Le climat, de l’observation à la prédiction

26 décembre 2013  - Ecrit par  Pierre Pansu Voir les commentaires

22 novembre 2013, 20h. Ce soir, à l’Institut Henri Poincaré (IHP), Hervé Le Treut parle des mathématiques et de la physique du climat à une soixantaine d’étudiants des universités parisiennes et d’élèves des classes préparatoires. Il rentre tout juste de Varsovie, où se tenait une convention, la Convention des Parties (COP) de l’Accord Cadre des Nations Unies sur la Changement Climatique (en anglais : UNFCCC)

Le canal principal par lequel les scientifiques peuvent informer cette négociation est le GIEC, Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat (GIEC, IPCC an anglais).

Le GIEC est une émanation d’organisations internationales relevant de l’Organisation des Nations Unies. C’est un outil de traduction de la science en direction des décideurs. Il ne se mêle pas de prendre des décisions, mais fournit des éléments de réflexion.

Hervé Le Treut dirige l’Institut Pierre Simon Laplace (IPSL), structure qui coiffe six laboratoires consacrés à des disciplines différentes : météorologie dynamique, chimie de l’atmosphère, océanographie... Ce qui rassemble ces disciplines, c’est la mise en commun d’outils d’observation ou de modélisation, dans le but d’étudier le système climatique comme un tout.

Le système climatique

Le système climatique se compose de composantes très diverses. On distingue principalement : l’atmosphère, peu dense, qui réagit rapidement ; l’océan, qui a davantage d’inertie, dans tous les domaines : dynamique, thermique mais aussi en termes d’absorption du carbone ; les glaciers ; le sol continental vecteur d’interactions multiples ; l’ensemble du monde vivant (dans les océans et les continents), qui est aussi un élément à part entière du système climatique.

Bien sûr, dès les débuts, la première motivation de la recherche climatique dans sa réalité quotidienne a été, et elle reste encore aujourd’hui la curiosité, le souci de comprendre. Dans les années 70 (Hervé Le Treut a commencé sa thèse à la fin de cette période), sont venus des besoins d’application qui ont aussi guidé le développement de la science. On voulait par exemple aider à gérer la terrible sécheresse qui sévissait au Sahel. Au fil des années, les sciences du climat sont devenues de plus en plus fortement tributaires de ce contexte social. Le rôle des émissions de gaz à effet de serre a été particulièrement important. Si l’on peut noter une augmentation systématique des émissions de carbone dans l’atmosphère depuis le début du XIXème siècle, elles ont fortement accéléré à partir des années 1950, produisant des effets induits qui ont commencé à devenir détectables à partir des années 90.

Si on regarde l’échelle de temps des 10000 dernières années (celle du développement de nos civilisations), on comprend mieux la rupture que représente le développement récent des activités humaines. On constate que la planète y a connu une longue période chaude et comparativement très stable, faisant suite à des périodes glaciaires. La documentation très précise qui en est possible montre en particulier que la concentration en CO2, CH4, NO2 y a été très stable, puis a bondi depuis 1950. Le propos de cet exposé est limité à ces échelles de temps, même si la Terre a connu une histoire très riche à des échelles de temps beaucoup plus longues.

A ces échelles de temps, le système climatique apparaît aussi comme un système unique où tout interagit. Les émissions de dioxyde de carbone liées à l’utilisation des combustibles fossiles, par exemple, celles liées à la déforestation, également, qui contribuent pour 10 à 20% du total, sont initialement absorbées pour un quart par l’océan, pour un quart par la végétation continentale, et pour la moitié restante par l’atmosphère. Les biologistes et écologues ont monté que la part absorbée par l’océan n’est pas inoffensive (acidification), et celle qui est absorbée par la végétation, le CO2 jouant un rôle d’engrais, n’est certainement pas neutre non plus (et peut déstabiliser les écosystèmes actuels). Mais ces trois réservoirs (atmosphère, océan, végétation) échangent continuellement du carbone entre eux.

