Évolution du climat : du passé récent vers le futur

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 LA JAUNE ET LA ROUGE DE 2000 : LE RECHAUFFEMENT CLIMATIQUE
 
Évolution du climat : du passé récent vers le futur

 

 

Jean JOUZEL, Directeur de Recherches au Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement, rapporteur du GIEC,
Claude LORIUS, Directeur de Recherches au Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l’Environnement du CNRS
 


 

 

 


Cet article a été initialement publié, sous une forme un peu plus détaillée, par l’Académie des Sciences en 1999.

 

 

Le climat est un système extrêmement
complexe, régi par de multiples interactions entre différents réservoirs
(atmosphère, océan, hydrosphère, cryosphère, biosphère...). Un très large
spectre d’échelles de temps (de la journée à la centaine de milliers d’années)
et d’espace (échelle locale, régionale ou globale) y intervient. Cette
complexité explique que l’état de nos connaissances évolue lentement, tout au
moins aux yeux du grand public.

Cependant, nombreuses sont les avancées et
les découvertes qui ont jalonné notre domaine de recherches au cours des dix
dernières années. Ce sont elles qui ont nourri les rapports scientifiques du
GIEC/IPCC, auxquels ont contribué à différents titres (rédacteur, contributeur
ou relecteur) de nombreux chercheurs (environ 2.000 pour le rapport 1995).

Nous appuyant largement sur les
conclusions du rapport qui traite des aspects scientifiques du changement
climatique (groupe 1), nous nous proposons de faire le point sur ce problème du
réchauffement climatique dû à l’effet de serre additionnel qui résulte des
activités humaines. Nous examinons ensuite de quelle façon l’étude des climats
du passé a contribué à ce débat sur l’évolution future du climat et les raisons
pour lesquelles elle devrait continuer à y tenir une place importante.

 

 


 

 

 
Un degré de confiance qui augmente

 

Le constat de l’augmentation continue de
la concentration des gaz à effet de serre et du fait que cette augmentation
résulte des activités humaines fait désormais l’objet d’un consensus au sein du
monde scientifique. Il est à placer aux rangs des certitudes.

Les années récentes ont été parmi les plus
chaudes depuis 1860 (le début de la période d’instrumentation) et ce, malgré
l’effet de refroidissement dû à l’éruption volcanique du mont Pinatubo en 1991.
L’année 1997 a battu le record précédemment détenu par l’année 1995 et sera
battue par 1998. En moyenne globale, la température de surface a augmenté de 0,3
à 0,6 °C environ depuis la fin du XIXè siècle.

 

 

L’augmentation significative du niveau de
la mer observée au cours des 100 dernières années (10 à 25 cm) est, en grande
partie, imputable à la dilatation thermique de l’océan qui a résulté de cette
augmentation de température et, à un degré moindre, à la fonte des glaciers.
D’autres caractéristiques, comme l’augmentation plus importante des températures
nocturnes que des températures diurnes, sont bien documentées.

Et même si les données sont sur certains
points insuffisantes - par exemple, pour déterminer si des modifications de la
variabilité du climat ou de la fréquence des événements météorologiques extrêmes
se sont produites à l’échelle globale - les experts s’accordent en 1995, comme
ils l’avaient fait dans le premier rapport GIEC publié en 1990, pour affirmer
que le réchauffement du climat est une réalité.

 

 


 

 

 
Des modèles plus pointus

 

L’une des avancées significatives de
la période récente a été la prise en compte du forçage radiatif négatif (effet
de refroidissement) provoqué par les aérosols d’origine humaine (lesquels sont
les fruits de la pollution "locale" : poussières, SO
2).
Désormais pleinement reconnu, celui-ci reste encore difficile à cerner avec
précision.

Ces aérosols (essentiellement formés de
composés soufrés) sont présents sous forme de particules microscopiques en
suspension dans l’air. Ils proviennent, en particulier, de l’utilisation des
combustibles fossiles, et ont entraîné un forçage négatif direct d’environ 0,5
W.m-2 en moyenne globale, ainsi que, probablement, un forçage négatif indirect
d’une valeur comparable.

