« La grande arnaque du réchauffement global »

Piste rouge Le 10 octobre 2010  - Ecrit par  Ian Stewart Voir les commentaires (5)

Le comité de rédaction de Images des Mathématiques remercie les éditions Flammarion d’avoir autorisé la reproduction de cet article, extrait du dernier livre de Ian Stewart, intitulé La chasse aux trésors mathématiques (Traduction Olivier Courcelle) (voir notre recension).

L’étude du réchauffement global passe par des modélisations mathématiques qui aident à mieux comprendre comment l’atmosphère terrestre se comporterait face à des taux différents de rayonnement solaire, de gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone (${\rm CO}_2$) ou le méthane. Je ne parlerai pas ici des effets du méthane (en gros, plus il y en a, pire c’est) et, le changement climatique étant un sujet très complexe, ce qui suit n’a d’autre ambition que de faire un point rapide sur une erreur fréquemment commise.

La très grande majorité des scientifiques qui travaillent sur le climat est maintenant convaincue que l’activité humaine augmente la quantité de ${\rm CO}_2$ dans l’atmosphère, et que cette augmentation cause une hausse de la température. Quelques-uns sont pourtant d’un avis contraire. En mars 2007, la chaîne de télévision Channel 4 proposa un documentaire, The Great Global Warming Swindle (« La grande arnaque du réchauffement global »), qui faisait la part belle à ces voix dissidentes. L’un des points particulièrement mis en vedette concernait la relation observée de longue date entre température et ${\rm CO}_2$.

Le reportage montrait d’abord l’ancien candidat à la présidence américaine Al Gore, un fervent partisan de la réalité du changement climatique, en train de donner une conférence. Derrière lui se trouvait un graphique gigantesque montrant l’évolution de la température et du ${\rm CO}_2$ au cours du temps. Ces courbes, reproduites ici, sont issues de données de terrain, telles que peuvent en fournir les carottes de glace, par exemple.

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Données historiques de température et de CO2, d’après J. R. Petit et al., « Climate and atmospheric history of the past 420 000 years from the Vostok ice core, Antarctica », Nature, vol. 399, p. 429-436, 1999.

Les deux courbes montent et descendent presque simultanément, représentant de façon convaincante une liaison entre température et ${\rm CO}_2$. Mais le documentaire se plaisait aussi à souligner que la hausse des températures démarrait et se terminait avant celle du ${\rm CO}_2$, spécialement quand on regardait attentivement les données les plus récentes. Clairement, la hausse des températures causait celle du ${\rm CO}_2$ et non l’inverse. L’argument pouvait paraître crédible, et le documentaire s’attachait à lui donner beaucoup d’importance.

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La température varie toujours en premier (schéma simplifié à des fins pédagogiques).

La science du climat dépend fortement des modèles mathématiques des processus physiques qui influencent celui-ci. Le problème qu’elle propose est donc aussi mathématique que physique. Les meilleures données disponibles montrent que l’effet pointé est bien réel, que les creux et les bosses du ${\rm CO}_2$ apparaissent environ cent ans après ceux et celles de la température. Mais est-ce que cela prouve pour autant que la hausse des températures cause celle du ${\rm CO}_2$ plus que l’inverse ? Et au bout du compte, qu’est-ce que tout cela a à voir avec le réchauffement global ?

Remarquons avant tout que ces graphiques sont bien connus des climatologues et comptent effectivement pour beaucoup dans la preuve que la production humaine de ${\rm CO}_2$ cause une hausse de la température. Si ce graphe prouvait réellement que le ${\rm CO}_2$ n’était pas responsable d’une hausse des températures, les climatologues l’auraient probablement remarqué. Il pourrait certes s’agir d’une conspiration mondiale, mais les gouvernements seraient bien plus heureux s’il s’avérait que le réchauffement climatique n’est qu’une illusion, d’autant que ce sont eux qui financent la recherche. Si conspiration il doit y avoir, elle se trouve plus sûrement du côté de ceux qui essaient de nier la réalité du changement climatique. Il semble ainsi plus probable que les climatologues aient étudié les raisons de ce mystérieux décalage, et qu’ils soient parvenus à la conclusion qu’il ne montrait pas que le ${\rm CO}_2$ ne jouait pas de rôle significatif dans le changement de climat. Et c’est bien ce qu’ils ont fait, comme suffisent à le prouver trente secondes de recherches sur Internet.

