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Volcanisme stratosphérique et isotopes du sulfate // Stratospheric volcanism and sulphate isotopes

Dans les archives glaciaires, les éruptions volcaniques du passé sont associées à des pics de concentration de sulfate. Pour estimer la contribution volcanique aux variations climatiques passées, il est nécessaire de pouvoir faire la différence, dans ces enregistrements, entre les éruptions stratosphériques, à fort impact climatique, et les éruptions troposphériques, d’impact faible et local. L’étude des isotopes du sulfate (soufre et oxygène), permet de faire cette distinction et d’établir un inventaire des éruptions stratosphériques enregistrées à Dôme C, Antarctique, sur les 2600 dernières années. Cette étude a été réalisée par l’Institut des géosciences de l’environnement de l’Université de Grenoble et le Laboratoire de géologie de Lyon.

La glace polaire est la meilleure archive en terme de paléovolcanisme. Les reconstructions du volcanisme passé se basant sur l’analyse des carottes de glace sont nombreuses. Elles permettent d’estimer l’effet refroidissant du volcanisme et ses conséquences climatiques, dû aux interactions entre aérosols d’acide sulfurique d’origine volcanique, et le rayonnement solaire incident.

Différencier, dans les enregistrements volcaniques polaires, les éruptions troposphériques des éruptions stratosphériques (à forte conséquence climatique) est crucial pour estimer l’impact climatique naturel exercé par le volcanisme dans le passé. La découverte d’une signature isotopique particulière sur le sulfate volcanique formé dans la stratosphère a permis d’établir une reconstruction des éruptions stratosphériques enregistrées à Dôme C, Antarctique, sur les 2600 dernières années.

Jusqu’alors, les reconstructions volcaniques ont été faites à partir d’enregistrements volcaniques bipolaires (carottes de glace issues d’Antarctique et du Groenland), et reposent sur le principe qu’une éruption stratosphérique, à fort impact climatique, entraîne un dépôt global de sulfate, mis en évidence par comparaison de carottes de glace de pôles opposés. Les émissions soufrées issues d’une éruption dite troposphérique ont, quant à elles, une faible durée de vie dans cette basse couche de l’atmosphère, et leur incidence climatique reste négligeable. Cette approche, dite bipolaire, nécessite une excellente synchronisation et datation des carottes de glace entre elles.

En 2010-2011, 5 carottes de glace de 100 mètres de long ont été collectées à Dôme C en Antarctique et ensuite rapatriées à Grenoble. Ces carottes ont été analysées et échantillonnées dans le but de reconstruire une histoire du volcanisme stratosphérique des 2600 dernières années, par la méthode isotopique.

Cette première reconstruction des éruptions stratosphériques par la méthode isotopique fournit une validation indépendante des reconstructions antérieures. Elle met en évidence des évènements stratosphériques de hautes latitudes, non bipolaires mais néanmoins significatifs d’un point de vue climatique. Il arrive en effet que les aérosols issus d’une éruption stratosphérique localisée dans les hautes latitudes se cantonnent à un seul hémisphère. L’analyse isotopique révèle également, en profondeur, des signaux troposphériques jusqu’alors considérés comme bipolaires. Elle permet donc d’affiner les précédentes reconstructions.

Tandis que l’analyse isotopique du soufre renseigne sur la nature de l’éruption, l’analyse isotopique de l’oxygène révèle un effondrement du traceur suite à deux éruptions majeures. Cette évolution du signal isotopique reflète soit une altitude d’injection particulièrement importante, soit un épuisement de l’ozone atmosphérique, provoqué par une large injection de composés halogénés.

Etendue à d’autres régions et d’autres types de sites, cette approche isotopique constitue un outil intéressant pour affiner et compléter les reconstructions du volcanisme passé, et à terme, pour mieux quantifier l’impact du volcanisme sur le climat.

Source : Observatoire des Sciences de l’Univers de Grenoble (OSUG).

