shelves). L’impact des variations climatiques, et tout particulièrement des variations de régime des vents circumpolaires, sur la fonte basale est encore mal connu. Ainsi, on ne sait pas comment l’augmentation du Mode Annulaire Austral (SAM en anglais) va influencer la fonte basale des ice shelves. L’indice SAM est une mesure de la différence de pression atmosphérique entre les moyennes et hautes latitudes de l’hémisphère sud. Les phases positives du SAM sont caractérisées par une intensité accrue et un déplacement vers le sud de la ceinture de vents d’ouest. Elles entraînent un apport accru d’eaux chaudes et salées (upwelling) vers les ice shelves, ainsi qu’une augmentation de la température et de la salinité de l’océan de subsurface près de la base des ice shelves. Le contraire se produit pour les phases négatives du SAM.

Une nouvelle étude, menée par un consortium international impliquant des scientifiques de l’Université Catholique de Louvain en Belgique, du CEREGE, de l’IGE et de l’Université de Northumbria au Royaume-Uni, a étudié l’intensification du SAM. Pour cela, l’équipe a réalisé des expériences numériques idéalisées à l’échelle de l’Antarctique avec un modèle simulant les interactions entre l’océan et la glace de mer, tout en prenant en compte la circulation océanique sous les ice shelves pour différentes phases du SAM. L’étude montre qu’une augmentation d’environ 30 % du SAM entraîne une perte nette de masse basale de 40 Gt an-1 (c’est-à-dire environ la moitié du changement de masse de la calotte glaciaire antarctique sur la période 1992-2011), avec de forts contrastes régionaux autour de l’Antarctique. La compréhension des facteurs physiques à l’origine de cette fonte contrastée fournit des informations essentielles pour appréhender l’élévation future du niveau des mers.

Voir en ligne : L’article sur le site de l’INSU

Une nouvelle compréhension du cycle du mercure dans l’Océan Arctique

5 septembre 2022 by osuadmin

La faune arctique contient des niveaux de mercure des plus élevés. La compréhension de l’Océan Arctique est essentielle pour en comprendre les raisons, car le méthylemercure, une neurotoxine bioaccumulable, est formé à partir de mercure inorganique dans l’océan lui-même. Une nouvelle étude révise le bilan du mercure dans l’océan Arctique. Ces travaux constatent que le bilan révisé du mercure dans l’Océan Arctique (environ 1 870 tonnes) est inférieur aux estimations précédentes (2 847 à 7 920 tonnes), ce qui implique une plus grande sensibilité au changement climatique et aux émissions anthropiques. Les résultats mettent à jour la compréhension actuelle du cycle du mercure dans l’Arctique.

La sédimentation du mercure particulaire (122 ± 55 tonnes par an) des eaux de surface vers les sédiments du plateau continentale est le plus grand mécanisme d’élimination du mercure dans l’Océan Arctique. Le bilan révisé de l’Océan Arctique suggère que l’enfouissement du mercure dans les sédiments du plateau continentale (42 ± 31 tonnes par an) pourrait être sous-estimé de plus de 100% (52,2 ± 43,5 tonnes par an). Des chercheurs de l’institut méditerranéen d’océanologie (MIO / CNRS / Aix-Marseille Université / IRD / Université de Toulon), de l’université norvégienne de la science et technologie (NTNU), de l’institut norvégien pour la recherche pour l’eau (NIVA) ont organisé plusieurs expéditions océanographiques en mer de Barents, jusqu’à présent seulement possible en été.

Les premières observations pendent la nuit polaire, publiée le 18 Juillet 2022 dans Nature Geoscience, montrent une perte d’un tiers du mercure total entre l’été et l’hiver, et mettent en évidence un nouveau mécanisme d’enlèvement par le manganèse provenant des sédiments. Aucun changement des concentrations de méthylmercure sont observées, probablement dues à une plus faible affinité pour les particules et à la présence d’espèces gazeuses (dimethylemercure). L’étude du cycle du mercure montre qu’il faudrait réévaluer les budgets et les modèles en considérant l’aspect saisonnier. Le temps de vie du méthylemercure dans l’océan arctique est plus long (25 ans) que celui du mercure inorganique (3 ans), et cette étude suggérée des niveaux élevés de méthylmercure à l’avenir.

Le doctorant Stephen G. Kohler sur la glace de mer arctique.

Crédit : Christian Morel

Voir en ligne : L’article sur le site de l’INSU