GHIL Michael

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Le bruit modifie le comportement des systèmes chaotiques de manière quantitative et qualitative. Pour étudier ces modifications, le présent travail compare la structure topologique de l'attracteur déterministe de Lorenz (1963) avec sa version perturbée stochastiquement. L'attracteur déterministe est bien connu pour être "étrange" mais il est figé dans le temps. Lorsqu'il est piloté par un bruit multiplicatif, l'attracteur aléatoire du modèle de Lorenz (LORA) évolue dans le temps. La topologie algébrique met en lumière les effets les plus marquants impliqués dans une telle évolution. Afin d'examiner la structure topologique des instantanés qui s'approchent de LORA, nous utilisons la Branched Manifold Analysis through Homologies (BraMAH) - une technique initialement introduite pour caractériser la structure topologique des flux chaotiques déterministes - qui est étendue ici aux systèmes non linéaires pilotés par le bruit. L'analyse est effectuée pour une réalisation fixe du bruit moteur à différents instants dans le temps. Les résultats suggèrent que l'évolution de LORA comprend des transitions brusques qui apparaissent comme des points de basculement topologiques.

Au cours des 3,2 derniers millénaires, des changements climatiques radicaux ont été observés avec le développement, la croissance et le déclin d'immenses couches de glace continentales dans l'hémisphère nord. Ces phénomènes frappants ont été observés dans divers enregistrements provenant de carottes de glace, ainsi que de sédiments marins et terrestres. Ces enregistrements ont montré des périodicités associées aux trois paramètres orbitaux qui affectent l'insolation de notre planète, à savoir l'excentricité, l'obliquité et la précession. Jusqu'à récemment, ces périodicités étaient considérées comme les périodicités canoniques pour la période quaternaire et au-delà. Cependant, l'amélioration de la résolution temporelle des enregistrements disponibles a permis de décrire des changements climatiques se produisant de manière abrupte et avec des périodicités qui ne sont pas liées à celles des paramètres orbitaux. Dans cet article, nous montrons que, en fait, ces changements climatiques abrupts peuvent encore être liés, bien qu'indirectement, à la théorie astronomique du climat.

L'impact de l'oscillation australe El Niño (ENSO) sur les régions extratropicales est étudié dans un modèle idéalisé d'ordre réduit qui comporte un module tropical et un module extratropical. Un forçage ENSO unidirectionnel est utilisé pour imiter le pont atmosphérique entre les tropiques et les extratropiques. La variabilité du module extratropical couplé océan-atmosphère est ensuite étudiée par l'analyse de ses attracteurs de retour (PBA). Cette analyse se concentre sur deux types de forçage ENSO généré par le module tropical, l'un périodique et l'autre apériodique. Pour une gamme substantielle de forçage ENSO, on constate que deux PBA chaotiques coexistent pour le même ensemble de valeurs de paramètres. Différents types de variabilité extratropicale de basse fréquence (VBF) sont associés à l'une ou l'autre des ZAP dans les plages de paramètres explorées. Pour le forçage périodique ENSO, les PBA coexistantes ne présentent qu'une faible instabilité non linéaire. En revanche, pour un forçage chaotique, elles sont assez instables et certaines perturbations extratropicales induisent des transitions entre les deux ZAP. Ces propriétés de stabilité distinctes peuvent avoir des conséquences profondes sur les prévisions climatiques extratropicales : en particulier, le calcul de moyennes d'ensemble peut ne plus permettre d'isoler le signal LFV.

Les changements climatiques brusques constituent un domaine de recherche relativement nouveau, qui traite des variations se produisant dans un intervalle de temps relativement court, de quelques dizaines à quelques centaines d'années. De telles échelles de temps ne correspondent pas aux dizaines ou centaines de milliers d'années qu'aborde la théorie astronomique du climat. Cette dernière théorie fait intervenir des paramètres extérieurs au système climatique dont les variations multi-périodiques sont connues de manière fiable et quasi constantes pour une grande partie de l'histoire de la Terre. Les changements brusques, au contraire, semblent impliquer des processus rapides internes au système climatique. Ces processus ont considérablement varié au cours des 2,6 derniers millénaires, et ont donné lieu à des fluctuations plus irrégulières. Dans cet article, nous réexaminons les principales variations climatiques déterminées à partir de l'enregistrement marin de l'Atlantique Nord U1308, qui fournit une histoire détaillée du vêlage des calottes glaciaires de l'hémisphère Nord au cours des 3,2 derniers millénaires. L'ampleur et la périodicité des événements de débris de glace (IRD) observés dans l'enregistrement U1308 permettent de déterminer la chronologie de plusieurs changements climatiques abrupts, les plus importants correspondant aux décharges massives d'icebergs appelées événements de Heinrich (HE). En parallèle, des réchauffements abrupts, appelés événements Dansgaard-Oeschger (DO), ont été identifiés dans les enregistrements du Groenland du dernier cycle de glaciation. En combinant les observations des HE et des DO, nous étudions un mécanisme complexe qui peut conduire à la variabilité observée à l'échelle millénaire correspondant aux changements climatiques abrupts des 0,9 derniers millénaires. Ce mécanisme repose sur des cycles de Bond modifiés, qui regroupent les événements DO et les stades du Groenland associés dans une tendance de refroidissement accru, avec des événements IRD intégrés dans chaque stade, le dernier étant un HE. Ces cycles de Bond ont pu se produire au cours des 0,9 Ma passés, lorsque les calottes glaciaires de l'hémisphère Nord ont atteint leur étendue et leur volume maximum, devenant ainsi un acteur majeur de la dynamique climatique de cet intervalle de temps. Puisque la croissance et le déclin des calottes glaciaires au cours de la période quaternaire sont rythmés par les orbites, nous concluons que les changements climatiques abrupts observés au cours du Pléistocène moyen et supérieur sont donc indirectement liés à la théorie astronomique du climat.

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Le bruit modifie le comportement des systèmes chaotiques. La topologie algébrique permet d'éclairer les effets les plus fondamentaux, comme l'illustre ici le modèle de Lorenz (1963). L'attracteur de ce modèle est "étrange" mais figé dans le temps. Lorsqu'il est piloté par un bruit multiplicatif, l'attracteur aléatoire du modèle de Lorenz (LORA) évolue dans le temps. Nous utilisons ici l'analyse des manifolds ramifiés par les homologies (BraMAH) pour décrire la topologie à gros grains de LORA. BraMAH est ainsi étendu des flux déterministes aux systèmes pilotés par le bruit. Les groupes d'homologie de LORA changent dans le temps et diffèrent du groupe déterministe.

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