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Développement de séries isotopiques et reconstitution de la température estivale du dernier millénaire à partir de tiges subfossiles du nord québécois.

Naulier, Maud (2014). Développement de séries isotopiques et reconstitution de la température estivale du dernier millénaire à partir de tiges subfossiles du nord québécois. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 237 p.

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Résumé

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Les données climatiques disponibles pour le Nord-est du Canada sont limitées aux données instrumentales dont la période couverte n’excède pas soixante ans. Pour combler ce manque de données et comprendre la dynamique du climat de cette région, nous avons utilisé les séries isotopiques du carbone et de l’oxygène (δ13C et δ18O) contenues dans les cernes de croissance d’épinettes noires de la forêt boréale comme indicateurs du climat dans le but de le reconstituer sur le dernier millénaire. La première partie de ce projet repose sur la détermination de la variabilité intra- et inter-arbre des séries isotopiques contenues dans quatre épinettes noires riveraines d’un lac boréal (lac L20), et sur la caractérisation de la relation entre ces séries isotopiques et divers paramètres climatiques (articles 1 et 2). L’étude menée sur les séries δ13C et δ18O provenant de deux hauteurs d’échantillonnage (1 et 4 m) a mis en évidence le fait que ces séries montraient des variabilités statistiquement similaires et que la combinaison des deux hauteurs permettait de mieux rendre compte du registre isotopique représentatif du site d’étude. Ces observations indiquent que combiner les séries isotopiques provenant d’arbres vivants et de tiges subfossiles (dont la hauteur d’échantillonnage est inconnue et variable entre les arbres) n’introduira pas de fausses tendances à l’échelle du millénaire (article 1). Le calcul des corrélations statistiques (R Pearson) entre les séries isotopiques et divers paramètres climatiques (température, précipitations, humidité, etc.) a permis de déterminer les principaux paramètres climatiques qui contrôlent l’assimilation des isotopes par l’arbre dans le nord-est du Canada. Les résultats ont démontré que les valeurs δ13C étaient plus sensibles que les séries δ18O aux variations de la température estivale et de l’indice du déficit de pression de vapeur estivale ainsi que des précipitations printanières. Les séries δ18O quant à elles, répondent mieux aux températures maximale et moyenne, à l’indice climatique (somme précipitations - moyenne des températures maximales) et aux précipitations d’été (article 1). Les plus fortes corrélations ont été obtenues tout au long de la période instrumentale (corrélations de Pearson en fenêtre de 9 ans) et des problèmes de divergence ont été mis en évidence. En effet, les séries δ13C ne corrèlent plus après 1975 à la température estivale qui a fortement augmenté sur les dernières décennies. Après les années 1990, les séries δ13C ne corrèlent plus avec les précipitations printanières qui ont oscillé entre stabilité et décroissance depuis lors. Les séries δ18O montrent une baisse alors que la température augmente fortement après les années 2000, ce qui témoigne d’une divergence tardive. Ainsi, cette première partie de la recherche a permis de démontrer que la série δ18O était un meilleur indicateur que la série δ13C pour reconstituer la température maximale sur le dernier millénaire pour le nord-est canadien (article 2). La deuxième partie de la thèse est centrée sur la production de la série δ18O millénaire et la reconstitution de la température maximale estivale (article 3). Grâce à une sélection visuelle et la détermination du coefficient lignine-cellulose des tiges subfossiles, il a été possible de déterminer qu’elles étaient bien conservées et que leur intégrité isotopique était préservée. Afin d’obtenir une résolution annuelle avec un nombre de réplicas suffisants sur le millénaire la méthode existante de découpe de cernes par cohortes a été adaptée et optimisée. Ainsi, 230 tiges subfossiles et 5 troncs d’arbres vivants ont été découpés afin de produire une série isotopique millénaire (997-2006). Les températures ont été reconstituées en couplant les résultats obtenus par les modèles de régression linéaire simple et de linear scaling. La série climatique résultante a conservé 64% de la variance observée et elle a une variabilité totale de 2.6°C. La qualité de notre reconstitution ont été mises en évidence par de nombreuses ressemblances avec des reconstitutions basées sur des séries de cernes (nord-est du Canada, Fennoscandie, ouest du Canada) et d’autres se basant sur des indicateurs indépendants (varves, glaciers, pollens). Trois périodes climatiques contrastées ont été identifiées : une chaude (997-1250) attribuée à la période médiévale, une froide (1450-1880) correspondant au Petit Âge glaciaire et enfin, la période moderne (1950-2000) relativement froide avec un fort réchauffement sur les trois dernières décennies. Un des résultats majeurs de cette étude est d’avoir confirmé que la période médiévale a été la période la plus chaude de ce dernier millénaire (+0.2°C que le dernier siècle). De plus, nous suggérons que les passages des périodes froides aux périodes chaudes du dernier millénaire ont été causés par le forçage solaire, et que la période froide du Petit Âge glaciaire correspondait à la période de chevauchement entre plusieurs épisodes volcaniques (éruptions inconnue de 1809, du Tambora en 1815 et du Cosigüina en 1835) et le minimum solaire de Dalton.