Le cycle de l’énergie

Un autre cycle met en relation les différentes composantes du système climatique : celui de l’énergie. Aux échelles de temps évoquées, et en oubliant d’abord les perturbations anthropiques, la planète peut être considérée thermiquement en équilibre. Elle reçoit un rayonnement électromagnétique du Soleil (la plus grande part sous forme de lumière visible), en réfléchit une partie vers l’espace (30%), 20% sont absorbés par l’atmosphère et la moitié restante par le sol. Cette absorption correspond à un chauffage et le sol émet en retour pour se refroidir un rayonnement infrarouge qui est en presque totalité absorbé par l’atmosphère. Responsables de cette absorption beaucoup plus forte que dans le domaine visible : la vapeur d’eau, puis le CO2 (pourtant présent en faible quantité : 270 ppm, ou parties par millions en volume, avant l’ère industrielle). Cet effet rend la planète plus chaude de plus de 30°C, si l’on compare à une situation où l’atmosphère serait parfaitement transparente : c’est l’effet de serre naturel.

L’augmentation des gaz à effet de serre liée aux activités humaines ne concerne pas la vapeur d’eau qui a un cycle trop rapide (une à quelques semaines environ) pour être affectée directement. Les autres GES que nous avons cités ont des demi-vies d’au moins 100 ans, sauf le CH4 (10 ans). Les halocarbones (ou fréons) sont souvent encore plus stables (et représentent un peu plus de 10% des GES, en termes d’impact sur le bilan radiatif). L’augmentation de tous ces GES provoque un déséquilibre du bilan radiatif de la planète qui est de l’ordre d’un à quelques pour cent du rayonnement solaire reçu. Ces valeurs peuvent paraître faibles, mais retourner à l’équilibre thermique est susceptible d’induire un réchauffement de l’ordre de quelques degrés à la surface de la planète. Et quelques degrés de différence, c’est beaucoup. Lors de la dernière période glaciaire, la planète n’était plus froide que de 5 à 6 degrés en moyenne. Les fluctuations de la température moyenne observées pendant les 10000
dernières années sont de l’ordre du dixième de degré.

Le diagnostic du GIEC (dernier rapport en septembre 2013) mesure l’impact de l’homme sur le bilan radiatif de la planète, en essayant de brosser un panorama complet des perturbations de toutes natures qui peuvent se produire. Les gaz actifs chimiquement (et donc toxiques) contribuent assez faiblement : leur effet ne sera pas dominant à moyen terme même s’il complique fortement le diagnostic de court terme, car ces gaz ne s’accumulent pas dans l’atmosphère. On peut dire la même chose des aérosols (poussières, gouttelettes..), qui contribuent le plus souvent à réduire le bilan radiatif. Les effets astronomiques (soleil) apparaissent comparativement très faibles, à moins qu’on ne découvre un mécanisme amplificateur : plusieurs candidats existent, mais ils restent à valider. Le GIEC a consacré un gros travail à documenter l’incertitude qui affecte ces résultats (en recensant la dispersion des publications, en évaluant la compréhension qualitative qui soutient la quantification). On constate malgré tout que le forçage radiatif a doublé de 1950 à 1980 et à nouveau de 1980 à 2011.

La méthode de travail du GIEC

Nous avons vu que le GIEC a pour but d’évaluer la recherche, pas de la faire. Mais il a joué un rôle de coordination, vers la fin des années 90, en proposant aux laboratoires 6 scénarios « marqueurs » des évolutions possibles des émissions de gaz à effet de serre - choisis pour représenter un nombre d’études plus de dix fois supérieures. Ces scénarios ont servi de référence pendant près de 15 ans. Le plus économe en gaz à effet de serre propose qu’une émission maximale de CO2 de 8 milliards de tonnes de carbone sera atteinte vers le milieu de ce siècle : elle est déjà dépassée. Les plus gourmands de ces scénarios deviennent par contre plus vraisemblables (découverte et exploitation croissante d’autres combustibles fossiles). Selon les scénarios et selon les modèles, l’augmentation de température en 2100 peut ainsi atteindre 2 à 6 degrés.