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Que se passe-t-il aux temps A, B, C et D ?

D’abord, d’où viennent ces cent années de décalage ? L’histoire dans tous ses détails est assez compliquée, mais ses grandes lignes sont faciles à tracer en ayant à l’esprit le schéma ci-dessus, sur lequel il est aisé d’en suivre les étapes. Voici les faits les plus pertinents :

• Il existe un cycle naturel de changements de températures causé par des variations périodiques de la Terre sur son orbite, l’inclinaison de son axe et la direction vers laquelle pointent ces axes.

• La hausse des températures cause bien une hausse des niveaux de ${\rm CO}_2$, après un délai de dizaines ou de centaines d’années, le temps que la nature réponde à ce changement de température.

Remarquez d’abord que la plupart du temps, la température et les niveaux de ${\rm CO}_2$ augmentent (entre les temps B et C) ou baissent simultanément (entre les temps D et E). Cela montre que température et ${\rm CO}_2$ sont liés mais ne nous dit pas ce qui est la cause et ce qui est l’effet. En fait, chacun est la cause de l’autre.

Selon une grande majorité de climatologues, il se produit grosso modo ceci : au temps A, le cycle naturel a pour effet de faire baisser la température, mais pas de beaucoup. Au temps B, de l’ordre d’un siècle plus tard, les effets du ${\rm CO}_2$ deviennent visibles. Cette hausse se répercute sur la température, de manière plus rapide que la température sur le ${\rm CO}_2$. Et la température augmente. La température et le ${\rm CO}_2$ se renforcent mutuellement et atteignent leur maximum (aux temps B et C). Au temps C, le cycle extérieur de température et d’autres facteurs induisent le début d’une chute de température. Les niveaux de ${\rm CO}_2$ n’en subissent pas les effets jusqu’au temps D, mais juste après, et ce début de chute du ${\rm CO}_2$ renforce celle de la température, et les deux plongent de conserve. Cela continue jusqu’au temps E, à partir duquel le processus entier se répète.

Question suivante : qu’est-ce que cela a à voir avec le réchauffement climatique ?

Pas grand-chose.

Nous venons de décrire un cycle naturel qui ne nécessite aucune intervention humaine pour s’alimenter. Les termes « réchauffement global » et « changement climatique » ne réfèrent pas à une hausse des températures ou un changement dans le climat en tant que tel. Ils réfèrent très spécifiquement aux déviations du cycle naturel.

L’expression « réchauffement global » a d’abord été utilisée par les scientifiques dans ce sens. Il était aussi entendu que le débat tournait autour de la moyenne globale des températures à moyen terme, et non pas de moyennes locales à court terme. Cela a été assez mal compris, parce que des parties du globe peuvent être froides pour un temps, tandis que d’autres peuvent être plus chaudes. On utilisa alors l’expression « changement climatique » dans l’espoir d’éviter la confusion. Elle ne signifie pas « le climat change », et cela se produit pendant un cycle naturel, elle signifie : « le climat change d’une manière qui ne correspond pas au cycle naturel ».

Au cours du cycle naturel, comme nous l’avons vu, la température influe sur le ${\rm CO}_2$ et le ${\rm CO}_2$ influe sur la température. À l’action du cycle du rayonnement solaire sur l’atmosphère, les deux quantités répondent. Le problème du « réchauffement climatique » s’énonce ainsi : comment va évoluer le cycle si les humains rejettent de grandes quantités de ${\rm CO}_2$ dans l’atmosphère ? Mathématiquement, cela revient à insuffler une bonne bouffée de ${\rm CO}_2$ au système et à regarder comment il réagit. Et la réponse est la suivante : la température se met vite à monter car elle répond rapidement aux changements de ${\rm CO}_2$.