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In glacial records, volcanic eruptions of the past are associated with peaks of sulphate concentration. To estimate the volcanic contribution to past climatic variations, it is necessary to be able to make a diffrence, in these recordings, between stratospheric eruptions, with high climatic impact, and tropospheric eruptions, of weak and local impact. The study of sulphate isotopes (sulphur and oxygen) makes it possible to make this distinction and to establish an inventory of the stratospheric eruptions recorded at Dome C, Antarctica, over the last 2600 years. This study was carried out by the Institute of Environmental Geosciences of Grenoble University and the Geology Laboratory of Lyon.
Polar ice is the best archive in terms of paleovolcanism. The reconstructions of past volcanism based on the analysis of ice cores are numerous. They make it possible to estimate the cooling effect of volcanism and its climatic consequences, due to the interactions between sulphuric acid aerosols of volcanic origin, and the incident solar radiation.
Differentiating in polar volcanic recordings tropospheric eruptions from stratospheric (high climatic) eruptions is crucial for estimating the natural climatic impact of volcanism in the past. The discovery of a particular isotopic signature on the volcanic sulphate formed in the stratosphere has made it possible to establish a reconstruction of the stratospheric eruptions recorded at Dome C, Antarctic, over the last 2600 years.
Up to now, volcanic reconstructions have been made from bipolar volcanic records (ice cores from Antarctica and Greenland), and are based on the premise that a stratospheric, climate-impacting eruption results in a global sulphate deposition, highlighted by comparison of ice cores from opposite poles. The sulphur emissions resulting from a so-called tropospheric eruption have, for their part, a short life in this low layer of the atmosphere, and their climatic incidence remains negligible. This so-called bipolar approach requires excellent synchronization and dating of the ice cores.
In 2010-2011, five 100-meter-long ice cores were collected at Dome C in Antarctica and then repatriated to Grenoble. These cores were analyzed and sampled with the aim of reconstructing a history of stratospheric volcanism of the last 2600 years by the isotopic method.
This first reconstruction of stratospheric eruptions by the isotopic method provides an independent validation of previous reconstructions. It highlights stratospheric events of high latitudes, non-bipolar but nevertheless significant from a climatic point of view. Aerosols from a stratospheric eruption located in high latitudes may be confined to a single hemisphere. Isotopic analysis also reveals, in depth, tropospheric signals previously considered as bipolar. It allows to refine previous reconstructions.
While isotopic analysis of sulphur provides information on the nature of the eruption, isotopic analysis of oxygen reveals a collapse of the tracer after two major eruptions. This evolution of the isotopic signal reflects either a particularly high injection altitude, or a depletion of atmospheric ozone, caused by a large injection of halogenated compounds.
Extended to other regions and other types of sites, this isotopic approach is an interesting tool to refine and complete reconstructions of past volcanism, and ultimately to better quantify the impact of volcanism on the climate.
Source: Observatoire des Sciences de l’Univers de Grenoble (OSUG).

L’analyse isotopique des sulfates volcaniques permet de différencier les éruptions stratosphériques (en rouge), à fort impact climatique, des éruptions troposphériques (en bleu), d’incidence climatique négligeable et locale. Les éruptions enregistrées à Dôme C (Antarctique) sur les 2600 dernières années sont majoritairement d’origine stratosphérique.

La fonte de l’Antarctique (suite) // The melting of Antarctica (continued)

C’est l’été en ce moment dans l’hémisphère sud. L’Australie croule sous une vague de chaleur incroyable et l’Antarctique continue à fondre, et pas seulement à cause de la chaleur actuelle. Le problème est beaucoup plus profond et inquiétant.

Selon le dernier rapport des Proceedings of the National Academy of Sciences, rapport des comptes-rendus de l’Académie Nationale des Sciences aux Etats-Unis, la fonte annuelle de la glace est plus rapide que jamais en Antarctique, environ six fois plus qu’il y a quarante ans. Cette disparition de la glace a déjà été responsable d’une montée de 1,4 centimètre du niveau des océans de la planète entre 1979 et 2017.

Le rythme de fonte prévu pour les prochaines années devrait entraîner une élévation désastreuse du niveau des océans. Des études indiquent qu’une montée de 1,80 mètre d’ici 2100 – l’une des prévisions scientifiques les plus pessimistes – provoquerait l’inondation de nombreuses villes côtières où vivent des millions de personnes dans le monde.