Plus récemment, les négociations ont conduit le GIEC à proposer des scénarios basés sur des objectifs de maîtrise de la température. On peut alors travailler en mode inverse et calculer ce qui est nécessaire pour rester en dessous de 2° : diminuer drastiquement les émissions, d’un facteur 3 en quelques décennies. Certains modèles montrent même la nécessité « d’émissions négatives » vers la fin de ce siècle.

Les modèles

Ils reposent sur les lois fondamentales de la physique, et non seulement sur des données mesurées (un concept que le grand public a de la peine à percevoir). Il s’agit en premier lieu des équations de Navier-Stokes (1845), donc d’équations déjà anciennes. Le rêve d’une planète numérique a été détaillé dès 1922, mais Lewis Fry Richardson a constaté que le volume de calculs nécessaire était inaccessible à son époque. En 1963, Edward Lorenz a souligné l’instabilité de l’écoulement météorologique vis-à-vis de ses conditions initiales, ce qui limite la prévision déterministe à 10 jours. C’est là qu’il faut distinguer entre « météo » et « climat », aux échelles de temps très différentes : le climat, ce sont des statistiques sur plusieurs semaines, plusieurs années et même plusieurs décennies (en premier lieu des moyennes, mais aussi des statistiques d’évènements rares), dont l’évolution peut être prédite à plus long terme en réponse à des changements de l’insolation, de la composition chimique de l’atmosphère, de la déforestation, etc... Les modèles s’appuient aussi sur une distinction entre diverses échelles spatiales. N’importe quelle image satellitaire montre les grandes échelles de la circulation atmosphérique : convection et basses pressions de l’équateur, ceinture des déserts dans les régions subtropicales, dépressions des latitudes moyennes. Une hypothèse résulte à la fois de l’observation et de très nombreuses études théoriques (analyse dimensionnelle) : ces grandes échelles sont dominantes. Elles sont alors aussi proches des équilibres hydrostatiques (pesanteur versus pression) et géostrophiques (Coriolis versus pression) et les nombres de Froude et de Rossby sont petits, et voisins. Ce qui se passe à l’intérieur d’une structure à grande échelle est modélisé à partir d’équations plus empiriques, qui sont validées lors de campagnes d’observations. Les modèles récents (GIEC 2007, GIEC 2013) ont des mailles qui sont souvent de 100 kms ou moins, et incluent ainsi de nombreux processus de plus petites échelles, dynamiques, physiques, physico-chimiques, ou même biologiques.

L’IPSL développe un « Modèle du Système Terre » très exhaustif et modulaire (atmosphère et océan dynamique, chimie atmosphérique et aérosols, biogéochimie océanique, surfaces continentales, glaces marines, mis en relation par un coupleur sophistiqué qui doit gérer les états initiaux, les conditions aux limites, les changements de résolution d’une ou plusieurs composantes, etc...). L’ordre de grandeur de l’effort pour parvenir à un tel résultat est d’une centaine de personnes travaillant ensemble pendant 10 ans. Le code représente actuellement un ensemble de l’ordre du million d’instructions. Dans le monde, une dizaine de modèles aussi complets sont développés, parmi une quarantaine de modèles au total. Les modèles sont construits suivant des choix différents (numériques, dynamiques, physiques,...) qui conduisent à des résultats partiellement convergents et partiellement différents. Les expériences de comparaison entre résultats des modèles suscitées par le GIEC ont conduit à environ un millier d’études analysant différents aspects de la formulation des modèles, leur capacité à reproduire les climats passés et actuels, leurs projections en termes de climat futur. Ces études donnent lieu à des échanges de données très importants (une très grosse partie de la bande passante du réseau de
l’Université Pierre et Marie Curie !).