Ainsi, avec leur curieux décalage, les graphes montrent comment un système atmosphérique laissé à lui-même évolue quand il est soumis à une variation du rayonnement solaire incident. Le « réchauffement climatique » traite d’un tout autre sujet. De la façon dont réagit un système laissé à lui-même quand on le perturbe. Nous savons que l’activité humaine produit du ${\rm CO}_2$ depuis environ cinquante ans. Les carottes de glace montrent que son taux est significativement plus élevé que jamais auparavant. Il suffit de regarder le ${\rm CO}_2$ sur la partie droite du premier graphe de cet article. La proportion de ses divers isotopes (différentes formes d’atomes de carbone avec une masse atomique différente) montre que l’augmentation est principalement due à l’activité humaine, ce que confirme le niveau sans précédent de ${\rm CO}_2$ atteint de nos jours.

Pour tester l’hypothèse selon laquelle l’augmentation de ${\rm CO}_2$ conduit au réchauffement global, il faut perturber mathématiquement un modèle atmosphérique d’une manière qui corresponde à une augmentation de ${\rm CO}_2$, et regarder, dans ce contexte, les effets produits par cette augmentation.

Pour être plus précis, et pour bien montrer qu’il s’agit de mathématiques, je considère un modèle simple qui décrit comment la température $T$ et le taux de dioxyde de carbone $C$ évoluent au cours du temps. Il n’est pas « réaliste », mais possède les comportements sur lesquels est basée notre discussion et en illustre un des points clefs. Voici à quoi il ressemble :

\[ \frac{dT}{dt} = \sin t + 0,25 C -0,01 T^2 \]

\[ \frac{dC}{dt}=0,1 T-0,01C^2 \]

La température est forcée périodiquement (le terme en $\sin t$), ce qui modélise le changement de chaleur en provenance du Soleil. De plus, chaque changement sur $C$ produit un changement sur $T$ (le terme en $0,25 C$) et chaque changement sur $T$ produit un changement sur $C$ (le terme en $0,1 T$). Mon modèle est ainsi conçu qu’une température plus élevée provoque une élévation de ${\rm CO}_2$, et qu’une élévation de ${\rm CO}_2$ provoque une température plus élevée, tout comme dans le monde réel. Comme 0,25 est plus grand que 0,1, la température répond plus rapidement aux changements de ${\rm CO}_2$ que le ${\rm CO}_2$ ne répond aux changements de température. Je soustrais enfin les quantités $0,01 T^2$ et $0,01 C^2$ pour introduire dans le système les creux et les bosses dont l’existence est attestée.

Je demande maintenant à mon ordinateur de résoudre ces équations et je regarde le résultat obtenu. Voici trois images qui montrent comment $T$ (courbe noire) et $C$ (courbe grise) évoluent avec le temps. J’ai dessiné $4y-60$ plutôt que $y$, afin de rapprocher les deux courbes l’une de l’autre et de mieux voir leurs relations.

• Quand le système est laissé à lui-même, $T$ et $C$ fluctuent tous deux périodiquement, et $C$ reste légèrement derrière $T$. C’est ce décalage paradoxal qui, selon le documentaire télévisuel, signifie que l’augmentation de ${\rm CO}_2$ ne cause pas l’augmentation de température. Mais dans notre modèle, l’augmentation de ${\rm CO}_2$ cause bien l’augmentation de température, et ce grâce au terme dans la première équation, et le décalage persiste pourtant à exister. Ce décalage temporel est une conséquence de la non-linéarité du modèle, et non pas un décalage dans l’effet de ceci sur cela.

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Comment la température (en noir) et le CO2 (en gris) évoluent avec le temps. Remarquez que le C02 reste derrière la température.