Pour effectuer la dernière étude, les chercheurs ont évalué de manière exhaustive la masse de glace dans dix-huit régions de l’Antarctique. Ils ont utilisé pour cela des données fournies par des photographies aériennes en haute résolution prises par des avions de la NASA, ainsi que des images radar provenant de satellites de multiples agences spatiales. Ces différentes données ont permis de déterminer qu’entre 1979 et 1990, l’Antarctique avait perdu en moyenne 40 milliards de tonnes de masse glaciaire par an. A partir de 2009 et jusqu’en 2017, ce chiffre est passé à 252 milliards de tonnes chaque année. Plus inquiétant encore, les scientifiques ont repéré des zones dans l’Est, autrefois considérées comme relativement « à l’abri du changement », qui perdent désormais beaucoup de glace. J’ai attiré l’attention dans une note précédente sur le risque de désintégration de cette partie du continent.

Si la glace de l’Antarctique venait à fondre complètement, elle provoquerait une élévation estimée à 57 mètres du niveau des mers. A elle seule, la calotte glaciaire de l’Antarctique Est contient environ la moitié des réserves d’eau douce de la planète. Sa fonte ferait monter les mers de 52 mètres, contre 5 mètres pour la partie Ouest du continent.

Source : France Info, National Academy of Sciences.

J’ai consacré un chapitre entier de mon livre “Glaciers en péril » à la fonte de la glace en Antarctique.

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It’s summer right now in the southern hemisphere. Australia is confronted with an incredible heat wave and Antarctica continues to melt, not just because of the current heat. The problem is much deeper and disturbing.
According to the latest report from the Proceedings of the National Academy of Sciences in the United States, the annual melting of ice is faster than ever in Antarctica, about six times faster than forty years ago. This disappearance of the ice has already been responsible for a rise of 1.4 centimetres in the level of the world’s oceans between 1979 and 2017.
The projected rate of melting for the next few years should lead to a disastrous rise in the level of the oceans. Studies indicate that a rise of 1.80 metres by 2100 – one of the most pessimistic scientific predictions – would flood many coastal cities where millions of people live in the world.
To complete the latest study, the researchers performed an exhaustive assessment of the ice mass in 18 Antarctic regions. They used data provided by high-resolution aerial photographs taken by NASA aircraft, as well as radar images from satellites of multiple space agencies. These data showed that between 1979 and 1990, Antarctica lost an average of 40 billion tonnes of ice mass per year. From 2009 until 2017, this figure has increased to 252 billion tonnes each year. More worryingly, scientists have spotted areas in the east, once considered relatively « safe from change, » which are now losing much ice. I drew attention in a previous note to the risk of disintegration of this part of the continent.
If the Antarctic ice melted completely, it would cause an estimated 57-metre rise in sea level. The East Antarctic Ice Sheet alone contains about half of the world’s freshwater reserves. Its melting would raise the seas by 52 metres, against 5 metres for the western part of the continent.
Source: France Info, National Academy of Sciences.

Menace d’irréversibilité de fonte des glaces polaires // Threat of an irreversibility of the melting of polar ice

C’est toujours la même rengaine, mais il est utile de la répéter. Il est admis par tous les scientifiques que les calottes glaciaires arctique et antarctique risquent de fondre dans leur totalité si nous continuons à envoyer des gaz à effet de serre dans l’atmosphère.