Le refroidissement susceptible d’en
résulter suit rapidement l’augmentation ou la diminution des émissions et est
concentré sur certaines régions et zones subcontinentales, alors que le
réchauffement lié à l’augmentation de l’effet de serre présente un caractère
global. Si l’on combine les deux effets dans les modèles climatiques, on
constate que la simulation des caractéristiques - géographiques, saisonnières et
verticales - des champs de température s’améliore notablement par rapport au cas
où seul l’effet de serre est pris en considération.

La comparaison entre réchauffement prédit
et observé depuis 1860 a été également significativement améliorée par la prise
en compte des aérosols soufrés qui, en outre, donne une explication plausible du
fait que la température se réchauffe plus la nuit que le jour (le forçage lié
aux aérosols n’intervient que le jour, car il n’intervient que sur la partie
visible du rayonnement).

 

 


 

 

 
Des séries historiques mieux documentées

 

À ceci s’ajoute une meilleure connaissance
des variations du climat au cours des derniers siècles. Différents indicateurs
conduisent les spécialistes des climats du passé à indiquer que la température
de l’air, en moyenne globale, est au moins aussi élevée au XXè siècle qu’elle ne
l’a été à toute autre époque entre la période actuelle et 1400 après J.-C. Des
travaux récents (Mann et al., 1998) confirment ce diagnostic (IPCC, 1996) et
indiquent que trois des huit dernières années ont été, dans l’hémisphère nord,
plus chaudes que n’importe quelle autre année depuis cette date.

Soulignons, cependant, que beaucoup reste
à faire dans ce domaine de la variabilité dite "récente" du climat ; à titre
d’exemple, les changements associés au petit âge glaciaire qu’a connu l’Europe
entre les XVè et XIXè siècles restent insuffisamment documentés à l’échelle
globale (Bradley et al., 1996).

Enfin, ce faisceau d’éléments est complété
par des études statistiques, dont la plupart ont permis de détecter des
changements significatifs démontrant que le réchauffement observé n’est
vraisemblablement pas d’origine uniquement naturelle. Aucun de ces éléments ne
constitue en soi une preuve, mais c’est leur convergence qui a conduit les
scientifiques à suggérer qu’il y a "une influence perceptible de l’homme sur le
climat global".

Les discussions qui ont eu lieu à la
conférence du Programme de recherche sur le climat (qui s’est tenue à Genève en
août 1997) indiquent que ce diagnostic, et l’esprit de prudence qui
l’accompagne, n’ont pas de raison d’être modifiés.

 

 


 

 

 
Le climat du XXIè siècle ?

 

Qu’en est-il maintenant des
prédictions pour le XXIè siècle ? Examinons d’abord celles relatives à
l’augmentation des concentrations des gaz à effet de serre. Le GIEC a établi un
ensemble de scénarios d’émissions basés sur différentes hypothèses concernant la
croissance démographique et économique, l’exploitation des sols, les progrès
technologiques et l’approvisionnement énergétique, et la façon dont les
différentes sources d’énergie contribueront à cet approvisionnement entre 1990
et 2100.

Le scénario correspondant aux taux d’émissions les plus élevés (lS92a), est
caractérisé par une augmentation rapide de la population, une croissance forte
et un approvisionnement énergétique largement basé sur l’utilisation des
combustibles fossiles ; il conduirait, à la fin du siècle prochain, à un
triplement de la concentration du CO
2
par rapport à sa valeur préindustrielle (de 280 ppmv, parties par million en
volume à 840 ppmv).

 

 

Le scénario le plus contraignant
(lS92c) est basé sur l’hypothèse d’une augmentation peu importante de la
population, d’une croissance économique faible et d’un approvisionnement
énergétique très diversifié ; ce scénario, qui correspond à des émissions
proches, voire inférieures, à leur niveau actuel, conduit néanmoins à une
augmentation significative de la teneur en CO
2
à la fin du siècle prochain (proche de 500 ppmv).

Il est donc important de noter que,
même si un effort est accompli en faveur d’un maintien des émissions à leur
niveau actuel (aux environs de 6 milliards de tonnes de carbone), les
concentrations auront néanmoins presque doublé en 2100. Les modèles indiquent,
en outre, que l’objectif d’une stabilisation de la concentration en CO
2
ne peut être atteint que si les émissions redescendent, à un moment donné, en
dessous de leur niveau actuel.