• Quand je donne à $C$ une brève et soudaine augmentation au temps 25, $T$ et $C$ réagissent tous deux. Il s’avère malgré tout que $C$ reste toujours derrière $T$, $T$ qui ne semble d’ailleurs pas changer beaucoup.

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L’effet d’une soudaine augmentation de CO2 (en gris).

• Pourtant, si je dessine les changements en $T$ et $C$ intervenus entre les deux, je vois que $T$ commence à augmenter aussitôt que le fait $C$. Un changement sur $C$ se répercute donc immédiatement sur $T$. Il est aussi intéressant de constater que la température continue d’augmenter tandis que la bouffée de ${\rm CO}_2$ s’évanouit. La dynamique non-linéaire peut aller à l’encontre de l’intuition, raison pour laquelle nous devons utiliser les mathématiques plutôt que des arguments verbaux trop naïfs.

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Les différences en ${\rm CO}_2$ et température des solutions des modèles montrent que la température augmente immédiatement avec le CO2.

Ainsi le problème du « réchauffement global » ou du « changement climatique » n’est pas de savoir quoi cause quoi quand le système est livré à lui-même, puisque les deux augmentations de température et de ${\rm CO}_2$ se causent mutuellement. Les scientifiques du climat ne débattent pas sur ce point qu’ils connaissent depuis longtemps. Le problème est le suivant : que se passe-t-il quand on sait qu’une de ces quantités a soudain été changée par l’activité humaine. Ce décalage dont on a fait trop de bruit n’est pas pertinent pour cette question – il est même source de méprise. L’augmentation de la température résultante commence immédiatement [1].

Article édité par Étienne Ghys

Notes

[1Pour plus d’informations voir ce site ou celui-ci. Vous pouvez aussi jeter un œil sur ce qui s’est passé après l’émission de Channel 4 sur le site.

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Pour citer cet article :

Ian Stewart — «« La grande arnaque du réchauffement global »» — Images des Mathématiques, CNRS, 2010

Commentaire sur l'article

  • « La grande arnaque du réchauffement global »

    le 12 octobre 2010 à 08:49, par parisse

    Je me permets de donner quelques précisions sur le modèle présenté. D’abord je pense qu’il serait plus réaliste de faire apparaitre la hausse de CO2 anthropique (qui a débuté il y a environ 200 ans) au maximum de CO2 (et non presque au minimum comme dans l’exemple), ça donnerait une idée plus réaliste de notre situation.
    Ensuite, il est peut-être utile de rappeler aux lecteurs que la période du forçage sinusoidal, pris comme étant 2*pi ici, correspond dans la théorie de Milankovitch à des échelles de temps de dizaines de milliers d’années (le forçage astronomique comprend un développement en série de Fourier avec des périodes fondementales proches de 20 000 ans pour la précession, 41 000 ans pour l’obliquité et 100 000 ans pour l’excentricité).
    Les termes « de friction » -0.01*T et -0.01*C se justifient par observation des carottes glaciaires, mais aussi par des considérations de physique : en effet le rayonnement émis par la Terre est proportionnel à T^4 (plus la température est élevée plus la Terre émet de l’énergie ce qui aura tendance à faire diminuer la T), et l’océan (qui contient environ 50 fois plus de C que l’atmosphère) exerce une « force de rappel » si le taux de C atmosphérique varie (par des lois d’équilibre à la surface de l’océan). On peut donc voir le modèle sans forçage sinusoidal comme le linéarisé du climat au voisinage d’une valeur de (T,C), et quantifier (au moins en ordre de grandeur) les constantes pour aboutir à un modèle un peu plus réaliste, que l’on peut enfin améliorer en tenant compte de paramètres supplémentaires, en particulier l’évolution de la cryosphère.

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  • « La grande arnaque du réchauffement global »

    le 13 octobre 2010 à 08:44, par Serma

    N’y aurait-il pas une faute de frappe dans la description des points A, B, C et D dans le diagramme simplifié ?

    Il est écrit : « il se produit grosso modo ceci : au temps A, le cycle naturel a pour effet de faire baisser la température, mais pas de beaucoup ».