Selon une étude récente publiée dans la revue Nature Climate Change, même la légère hausse de température convenue dans le cadre de l’Accord de Paris de 2015 pourrait voir les calottes glaciaires fondre suffisamment au cours de ce siècle pour que le phénomène soit « irréversible. » La COP 21 a préconisé une élévation de la température « bien en dessous de » deux degrés Celsius par rapport aux niveaux préindustriels et, si possible, à moins de 1,5°C. Cet objectif de réchauffement de 1,5 à 2°C d’ici à 2100 constitue le scénario le plus optimiste pour les scientifiques si l’on se réfère à notre consommation de ressources naturelles et à la combustion de combustibles fossiles. Pour y parvenir, il faudrait modifier radicalement notre mode de vie et de consommation. À titre de comparaison, si nous continuons à émettre des gaz à effet de serre au rythme actuel, la température de notre planète augmentera de 4°C.
Les scientifiques savent depuis des décennies que les calottes glaciaires du Groenland et de l’Antarctique se réduisent, mais ils pensaient qu’elles pourraient survivre à une hausse de température de 1,5 à 2°C et rester relativement intactes. Cependant, selon la nouvelle étude, un réchauffement même modéré de la planète pourrait avoir des effets irréversibles sur la glace polaire et contribuer à une élévation catastrophique du niveau de la mer.
Les chercheurs qui ont effectué l’étude ont analysé les données relatives à la hausse annuelle de la température, à la couverture des calottes glaciaires et aux niveaux de fonte connus. Ils ont découvert que les calottes glaciaires du Groenland et de l’Antarctique atteindraient un « point de non retour » avec une élévation de température autour de 2°C.
On sait depuis longtemps que la glace du Groenland et de l’Antarctique contient suffisamment d’eau pour faire d’élever le niveau de la mer de plusieurs mètres. La calotte glaciaire du Groenland à elle seule a contribué à hauteur de 0,7 millimètre à l’augmentation du niveau de la mer chaque année depuis le milieu des années 90. Qui plus est, les pôles se réchauffent plus rapidement que les autres régions de la planète et le Groenland à lui seul a connu une hausse de 5°C en hiver et de 2°C en été depuis cette époque.
Bien que les scientifiques prédisent qu’il faudra des siècles avant que les pôles fondent totalement, même en cas d’énormes augmentations de la température mondiale, la dernière étude constitue un motif supplémentaire de préoccupation et montre la nécessité de prendre des mesures de prévention.

De nombreux modèles du scénario de 1,5-2°C prévoient que ce seuil sera franchi à court terme, avec un possible réchauffement de la planète de plusieurs degrés, avant l’utilisation du captage du carbone et d’autres technologies pour stabiliser les températures en 2100. L’étude met en garde contre une telle approche et indique qu’une boucle de rétroaction déclenchée par des températures plus élevées « conduirait à une fonte de l’ensemble la calotte glaciaire dans le monde », même si cette hausse de température était ensuite compensée.
Pour le Groenland, l’équipe de chercheurs a déclaré avec une certitude de 95% que la fonte accélérée de la calotte glaciaire se produirait avec un réchauffement de 1,8°C. Pour le Groenland et l’Antarctique, il existe des points de non-retour connus pour les niveaux de réchauffement qui pourraient être atteints avant la fin du siècle.
Source: Nature Climate Change.

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It is the same story all over again, but it is useful to repeat it. It has been admitted by all scientists that the Arctic and Antarctic icecaps are in danger of melting completely if we keep sending greenhouse gases in the atmosphere.

According to a recent study published in the journal Nature Climate Change, even modest temperature rises agreed under the 2015 Paris Agreement could see the ice caps melt enough this century for their loss to be « irreversible. » The COP 21 limits nations to temperature rises « well below » two degrees Celsius above pre-industrial levels and to less than 1.5°C if at all possible. That goal of getting 1.5-2C hotter by 2100 is scientists’ best-case-scenario based on our consumption of natural resources and burning of fossil fuels, and will require radical, global lifestyle changes to achieve.

For comparison, if we continue to emit greenhouse gases at the current rate, the Earth’s temperatures will rise by as much as 4°C.

Scientists have known for decades that the ice sheets of Greenland and Antarctica are shrinking, but it had been assumed that they would survive a 1.5-2°C temperature rise relatively intact. However, according to the new analysis, even modest global warming could cause irreversible damage to the polar ice, contributing to catastrophic sea level rises.

The researchers who performed the study analysed data on annual temperature rises, ice sheet coverage and known melt levels and found that both Greenland and Antarctic ice sheets would reach a « tipping point » at around 2°C.

It is well known that the ice contained in Greenland and Antarctica contain enough frozen water to lift global sea levels several metres. The Greenland ice sheet alone has contributed 0.7 millimetres to global sea level rises every year since the mid-1990s. What is more, the poles are warming faster than anywhere else on Earth, with Greenland alone 5°C warmer in winter and 2°C in summer since then.

Although scientists predict it would take hundreds of years for them to melt even with huge global temperature increases, the latest study provides further cause for concern with mankind’s only realistic plan to avert runaway warming.

Many models of the 1.5-2°C scenario allow for the threshold to be breached in the short term, potentially heating the planet several degrees higher, before using carbon capture and other technologies to bring temperatures back into line by 2100. The study warns against this approach, however, saying that a feedback loop set off by higher temperatures would « lead to self-sustained melting of the entire ice sheet » even if those rises were later offset.