Pour chacun de ces scénarios,
l’accroissement du forçage radiatif est ensuite calculé entre 1750 et la fin du
siècle prochain, en tenant compte des autres gaz à effet de serre (dont l’ozone)
et des aérosols. Suivant les scénarios, cet accroissement varie de 4 à 8 W.m-2 ;
dans le cas extrême, ceci correspond à une perturbation du bilan énergétique de
notre planète supérieur à 3%.

Les modèles climatiques sont alors
utilisés pour prédire l’évolution du climat. Ces prédictions ont été réalisées à
partir de différentes hypothèses sur la "sensibilité du climat" (définie comme
l’augmentation de température qui résulterait d’un doublement de la teneur en
CO2 une fois l’équilibre climatique atteint). Le large domaine des
"sensibilités" choisies (de 1,5 à 4,5 °C, avec une valeur la plus probable de
2,5 °C) témoigne de nos incertitudes quant à la réaction du climat vis-à-vis
d’une augmentation des gaz à effet de serre.

En fait, la tâche du modélisateur
serait simple s’il suffisait de tenir compte de l’effet radiatif direct : une
augmentation de 4 W.m-2, correspondant à peu près à un doublement de la teneur
en CO
2, induirait,
une fois l’équilibre atteint, un réchauffement moyen de 1,2 °C. Mais les choses
sont plus complexes. Le réchauffement initial de l’atmosphère se transmet peu à
peu à l’océan, avec deux conséquences : un accroissement de l’évaporation et une
diminution de la glace de mer.

L’une et l’autre amplifient le
réchauffement initial à travers, d’une part, l’augmentation de la vapeur d’eau
atmosphérique et, d’autre part, la disparition de surfaces fortement
réfléchissantes. Et surtout, les modifications induites au niveau des nuages
sont mal connues et peuvent avoir des effets antagonistes, suivant le type de
nuages et leur altitude.

Les valeurs de la sensibilité du climat
mentionnées ci-dessus, toutes supérieures à 1,2 °C, indiquent que le forçage
radiatif direct est dans tous les cas amplifié. Leur grande dispersion est,
quant à elle, largement liée à la façon dont les modèles prennent en compte le
rôle des nuages.

Les conclusions les plus importantes du
rapport du GIEC (IPCC, 1996) concernent la température moyenne de la planète et
le niveau de la mer.

Dans l’hypothèse du scénario moyen du GIEC
(IS92e) avec la valeur la plus probable de la "sensibilité du climat" et la
prise en compte de l’augmentation de la concentration d’aérosols, l’augmentation
prédite de la température moyenne globale à la surface est d’environ 2 °C entre
1990 et 2100.

Le scénario d’émission le plus bas
(lS92c), avec une faible valeur de la "sensibilité du climat" et la prise en
compte de l’incidence de la progression prévue de la concentration d’aérosols
(qui sont un reflet de la pollution locale), conduit à prédire un réchauffement
d’environ 1 °C en 2100.

Le scénario d’émission le plus élevé
(IS92a) et une valeur forte de la "sensibilité du climat", conduisent à prédire
un réchauffement de 3,5 °C environ, qui pourrait aller jusqu’à 4,5 °C si les
aérosols étaient maintenus à leur niveau actuel. Dans tous les cas de figure, la
rapidité du réchauffement serait probablement plus élevée qu’elle ne l’a été à
toute autre période depuis 10.000 ans.

Une élévation du niveau moyen de la mer
est prévue, en raison du réchauffement des océans et de la fonte des glaciers de
montagne. La valeur la plus probable est de 50 cm, avec des valeurs extrêmes de
15 et 95 cm, indiquant l’incertitude attachée à cette prédiction. Une partie de
l’incertitude est due à celle associée à la "sensibilité du climat", mais une
plus large part résulte de notre connaissance insuffisante du cycle hydrologique
dans les régions polaires.