Abstract

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Climatic data available for northeastern Canada are limited to instrumental records which do not cover more than sixty years. In order to fill this gap and understand climate dynamics in this area, carbon and oxygen isotopic series (δ13C and δ18O) from annual growth rings of boreal black spruce trees have been used as proxies of climate in order to reconstruct summer temperatures over the last millennium. The first objective of this research was to determine the inter- and intra-tree variability of isotopic series contained in five riparian black spruce trees along a boreal lakeshore (L20 lake), and to characterize the relationships between isotopic series and several climatic parameters (1st and 2nd articles). The δ13C and δ18O series obtained from two different sampling heights (1 and 4 m) vary similarly, and their combination has produced a reliable isotopic series representative of the study site. These observations indicate that combining isotopic series from living trees and subfossil stems (unknown and variable sampling heights) would not introduce false trends when used for the millennium reconstruction. The statistical correlations (R Pearson) between isotopic series and several climatic parameters (temperature, precipitation, humidity, etc.) have permitted determining the main parameters controlling the isotopic assimilation in northeastern Canada trees. Results have demonstrated that δ13C values significantly correlate with summer temperature and vapor pressure (vapor pressure deficit index), and spring precipitation. The δ18O series strongly correlates with summer maximal and mean temperatures, climatic index and precipitation (1st article). We have also analyzed the highest correlations over the instrumental period (9-years moving window) and have highlighted divergence problems. The δ13C series diverged from summer temperature, which strongly increased after 1975, and with spring precipitation which decreased since 1990. The δ18O series has decreased whereas the temperatures have strongly increased since 2000, indicating a late divergence. As a consequence, this first part of the research has permitted to demonstrate that the δ18O series constitutes the best proxy for the maximal temperature reconstruction over the last millennium for northeastern Canada. The second part of the research is centered on the production of a millennial δ18O series and the reconstruction of the maximal temperature (3rd article). With a visual screening of subfossil stem segments and the estimation of the lignin-cellulose isotopic difference (lignin cellulose), it has been possible to determined that the isotopic integrity of the subfossil tree rings was well preserved. In order to obtained the maximal replication and annual resolution, the previously proposed cohort sampling method has been adapted and optimized. In total, 230 subfossil stems and five living trees have been sampled in order to produce the millennial isotopic series (997-2006). Maximum summer temperature has been reconstructed using the average result from the linear regression and linear scaling models. The final climatic series reproduces 64% of the observed variance, with 2.7°C variability over the millennium. The robustness and validity of the reconstruction have been highlighted by its similarities with reconstructions based on tree-ring (northeastern Canada, Fennoscandia, and western Canada) and other ones using independent proxies (varve, ice core and pollens). Three contrasted climatic periods have been identified: a warm one (~997-1250) attributed to the medieval warm period, a cold one (~1450-1880) corresponding to the little ice age, and the modern period (1900-2000) generally cold, but warming during the last three decades. One of the main findings is that the medieval period has been the warmest over the last millennium (+0.2°C than the last one) in the studied region. Moreover, our reconstruction suggests that the alternation of cold and warm periods could have been mainly controlled by changing solar radiations, and that the coldest period of the little ice age seems to be linked to the combined effects of the Dalton solar minima and successive volcanic eruptions (unknown 1809, Tambora 1815 and Cosigüina 1835).

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Savard, Martine M.
Co-directeurs de mémoire/thèse: Bégin, Christian; Arseneault, Dominique
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: cernes de croissance; épinettes noires; paramètre climatique; rapports isotopiques; climat; millénaire; géochimie des isotopes; tiges vivantes; tiges subfossiles; forêt boréale; nord québécois
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 17 mars 2015 20:17
Dernière modification: 25 nov. 2015 14:57
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2610

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