For Greenland, the team said with 95 percent certainty that major ice sheet decline would occur at 1.8°C worth of warming. For both Greenland and Antarctica, tipping points are known to exist for warming levels that could be reached before the end of this century.

Source: Nature Climate Change.

Vue de la calotte glaciaire du Groenland (Photo: C. Grandpey)

L’augmentation de l’humidité dans l’Arctique suscite des inquiétudes // Increasing humidity in the Arctic is causing concern

Comme je l’ai écrit à maintes reprises, l’Arctique se réchauffe plus vite que le reste de la planète et devrait donc devenir plus humide au cours des prochaines décennies. Une nouvelle étude publiée le 1er octobre 2018 dans les Geophysical Research Letters utilise les archives géologiques du Groenland pour expliquer les causes de cette humidité.

Depuis les années 1980, le réchauffement de l’Arctique est deux à trois fois plus important que la moyenne mondiale avec comme conséquence une forte réduction de l’étendue de la glace de mer, pouvant atteindre 40% en septembre depuis les années 1980.

L’augmentation de la température signifie que l’air peut retenir plus d’humidité. Les modèles concernant l’Arctique indiquent que le réchauffement conduira à une intensification du cycle hydrologique, avec une augmentation des précipitations de 50 à 60% en 2100, provoqué en grande partie par les fortes émissions de gaz à effet de serre.

Les auteurs de la dernière étude ont examiné ce qui s’est passé au cours du réchauffement climatique survenu il y a quelques 8 000 ans au Groenland, avec une plus forte humidité due à une augmentation des précipitations.

Deux processus climatiques différents peuvent contribuer à une humidité élevée dans l’Arctique. A mesure que la région se réchauffe, la glace de mer fond, exposant l’eau de mer au soleil. Cela augmente massivement l’évaporation et provoque la formation de plus de nuages ​​et de précipitations.

A mesure que la planète se réchauffe, l’humidité augmente davantage dans les régions plus proches de l’équateur. Cela crée un déséquilibre et finalement, de l’air humide des basses latitudes est aspiré par l’Arctique plus sec.

Pour en savoir plus sur l’histoire climatique de l’ouest du Groenland, les scientifiques ont analysé la boue contenue dans des carottes prélevées au fond d’un lac. Ces sédiments contiennent des matières organiques qui révèlent des informations sur le passé climatique de la région. Les chercheurs ont utilisé ces données géologiques pour déterminer que les deux processus précités avaient probablement contribué à une augmentation de l’humidité dans l’ouest du Groenland lorsque la région s’est réchauffée rapidement il y a 8 000 ans.

Les conditions météorologiques influent sur le contenu chimique des cires de feuilles. Celles-ci contiennent de petites quantités de deutérium, une forme rare d’hydrogène, et la concentration de deutérium peut augmenter ou diminuer en fonction de facteurs tels que l’humidité et les régimes de précipitations. Dans les cires de feuilles arctiques, les concentrations de deutérium fluctuent en fonction des précipitations locales ou des nuages ​qui ont parcouru de longues distances à partir des basses latitudes pour arriver dans la région.

Par ailleurs, des lipides complexes produits par des bactéries, ont également été utilisés comme marqueurs du climat passé. Leur composition varie en fonction de la température ambiante au moment où ils ont été produits. En conséquence, les scientifiques peuvent les utiliser pour reconstruire les tendances de la température préhistorique.

Ces indicateurs chimiques ont permis d’étudier les tendances anciennes en matière d’humidité et de précipitations dans l’ouest du Groenland, alors que la région se réchauffait il y a environ 8 000 ans.

Comme le suggèrent les observations actuelles et les projections des modèles, les deux processus identifiés pourraient à nouveau jouer un rôle et contribuer ainsi à d’éventuelles augmentations futures de l’humidité dans l’Arctique.