En cas de réchauffement, l’atmosphère
polaire contiendrait plus de vapeur d’eau et on peut s’attendre à une
augmentation des chutes de neige sur le Groenland et l’Antarctique. Ce phénomène
tendrait à diminuer l’élévation du niveau de la mer due à la dilatation de
l’océan, tout au moins pour quelques siècles, jusqu’à ce que l’accroissement de
la fonte des glaces ne devienne plus important que l’augmentation de
l’accumulation.

En fait, de grandes incertitudes sont
liées à notre mauvaise connaissance des bilans de masse du Groenland, et surtout
de l’Antarctique, ainsi que de leur évolution future en cas de réchauffement
climatique. En attendant de disposer de données satellitaires suffisamment
précises, il n’est pas possible de savoir si le volume des calottes glaciaires
augmente ou diminue. Il est aussi très difficile d’établir un lien éventuel
entre la débâcle récente d’immenses icebergs autour de la péninsule Antarctique
et le réchauffement du climat observé dans cette région (Vaughan et Doake,
1996).

Notons qu’en raison de l’inertie thermique
des océans, la température moyenne et le niveau de la mer continueraient à
augmenter au-delà de 2100, même si la concentration des gaz à effet de serre
s’est alors stabilisée. La température n’aurait alors progressé que de 50 à 90 %
vers son point d’équilibre ; le niveau de la mer continuerait à s’élever pendant
de nombreux siècles.

Une autre conclusion intéressante concerne
le renforcement du cycle hydrologique, qui résulterait de l’élévation de la
température. Celui-ci pourrait entraîner l’aggravation des sécheresses et/ou des
inondations à certains endroits et une diminution de leur intensité dans
d’autres.

 

 


 

 

 
Des incertitudes et des risques de "surprises"

 

Les modélisateurs sont bien conscients des
différentes sources d’incertitude. Dans les prédictions présentées dans le
rapport du GIEC, ils ont eu pour objectif de largement les prendre en compte
dans leurs estimations relatives à la température moyenne de la planète et au
niveau de la mer. Celles-ci peuvent donc être considérées comme fiables, dans
les limites indiquées ci-dessus.

Cependant, dans l’état actuel des
connaissances, la confiance est moindre dans les prédictions climatiques à
l’échelle régionale et dans celles qui concernent les précipitations et le cycle
hydrologique.

Mais les experts attirent aussi
l’attention, et ceci est un point tout à fait nouveau, sur la possibilité de
"surprises climatiques". Cette notion doit beaucoup à la découverte, par des
carottages glaciaires au Groenland, de l’existence de variations climatiques
rapides au cours de la dernière période glaciaire et de la transition qui a
conduit, il y a un peu plus de 10.000 ans, au climat actuel.

On a en effet constaté que cette région a
connu à cette époque un réchauffement des températures de 10 °C environ en
quelques dizaines d’années ; les changements du taux de précipitation et de la
circulation atmosphérique qui les accompagnent sont également importants et
encore plus brusques.

Le retour vers les conditions froides fut
d’abord lent, puis relativement rapide. Ces séquences en "dent de scie" d’une
durée de 500 à 2.000 ans se répètent une vingtaine de fois au cours de la
dernière période glaciaire (sur 100.000 ans environ).

Des résultats récents montrent que
celles-ci ne sont pas limitées au Groenland. D’abord, leur structure apparaît
extrêmement similaire à celles des événements rapides mis en évidence dans des
sédiments marins de l’Atlantique Nord (Bond et al., 1993).

Ensuite, à chacune d’entre elles
correspond généralement une augmentation significative (de l’ordre de 50%) des
teneurs en méthane de l’atmosphère ; celles-ci témoignent très probablement de
variations du cycle hydrologique continental aux basses latitudes (la production
"naturelle" du méthane est liée à l’étendue des zones inondées) et suggèrent que
ces événements rapides ont influencé le climat de l’hémisphère nord dans son
ensemble (Chappellaz et al., 1993).

De plus, l’analyse des sédiments marins
montre qu’il y a un lien entre ces événements et la décharge massive d’icebergs
provenant des grandes calottes qui existaient alors dans l’hémisphère nord (Bond
et al., 1993). Cette arrivée d’énormes quantités d’eau douce aurait alors
contribué à modifier la circulation océanique et par là même le climat,
fournissant ainsi une explication raisonnable à l’existence d’instabilités
climatiques en période glaciaire.

