Les variations climatiques "pour les nuls"

La mise en évidence de ces variations climatiques "actuelles" peut être faite soit localement, ce que tout le monde ressent plus ou moins, soit de manière plus quantitative à l'échelle locale ou globale. Mais il faut faire attention à ne prendre en compte qu'une tendance sur le long terme, avec des marqueurs qui moyennent une évolution sur plusieurs années, et non pas tel ou tel évènement météorologique exceptionnel local ou temporaire.

On peut accumuler les indices locaux. Citons en cinq sous forme d'inventaire (très partiel) à la Prévert.

La mise en évidence globale peut être faite en mesurant la montée du niveau des océans. La mer est sensible à la dilatation thermique et à la fonte des glaciers, et cette montée des mers intègre ces deux phénomènes sur tout le globe. Depuis 1880, les mers sont remontées de 22 cm, soit une moyenne de 1,6 mm/an sur ces 136 dernières années. On assiste à une accélération de cette montée depuis les années 1960. La moyenne a été de 3,3 mm/an ces 20 dernières années.

Et on peut mesurer l'augmentation de température moyenne du globe depuis qu'il y a suffisamment de stations météorologiques autour de globe pour faire des statistiques significatives, c'est-à-dire depuis approximativement 1850, et surtout depuis 1960 et l'avènement des satellites météorologiques. Et là, le verdict est "terrible" et implacable : depuis 1850, la température moyenne de la Terre a augmenté de presque 1°C, augmentation qui peut se décomposer en quatre périodes : (1) température en moyenne stable entre 1850 et 1910, (2) augmentation d'un demi degré de 1910 à 1940, (3) stagnation de 1940 à 1980, (4) augmentation d'un demi degré depuis 1980.

Le principal "accusé" de cette augmentation de température est le CO₂ atmosphérique. Le CO₂ est un gaz à effet de serre (GES), il absorbe le rayonnement infra-rouge émis par la Terre chauffée par le Soleil, ce qui renvoie vers le sol une partie de cette chaleur (cf. Effet de serre et cycle du carbone : deux clés indispensables pour bien comprendre les variations climatiques, première partie). Cet effet de serre est un phénomène parfaitement naturel, dû au CO₂, mais aussi à la vapeur d'eau, au méthane atmosphériques… Sans cet effet de serre naturel, la température moyenne de la Terre serait de -18°C ; elle était de +14°C en 1850. Merci l'effet de serre naturel ! Le problème c'est que depuis le début de la révolution industrielle, l'Homme produit beaucoup de CO₂ qui se rajoute aux flux naturels entrant et sortant de l'atmosphère. La photosynthèse des plantes et du plancton, la dissolution du CO₂ dans les mers froides, l'altération des roches de la croûte terrestre... absorbent environ 800 Gt/an (milliards de tonnes par an) de CO₂. La décomposition des végétaux et des forêts, le relâchement de CO₂ par les eaux chaudes, la respiration, le volcanisme... dégagent environ 800 Gt/an de CO₂ par an, ce qui fait que la teneur "hors effet anthropique" est globalement stable depuis au moins 20 000 ans, sauf temporairement pour causes d'évènements exceptionnels (éruption volcanique majeure…), cf. Effet de serre et cycle du carbone : deux clés indispensables pour bien comprendre les variations climatiques, deuxième partie. À ce bilan équilibré, il faut rajouter donc un nouvel apport, et à sens unique : la société industrielle qui s'est mis à brûler du charbon, puis du pétrole et du gaz, à déboiser à outrance… Pendant la seule année 2015, l'humanité a rejeté 32 Gt de CO₂ issues principalement des combustibles fossiles, qui se sont rajoutées à ce qui y était déjà, et seule une petite moitié a été absorbée par l'océan (ce qui l'acidifie et en pose des problèmes biologiques). D'aucuns prétendent que 32 Gt, voire 16 si on ne prend en compte que ce qui va dans l'atmosphère, c'est bien peu par rapport aux flux naturels entrant et sortant (800 Gt/an) ; cela ne fait que 2%. Mais 2% chaque année et toujours dans le même sens ! À ce rythme, 50 ans suffisent largement pour doubler le CO₂ atmosphérique. L'Homme a cessé d'être quantitativement négligeable par rapport à la nature ! Cette augmentation se produit en s'amplifiant sans cesse depuis 1850, et la teneur de l'atmosphère en CO₂ est passé de 280 ppmv (partie par million en volume) en 1850 à 400 ppmv en 2015, soit plus de 40% d'augmentation en 165 ans.