    Je verrais plutôt : « il se produit grosso modo ceci : au temps A, le cycle naturel a pour effet de faire MONTER la température, mais pas de beaucoup ».

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  • « La grande arnaque du réchauffement global »

    le 18 octobre 2010 à 08:07, par Marc JAMBON

    Votre article est très intéressant, il peut laisser penser que nous sommes dans un cycle naturel de réchauffement. J’ajouterais pour ma part qu’il existe une loi universelle, la loi de l’action et de la réaction, qui s’appelle loi de Le Chatelier en physique, mais qui s’applique partout, en chimie, biologie économie, sciences sociales etc... Pour ce qui est de l’augmentation de CO2 dans l’atmosphère, admettons que cela produise un effet de serre et qu’il y ait élévation de température, l’élévation de température entraînera plus d’évaporation, donc plus de nuages qui finiront par retomber sous forme de pluie ; plus d’humidité, de chaleur et de gaz carbonique, voilà tous les ingrédients pour développer la végétation qui à son tour absorbera plus de gaz carbonique par photosynthèse.

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    • « La grande arnaque du réchauffement global »

      le 20 octobre 2010 à 22:51, par Damien Calaque

      Votre article est très intéressant, il peut laisser penser que nous sommes dans un cycle naturel de réchauffement.

      Il me semble que vous faites un contresens.

      J’ajouterais pour ma part qu’il existe une loi universelle, la loi de l’action et de la réaction, qui s’appelle loi de Le Chatelier en physique, mais qui s’applique partout, en chimie, biologie économie, sciences sociales etc...

      Les théories réductionnistes et totalisantes sont rarement scientifiques.

      Par ailleurs la loi en question ne dit pas ce que vous lui faites dire : par exemple, elle est « applicable dans le cadre d’un déplacement d’équilibre, et non pas d’une rupture d’équilibre ».

      Enfin, le climat est tout sauf un système physico-chimique en état d’équilibre.

      Pour ce qui est de l’augmentation de CO2 dans l’atmosphère, admettons que cela produise un effet de serre et qu’il y ait élévation de température

      Le CO2 est un gaz à effet de serre. Point. Même les climato-sceptiques ne remettent pas cela en cause.

      l’élévation de température entraînera plus d’évaporation, donc plus de nuages qui finiront par retomber sous forme de pluie ; plus d’humidité, de chaleur et de gaz carbonique, voilà tous les ingrédients pour développer la végétation qui à son tour absorbera plus de gaz carbonique par photosynthèse.

      Ce scénario est-il étayé par des observations ? Pourquoi y aurait-il une augmentation des précipitations ? En combien de temps aura lieu le « retour à la normale » ? Passera-t-on par des « transitions de phases » brutales accompagnées de phénomène climatiques extrêmes, ou les choses se produiront-elles en douceur ? Le café du commerce, c’est par où ?

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  • « La grande arnaque du réchauffement global »

    le 23 juin 2014 à 12:11, par interrogations

    Bonjour,
    Je suis novice dans ce domaine et j’ai quelque questions car je m’etonne d’une des hypotheses qui servent a la construction de ce modele mathematique et de la simplicité de celui-ci.
    S’il est acté que le CO2 augmente apres l’augmentation de la temperature, cela semble etre un fait dans cet article, 1/ pourquoi faire varier la temperature par une variation du CO2 (on voit au point C que la temperature commence de diminuer alors que le CO2 est en forte augmentation)
    2/ pourquoi le modele mathemathique ne prend pas en compte les autres parametres qui agissent sur la temperature ?
    3/ pourquoi n’y a t-il pas de prise en compte d’une erreur dans ce modele ? connaissons nous aujourd’hui tous les parametres qui agissent sur la varitation de temperature ? savons nous les quantifier ? en % ?
    Merci de prendre le temps de repondre a mes questions.
    Bonne journée

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Cet article fait partie du dossier «Mathématiques de la planète Terre (2013)» voir le dossier

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