La découverte de variations climatiques
rapides, très probablement liées à des changements de circulation océanique, a
attiré l’attention les experts du GIEC sur la possibilité que des fluctuations
rapides et de grande ampleur surviennent dans le futur, de façon inattendue. De
telles surprises seraient synonymes de véritable bouleversement climatique (en
cas, par exemple, de modification notable des courants marins comme le Gulf
Stream).

Des simulations récentes y apportent une
certaine crédibilité, indiquant par exemple que le risque de modification de la
circulation thermohaline augmente en fonction à la fois du niveau de
stabilisation du CO2 et du rythme d’accroissement des concentrations conduisant
à cette stabilisation (Stocker et Schmitter, 1997).

Mais, même si de telles modifications ne
devenaient jamais réalité, les conséquences du réchauffement régulier qui
résulterait de l’augmentation de l’effet de serre en l’absence de toute
surprise, analysées de façon détaillée dans le rapport du groupe 2 du GIEC, sont
suffisamment bien établies pour qu’elles soient considérées très sérieusement.

 

 


 

 

 
Les données du passé : un élément essentiel dans le débat sur l’évolution du climat

 

Cette notion de surprise climatique
découle directement des découvertes réalisées, pour l’essentiel, au cours des
cinq dernières années, par les glaciologues, les paléo-océanographes et les
paléoclimatologistes continentaux.

Mais l’intérêt des recherches conduites
s’étend bien au-delà de ce seul aspect des variations climatiques majeures
survenant à l’échelle d’une vie humaine (et même plus rapidement).

Dans ce domaine de la variabilité du
climat, une connaissance détaillée des fluctuations au cours des derniers
siècles et millénaires est critique vis-à-vis de la détection du signal
anthropique.

Grâce aux études réalisées en milieu marin
(coraux) et continental (cernes d’arbres), ainsi qu’à partir de séries
glaciaires, cette connaissance a progressé et permet de mieux situer le
réchauffement observé au cours du XXè siècle dans sa perspective historique.
Elle reste cependant très insuffisante, en particulier sur le plan de la
couverture géographique.

L’intérêt des glaces polaires pour
reconstituer les variations des concentrations des gaz à effet de serre depuis
le début de l’ère industrielle a déjà été mentionné. Pour ces études portant sur
des variations relativement récentes, les données proviennent de sites à forte
accumulation de neige (sites côtiers de l’Antarctique, en particulier). Il est
également essentiel d’évaluer les autres composantes du forçage climatique,
qu’elles soient d’origine naturelle (aérosols volcaniques, activité solaire) ou
anthropique (aérosols produits par l’activité humaine).

Les glaces polaires contiennent sur chacun
de ces aspects des informations pertinentes. Ainsi, elles enregistrent, de façon
fidèle, le calendrier et l’intensité des éruptions volcaniques ; la
concentration des isotopes cosmogéniques (provenant du rayonnement cosmique) y
témoigne des variations de l’activité solaire.

De façon intéressante, il apparaît que la
"sensibilité du climat" dépend relativement peu de la période climatique
considérée ; elle peut donc être évaluée à partir des données du passé ; cette
approche ne requiert pas que soit complètement déchiffrée la complexité des
mécanismes des grands changements climatiques.

Il suffit, lorsque l’on se borne à cet
aspect "sensibi1ité du climat" que puissent être correctement estimés les
différents forçages qui opèrent, par exemple, à l’échelle des grands changements
climatiques. C’est le cas pour le dernier cycle glaciaire-interglaciaire grâce,
en particulier, au forage Antarctique de Vostok qui a permis de reconstituer
l’histoire des variations naturelles du gaz carbonique et du méthane et de
mettre en évidence (figure 9) leur lien avec les grandes fluctuations glaciaires
et interglaciaires (Lorius et al., 1990 ; Raynaud et al., 1993, pour un récent
article de synthèse).

