Modélisation du tritium dans les précipitations

Les isotopes de l’eau peuvent être utilisés pour mieux comprendre les processus hydrologiques atmosphériques et continentaux et mieux évaluer leur représentation dans les modèles de climat (GCMs : Atmospheric Global Circulation Models). Depuis plusieurs années, beaucoup de GCMs simulent en effet le mouvement des isotopes stables de l’eau (HDO, H218O, H217O). Mais ici, nous présentons les premières simulations dans un GCM du niveau de tritium naturel dans l’eau (HTO). Ces simulations ont été obtenues en utilisant la version isotopique du modèle LMDZ de l’IPSL, LMDZ-iso.

Le tritium est un nucléide cosmogénique produit par l’interaction des radiations cosmiques avec la haute atmosphère. De grandes quantités de tritium thermonucléaire ont également été injectées dans la haute troposphère et la stratosphère durant les années 1950s-1960s (environ 525 kg sous la forme HTO). En présence d’oxygène, le tritium s’oxyde et produit de l’eau tritiée HTO qui rentre dans le cycle hydrologique. Le temps de demi-vie de cet isotope radioactif est de 12,32 ± 0,02 ans. Au contraire des isotopes stables de l’eau qui montrent des variations exprimées en ‰, contrôlées par des processus physiques, HTO est plus un marqueur des réservoirs comme la stratosphère, la troposphère et les océans impliqués dans le cycle hydrologique. Le taux de tritium dans ces différents compartiments varie en effet de plusieurs ordres de magnitude.

Notre objectif est de tester la distribution simulée de HTO dans l’atmosphère due à des processus climatiques ; nous nous sommes donc concentrés sur le tritium naturel et avons effectué des simulations sans l’augmentation massive de tritium due aux tests des armes nucléaires. Cette restriction nous a permis d’étudier le transport du tritium et sa variabilité spatiale et saisonnière sous des conditions d’entrées de tritium à l’équilibre. Pour éviter le tritium généré par les bombes, les simulations ont été évaluées contre une compilation de données publiées de tritium datant d’avant 1950 ou mesurées récemment.

LMDZ-iso reproduit raisonnablement bien la distribution moyenne annuelle de tritium. Il capture correctement l’enrichissement observé en tritium dans les précipitations en s’enfonçant dans les terres (effet continental) et les variations nord-sud dues à la dépendance en latitude du taux de production naturel de tritium. La variabilité saisonnière, liée aux intrusions de masses d’air stratosphérique avec des taux de tritium plus élevés (~105 TU[1] contre quelques TU près de la surface) dans la troposphère, est correctement reproduite pour l’Antarctique avec un maximum en hiver austral. LMDZ-iso reproduit un maximum de tritium au printemps au dessus de l’Europe mais le sous-estime, et produit un pic en hiver qui n’est pas dans les données.

En conclusion, l’implémentation du tritium dans un GCM est prometteuse pour apporter de meilleures contraintes sur : (1) les intrusions et le transport des masses d’air provenant de la stratosphère et (2) la dynamique du cycle de l’eau dans le modèle. La prochaine étape sera d’implémenter le tritium des bombes nucléaires dans LMDZ-iso. Les informations détaillées sur ces essais nucléaires (dates, localisations, altitudes, puissances, etc.), communiquées par les gouvernements, seront utilisées pour reconstruire une fonction d’entrée réaliste du tritium des bombes atmosphériques. Les simulations du tritium des bombes seront un outil très utile pour évaluer la dynamique du cycle hydrologique dans LDMZ-iso en réponse à ce forçage transitoire, et pour réexaminer la question des injections stratosphériques en lien avec l’advection verticale dans le modèle.

The implementation of tritium in a GCM, and subsequent model-data comparison with a large available dataset, is a useful complement to the existing approach of using stable water isotope tracers. The method promises to provide better constraints on: (1) the intrusions and transport of air masses from the stratosphere and (2) the dynamics of the water cycle in the model. The next step will be to implement the bomb-tritium in LMDZ-iso. The atmospheric thermonuclear tests in the 1950s and early 1960s were indeed responsible for the massive injection of tritium in the atmosphere. The detailed information on these nuclear tests (dates, locations, altitudes, yields, etc) has now been released by governments and will be used to reconstruct a realistic atmospheric bomb-tritium input function. Simulations of bomb-tritium will be a very useful tool to evaluate the dynamics of the hydrological cycle in the LMDz-iso model in response to the bomb-tritium transient, and to revisit the issue of the stratospheric injections in relation to the modelled vertical advection.

(a) Moyenne annuelle du tritium dans les précipitations observée dans les données et (b) simulée dans LMDZ-iso. Notez que l’échelle de couleur n’est pas linéaire. (c) et (d) comme (a) et (b) mais pour la région Européenne, où les données GNIP de l’IAEA sont les plus abondantes. Les données utilisées ici sont des données GNIP (carrées) et des mesures pré-bombe (petits et grands cercles pour les limites basses et hautes respectivement).
(a) Moyenne annuelle du tritium dans les précipitations observée dans les données et (b) simulée dans LMDZ-iso. Notez que l’échelle de couleur n’est pas linéaire. (c) et (d) comme (a) et (b) mais pour la région Européenne, où les données GNIP de l’IAEA sont les plus abondantes. Les données utilisées ici sont des données GNIP (carrées) et des mesures pré-bombe (petits et grands cercles pour les limites basses et hautes respectivement).

Cauquoin, A., Jean-Baptiste, P., Risi, C., Fourré, E., Stenni, B., and Landais, A. The global distribution of natural tritium in precipitation simulated with an Atmospheric General Circulation Model and comparison with observations. Earth Planet. Sci. Lett., accepted.

[1] TU : Tritium Unit, où 1 TU correspond à un rapport tritium/hydrogène de 10-18

Cette étude est financée par l’ERC COMBINISO (306045)


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