La transition du Pléistocène moyen: caractéristiques, mécanismes et implications pour les changements à long terme de la pCO2 atmosphérique

L’émergence d’une variabilité glaciaire quasi périodique (∼100-kyr) à basse fréquence et à haute amplitude au cours du Pléistocène moyen en l’absence de tout changement significatif du forçage orbital indique un changement fondamental interne au système climatique. Cette transition du Pléistocène moyen (MPT) a commencé à 1250 ka et s’est achevée à 700 ka. Son apparition s’est accompagnée d’une diminution des températures de surface de la mer (SST) dans les régions de remontée des eaux de l’Atlantique Nord et des océans tropicaux et d’une augmentation de l’aridité africaine et asiatique et de l’intensité de la mousson. Au cours du MPT, le volume moyen de glace à long terme a progressivement augmenté de5 50 m équivalent au niveau de la mer, tandis que la variabilité du volume de glace à basse fréquence a connu une accalmie de 100 kyr centrée sur 1000 ka suivie de sa réapparition ∼ 900 ka, bien qu’il s’agisse d’une large bande de puissance plutôt que d’un cycle étroit et persistant de 100 kyr. D’autres changements à 900 ka indiquent qu’il s’agit d’un moment important au cours de la MPT, commençant par un événement de refroidissement extrême de la SST de 80 kyr suivi de la reprise partielle et de la stabilisation subséquente des SST à long terme de l’Atlantique Nord et de l’océan tropical, augmentant la variabilité de la SST de l’Océan austral principalement associée à des interglaciaires plus chauds, à la perte de la couverture permanente de glace de mer subpolaire et à l’émergence d’une variabilité à basse fréquence des SST du Pacifique et de la circulation océanique profonde mondiale. Depuis 900 ka, les calottes glaciaires sont la seule composante du système climatique à présenter une variabilité constante à basse fréquence. À l’exception d’une organisation quasi universelle de la puissance à basse fréquence associée aux étages isotopiques marins 11 et 12, toutes les autres composantes montrent une distribution incohérente de la puissance dans l’espace fréquence-temps, suggérant une réponse du système hautement non linéaire au forçage orbital et glaciaire.

La plupart des hypothèses pour l’origine du MPT invoquent une réponse à un refroidissement à long terme, peut-être induit par une diminution du pCO2 atmosphérique. Aucune de ces hypothèses, cependant, ne tient compte de la contrainte géologique selon laquelle les premières calottes glaciaires de l’hémisphère Nord couvraient une superficie similaire ou plus grande que celles qui suivaient le MPT. Étant donné que la MPT était associée à une augmentation du volume de glace, cette contrainte exige que les calottes glaciaires post-MPT soient sensiblement plus épaisses que les calottes glaciaires pré-MPT, ce qui indique un changement des conditions sous-glaciaires qui influencent la dynamique des glaces. Nous examinons les preuves à l’appui de l’hypothèse selon laquelle une telle augmentation de l’épaisseur de la glace s’est produite lorsque le socle rocheux cristallin du bouclier précambrien a été exposé par l’érosion glaciaire d’un manteau épais de régolithe. Cette exposition à un substrat à friction élevée a causé des calottes glaciaires plus épaisses, avec un changement de leur réponse au forçage orbital. Les données sur les isotopes du carbone marin indiquent un transfert rapide de carbone organique en carbone inorganique dans le système océanique au cours du MPT. Si ce carbone provenait de sources terrigènes, une augmentation du pCO2 atmosphérique serait probable, ce qui est incompatible avec les preuves d’un refroidissement généralisé, Un transfert de carbone apparemment rapide à partir de sources terrestres est difficile à concilier avec une érosion progressive du régolithe. Une source plus probable de carbone organique et de nutriments (qui atténuerait la hausse du pCO2) provient des sédiments marins du plateau et de la pente supérieure, qui ont été entièrement exposés pour la première fois depuis des millions d’années en réponse à l’épaississement des calottes glaciaires et à la chute des niveaux de phoques pendant le MPT. La modélisation indique que l’érosion des régolithes et l’exposition du substrat rocheux cristallin qui en résulterait entraîneraient une augmentation des taux d’altération à long terme des silicates, en bon accord avec les enregistrements isotopiques marins Sr et Os. Nous utilisons un modèle de cycle du carbone pour montrer qu’une augmentation post-MPT des taux d’altération des silicates abaisserait le pCO2 atmosphérique de 7 à 12 ppm, suggérant que le refroidissement qui en résulte pourrait avoir été un retour d’information important pour provoquer le MPT.