 

 

 

 

Figure 9 - Variation, au cours des derniers l50.000 ans, de la concentration en gaz carbonique (en haut), de la différence de température au-dessus de l’Antarctique (la température actuelle est d’environ -55 °c), de la teneur en méthane (au milieu) et de la teneur en oxygène 18 de l’océan (en bas, échelle de gauche), indicateur du niveau de la mer (en bas, échelle de droite). Cette figure est adaptée de Raynaud et al. (1993).



 

 

Au regard de ces "paléodonnées", une
valeur de 3 à 4 °C pour la "sensibilité du climat", située dans la fourchette
utilisée dans les prédictions du GIEC, apparaît tout à fait réaliste. Nous
reconnaissons que cette approche a des limites, liées, en particulier, au niveau
de l’estimation précise de la variation de température moyenne de la planète
dans le passé et au fait que l’information ainsi déduite sur les rétroactions
climatiques n’est pas directement extrapolable au réchauffement climatique
(Ramstein et al., 1998).

Cependant, elle illustre bien le résultat
clé mis en évidence, à des degrés divers, par l’ensemble des modèles climatiques
 : ce sont des mécanismes d’amplification vis-à-vis du forçage radiatif lié à
l’effet de serre anthropogénique (et non d’atténuation) qui devraient opérer au
cours des prochaines décennies. D’ailleurs, les résultats obtenus à Vostok ont
joué un rôle important dans la prise de conscience de ce problème du
réchauffement climatique lié à l’augmentation des gaz à effet de serre.

L’extension récente de ce forage, qui
couvre désormais quatre cycles climatiques (Petit et al., 1997), devrait
permettre d’enrichir notre connaissance des interactions entre climat et effet
de serre dans le passé.

Les enregistrements paléoclimatiques
contiennent également des informations sur les mécanismes du climat. Les séries
marines ont démontré l’importance des variations d’insolation (Hays et al., 1976
 ; lmbrie et al., 1992, 1993) et des changements de circulation océanique
(Duplessy et al., 1992 ; Labeyrie et al., 1992).

Le rôle de l’insolation est également mis
en évidence dans les séries glaciaires (Waelbroeck et al., 1995, Jouzel et al.,
1996), aussi bien (figure 10) dans l’enregistrement des variations de la
température que dans celui de la composition isotopique de l’oxygène de l’air.
Cette dernière dépend du volume des glaces continentales, mais aussi du cycle
hydrologique (rythme des moussons), qui sont l’un et l’autre influencés par les
changements d’insolation.

Les glaces polaires contiennent aussi des
informations sur l’intensité de la circulation atmosphérique (Petit et al.,
1990). Les paléoclimatologistes portent actuellement une attention particulière
aux rôles respectifs de l’atmosphère et de l’océan dans le transfert
interhémisphérique des signaux climatiques, ceux par exemple associés aux
transitions climatiques et aux variations rapides (Jouzel et al., 1995 ; Sowers
et Bender, 1995 ; Yiou et al., 1995 ; Yiou et al., 1997 ; Blunier et al., 1998).

Enfin, glaces polaires et sédiments
témoignent des interactions entre climat et cycles biogéochimiques (gaz
carbonique, méthane...), d’une part, et entre climat et chimie atmosphérique,
d’autre part.

Notre communauté scientifique a pleinement
pris conscience de l’intérêt de mieux documenter les variations passées du
climat, d’en identifier causes et mécanismes, et de les modéliser de façon
réaliste. Une place de plus en plus importante est désormais faite à ces
recherches dans les grands programmes internationaux dédiés à l’étude du
changement global.

Dès son lancement, au milieu des années
1980, le programme international Biosphère Géosphère (PIGB) a intégré cette
dimension paléoclimatique à travers le projet PAGES (PAst Global changEs). Le
Programme de recherche mondial sur le climat vient, pour la première fois, de la
prendre en compte dans une des actions qu’il coordonne (CLIVAR : CLlmate
VARiability and predictability).

Ce programme, dont l’objectif est
d’améliorer la compréhension du système climatique, de mieux en appréhender la
variabilité, saisonnière et interannuelle, et de prédire son évolution à plus
long terme en réponse aux modifications induites par les activités humaines,
accorde une belle place à l’étude du climat passé de notre planète (CLIVAR,
1997).

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