Conclusions

Les conclusions des études de modélisations concernant les climats futurs sont nombreuses. Tout d’abord, au rythme actuel, quelques décennies suffiront pour voir des changements notables. Les modèles récents, les observations accumulées sur plusieurs décennies confirment les prédictions faites dans les décennies précédentes par la première génération de modèles. Tous prévoient un réchauffement généralisé, plus forts sur les régions Arctiques et sur les continents - à l’exception parfois d’une zone éventuelle de refroidissement au Sud du Groenland, correspondant à un retrait vers le Sud du Gulf Stream. Quantitativement, les divergences sont grandes, toutefois : 2°C d’incertitude en fin de siècle sont liés à la formulation des modèles, et en particulier au traitement des nuages. Il n’y a peut-être rien d’irrémédiable à cette incertitude persistante : on a beaucoup progressé grâce aux observations, et une constellation de 6 satellites spécialement dédiés aux nuages et aux aérosols tourne autour de la Terre depuis quelques années maintenant.

Ce réchauffement, attendu par les modèles, confirmé par les premiers changements détectables, a des conséquences très directes et qui se vérifient également : relèvement du niveau de la mer (associé à la fonte des grands glaciers continentaux et à la dilatation des océans), fonte de la banquise arctique en fin d’été, perturbation des périodes de croissance de la végétation,...

Par contre, il peut y avoir des désaccords entre modèles concernant l’évolution future des précipitations. A très grande échelle spatiale et lorsqu’il s’agit de changements importants, les modèles s’accordent sur un certain nombre de points, qui sont aussi confirmés par les premières observations : climat plus humide le long de l’équateur, plus sec sous les tropiques et près de la Méditerranée. A échelle plus locale, ou quand le changement est plus faible, les modèles sont facilement en désaccord. Ceci s’explique par l’interdépendance des différentes régions. Si l’on prend le Sahel, une région très dramatiquement sensible aux aléas climatiques, où les modèles anticipent des futurs différents de l’un à l’autre, les
fluctuations dépendant de facteurs extérieurs multiples : moussons, phénomènes saisonniers. L’échelle locale est donc difficile, peut-être impossible, à prévoir dans le détail, du fait de dynamiques contradictoires entre sous-systèmes.

Ceci affecte en particulier le lien entre climat et végétation, un lien essentiel en termes d’impacts des changements climatiques. Des éléments d’évolution prêtent à consensus : dans les régions tropicales, la production de biomasse devrait décroître, alors qu’elle pourrait croître sous les latitudes moyennes, et à certains autres endroits (Europe centrale, Chine centrale, côte ouest des Etats-Unis et Argentine). Mais l’évolution des précipitations, vient compliquer le lien entre climat et végétation et cette difficulté de la prévision régionale rend délicate la discussion avec les politiques. Si, dans des régions promises à des épisodes importants de sécheresse (les Landes par exemple), les années de sécheresse alternent avec des inondations, planter des espèces adaptées exclusivement aux zones arides n’est pas une bonne idée.

En conclusion, le chemin est étroit : le climat est l’un des aleas parmi d’autres affectant le développement futur de la planète. Nous, scientifiques, devons veiller à ce que nos données ne soient pas mal utilisées.

Questions

Peut on prévoir des tendances qui conduisent à des perturbations
majeures ?

Cela dépend des paramètres et processus climatiques que l’on veut anticiper. Un réchauffement entrainera très naturellement des vagues de chaleur plus nombreuses. Mais la fréquence des cyclones, elle, est beaucoup plus difficile à cerner. Les observations récentes ne prouvent pas que plus le climat est chaud, plus il y aura de typhons dans le Pacifique. Les chiffres des assureurs par exemple, reflètent surtout l’augmentation des contrats d’assurance dans les zones littorales.
On a peu de recul. Les typhons plus puissants seront-ils plus nombreux ? Des arguments variés plaident en ce sens. Mais on ne comprend pas encore complètement le mécanisme qui produit ces typhons très destructeurs, les observations manquent encore, et nous devrons pendant encore quelques années nous contenter de risques imparfaitement établis.

Est-ce que si la température moyenne augmente de 6°, le climat peut
atteindre un nouvel équilibre ?

Sans doute. La planète peut se débarrasser de sa chaleur par de nombreux
moyens : convection (cumulonimbus), El Nino, etc... Mais cet équilibre sera différent de l’équilibre initial.

Quel est l’impact du réchauffement sur la production agricole ?