A l’échelle mondiale, les précipitations devraient augmenter de 1,6 à 1,9% pour chaque degré de réchauffement de la planète, mais ce chiffre est plus que le double dans l’Arctique. Une étude réalisée en 2014 a conclu qu’en 2091, les précipitations totales dans l’Arctique augmenteront de manière spectaculaire. La majeure partie de ces précipitations ne sera plus sous forme de neige, mais sous forme de pluie. L’auteur de l’étude précisait que l’augmentation des précipitations de 50 à 60% dans l’Arctique devrait être causée par le retrait de la glace de mer. C’est ce qu’il avait conclu au vu des simulations de 37 modèles climatiques utilisés pour prévoir les précipitations dans l’Arctique entre 2091 et 2100.

L’impact de l’augmentation des précipitations est difficile à prévoir. On peut toutefois raisonnablement penser que l’excès d’eau douce est susceptible d’altérer la salinité de l’Océan Arctique et nuire aux espèces marines. Une conséquence plus préoccupante serait une modification des courants océaniques. En effet, une salinité réduite et un écoulement de l’eau douce vers l’Atlantique Nord risque d’affecter la formation d’eau profonde. C’est un élément clé de la force de la circulation thermohaline, également connue sous le nom de circulation océanique méridienne de retournement Atlantique (AMOC).

Source : global-climat.

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As I have written many times, the Arctic is warming faster than the rest of the world and is likely to become more humid in the coming decades. A new study published on October 1st, 2018 in Geophysical Research Letters uses Greenland’s geological records to explain the causes of this moisture.
Since the 1980s, Arctic warming has been two to three times higher than the global average, resulting in a sharp reduction in the extent of sea ice, up to 40% in September since the 1980s.
Increasing temperatures mean that the air can retain more moisture. Arctic models indicate that the warming will lead to an intensification of the hydrological cycle, with an increase in rainfall by 50-60% in 2100, caused largely by high greenhouse gas emissions.
The authors of the latest study examined what happened during the global warming of Greenland some 8,000 years ago, with higher humidity due to increased precipitation.
Two different climate processes can contribute to high humidity in the Arctic. As the region gets warmer, sea ice melts, exposing seawater to the sun. This massively increases evaporation and causes more clouds and precipitation.
As the planet keeps warming, humidity increases further in areas closer to the equator. This creates an imbalance and finally, humid air from low latitudes is sucked in by the drier Arctic.
To learn more about the climate history of West Greenland, scientists analyzed the mud contained in samples taken from the bottom of a lake. These sediments contain organic matter that reveals information about the climate of the region. The researchers used these geological data to determine that the two processes mentioned above probably contributed to an increase in humidity in West Greenland when the region warmed up rapidly 8,000 years ago.
Weather conditions affect the chemical content of leaf waxes. These contain small amounts of deuterium, a rare form of hydrogen, and the concentration of deuterium may increase or decrease depending on factors such as humidity and precipitation patterns. In the Arctic leaf waxes, deuterium concentrations fluctuate with local precipitation or clouds that have travelled long distances from low latitudes to this region.
In addition, complex lipids produced by bacteria have also been used as markers of past climate. Their composition varies according to the ambient temperature at the time they were produced. As a result, scientists can use them to reconstruct trends in prehistoric temperature.
These chemical indicators made it possible to study the old trends in humidity and precipitation in West Greenland, as the region warmed around 8,000 years ago.
As suggested by current observations and model projections, the two identified processes could again play a role in contributing to future increases in Arctic moisture.
Globally, precipitation is projected to increase by 1.6 to 1.9 percent for each degree of global warming, but this is more than double in the Arctic. A 2014 study concluded that by 2091, total precipitation in the Arctic will increase dramatically. Most of this precipitation will no longer be in the form of snow, but in the form of rain. The author of the study stated that the 50 to 60% increase in precipitation in the Arctic is expected to be caused by the disappearanceof sea ice. This is what he concluded in the light of simulations of 37 climate models used to predict precipitation in the Arctic between 2091 and 2100.
The impact of increased precipitation is difficult to predict. However, it is reasonable to assume that excess freshwater is likely to alter the salinity of the Arctic Ocean and harm marine species. A more worrying consequence would be a change in ocean currents. In fact, reduced salinity and a flow of fresh water to the North Atlantic may affect the formation of deep water. This is a key element of the strength of the thermohaline circulation, also known as Atlantic Meridional Overturning circulation  (AMOC).
Source: global-climat.

Photos: C. Grandpey