Le vivant est l’élément qui réagit le plus fortement au réchauffement.
Actuellement, ce sont les révolutions vertes (OGM, pesticides) qui
influent le plus sur la production agricole, et il est difficile de mesurer
séparément ces effets du réchauffement. Il y a ainsi eu majoritairement une augmentation de la productions agricole dans les régions chaudes, mais c’est un effet qui peut arriver à saturation (zone arables épuisées).
Les aspects démographiques jouent. En Afrique de l’Ouest, face à la croissance de la population, certains estiment que pour assurer
la nutrition de la population malgré des habitudes alimentaires qui changent, il faudrait multiplier la production agricole par 5.

Est il possible que la tendance s’inverse un jour ?

Les GIEC estime à 5% la probabilité qu’une part dominante du réchauffement observé soit un effet des fluctuations naturelles du climat. Dans ce cas on pourrait imaginer que le réchauffement actuel ne soit qu’une phase dans un mécanisme d’oscillation, avec donc une phase de refroidissement à venir. Mais les gaz à effet de serre sont là, les émissions augmentent, et plus ils augmentant plus les chances d’inversion s’amincissent.

La libération de méthane par dégel des terres gelées de Sibérie aurait
elle un impact ?

Oui, il y a du méthane fixé dans les sols gelés et au fond de l’océan. Si tout ce méthane était libéré, il y aurait des effets importants. Mais les scientifiques sont mal à l’aise, parce que, malgré des recherches importantes, il ne comprennent pas tout du méthane. La concentration atmosphérique en méthane a été multipliée par presque 3 en quelques décennies, puis s’est stabilisée, sans que l’on sache très bien pourquoi, puis vient de repartir à la hausse. Aussi, il y a 120000 ans, le climat était environ 2° plus chaud que maintenant, et l’on pourrait être dans des conditions proches de celles des décennies à venir. Or il y a eu un dégazage de méthane, mais pas très important. Les régions arctiques ont la capacité de fixer du méthane.

Quel avenir pour le Gulf Stream ?

Les modèles donnent tous un réchauffement de la France, mais divergent
dans leur prédiction du Gulf Stream. Le Gulf Stream est un courant chaud mais il est salé donc dense. Il plonge dans l’Atlantique Nord, sous l’eau douce issue de la fonte du Groenland, en quantité variable suivant les modèles, et cet effet tend à diminuer avec le réchauffement. Cela peut-il prendre la forme d’une transition brutale d’un équilibre à un autre ? Peut-être mais probablement pas avant la fin du siècle et pas au point de couvrir l’Europe de glace.

L’Australie, sous l’influence d’un leader climato-sceptique, a changé de
politique énergétique ?

Dans les pays anglo-saxons, cela recoupe une véritable ligne de démarcation entre différents partis politiques, et s’accompagne de l’action de lobbys. En France le paysage est moins tranché et il y a divers degrés dans ce que l’on appelle le climato-scepticisme. Cela comprend pour une part des arguments vraiment erronés, dont la répétition un peu partout résiste pourtant aux démentis des scientifiques. Par exemple, on dit que le Groenland aurait été entièrement vert au Moyen-Age. Ou encore que les scientifiques oublieraient de prendre en compte la vapeur d’eau dans leurs calculs. Tout cela est faux mais se répète indépendamment de l’effort de contradiction qu’on lui oppose. Ces contre-vérités s’accompagnent souvent d’une difficulté à distinguer entre des aléas de court terme et les évolutions climatiques aux échelles de quelques décennies. On peut par ailleurs noter une résistance à la tonalité d’un discours qui est vu comme exagérément catastrophiste. Mais il y a aussi des arguments qui méritent d’être débattus sur le fond : par exemple, comment mettre en perspective les effets du changement climatique et ceux des autres grands problèmes de développement, dans un contexte où des incertitudes scientifiques subsistent.

Le cycle « Une question, un chercheur » est une initiative commune de la Société Française de Physique, de la Société Mathématique de France et de l’Union des Professeurs de Spéciales.

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Pour citer cet article :

Pierre Pansu — «Le climat, de l’observation à la prédiction» — Images des Mathématiques, CNRS, 2013

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