L'effet de serre est un phénomène physique bien connu depuis la fin du XIX^ème siècle, étudié entre autres par le physicien suédois Svante Arrhenius (1859-1927). C'est de la physique de base ! Svante Arrhenius, en 1896, s'inquiétait déjà des effets de la combustion du charbon qui devenait importante en cette fin de XIX^ème siècle. Il a calculé, avec la physique et les données de l'époque, que doubler la teneur en CO₂ atmosphérique entrainerait une augmentation de la température terrestre de 5°C. Ce type de calcul reste parfaitement valable, et même si les modèles ont été considérablement affinés depuis, modulés par des interactions complexes, par exemple avec les nuages, l'ordre de grandeur du réchauffement conséquence de cette hausse anthropique de CO₂ reste le même : quelques degrés. Néanmoins, il ne faut pas oublier que, si la hausse anthropique du CO₂ est une cause majeure et de plus en plus importante du réchauffement, cela ne signifie pas bien sûr que des causes naturelles de second ordre (variation de l'activité solaire, éruption volcanique majeure…) n'existent pas ; elles peuvent interférer et "moduler" (atténuer ou augmenter temporairement) le réchauffement qui a lieu depuis 150 ans. Ces causes naturelles de second ordre sont souvent ignorées par certains (les « ayatollahs verts »), amplifiées et exacerbées par d'autres (les climato-négationnistes).

Et là, l'ignorance et/ou l'aveuglement et/ou la mauvaise foi des climato-septiques et autres climato-négationnistes deviennent un cas d'étude… pour les sciences humaines, et non pas pour les sciences des climats. Ne parlons pas des quelques rares extrémistes qui nient le réchauffement. La majorité des climato-négationnistes l'admettent du bout des lèvres, mais refusent que l'Homme en soit le responsable principal. Cette attitude est une prise de position politico-philosophique, pour ne pas dire le résultat d'une démarche économique et financière, qui ne résiste pas à un examen scientifique objectif. En effet, (1) on observe et mesure un réchauffement climatique mondial ; (2) on observe, mesure et explique (par notre consommation carbonée) une hausse du CO₂ atmosphérique ; (3) la physique la plus basique et classique explique qu'une hausse de CO₂ doit s'accompagner d'une hausse de température, et (4) cette physique de base trouve les bons ordres de grandeur de réchauffement. Dans n'importe quel procès, cela suffirait à faire condamner l'accusé ! Les gens qui nient l'action anthropique dans ce réchauffement devraient nous expliquer : (1) pour quelle(s) raison(s) mystérieuse(s) la hausse mesurée du CO₂ (gaz absorbant les infra-rouges) ne provoquerait pas de réchauffement ; (2) quel(s) serai(en)t le(s) phénomène(s) mystérieux qui provoquerai(en)t cette hausse des températures, et (3) pourquoi la valeur (en ordre de grandeur) du réchauffement provoqué par ce(s) phénomène(s) mystérieux serait la même que celle que prédit la physique classique avec l'effet de serre.

Source - © 2016 Climatic Research Unit, University of East Anglia

Figure 1. Évolution comparée de la température moyenne mondiale et du CO₂ atmosphérique depuis 1850

Par convention, c'est ici la température moyenne de 1960 qui sert de référence (anomalie = 0).

La similitude des courbes suggère une relation, d'autant plus que la physique de base prédit une évolution conjointe. Les différences entre les deux courbes sont également riches d'enseignement. Si au premier ordre le CO₂ semble le facteur majeur, il y en a d'autres, non anthropiques, qui "modulent" la régularité de l'augmentation : variations de l'activité solaire, épisodes volcaniques importants, variations des couplages océan/atmosphère dont El Niño est le plus célèbre...

Un des arguments des climato-négationnistes, c'est qu'il y a toujours eu des variations naturelles du climat. C'est vrai ! Mais cet argument a la même valeur que celui qui, parce qu'il existe des morts naturelles, nierait l'existence des meurtres. Pour les temps historiques, il y est possible d'étudier des textes qui décrivent les climats, qui donnent la date des récoltes et des vendanges… Des études géologiques étudient les moraines des anciens glaciers alpins, les isotopes des glaces et neiges polaires et les cernes des vieux arbres… Toutes ces études montrent que le climat a varié depuis 2000 ans. Les historiens se rappellent le Petit Âge Glaciaire entre 1500 et 1850, avec ses hivers froids, ses famines… Ils se rappellent aussi l'Optimum Climatique Médiéval avec les vendanges dans la région d'Amiens et les Vikings qui s'étaient installés au Groenland et qui y pratiquaient une certaine agriculture. Mais ces variations étaient plus faibles que celles qui arrivent depuis un siècle, et, surtout, moins rapides. L'origine de ces variations n'est pas à rechercher dans le CO₂ qui ne varie que très peu avant 1850. Il est probable qu'une série de baisses d'activité du Soleil entre 1250 et 1800 (baisses connues sous les noms de minima de Wolf, Spörer et Maunder) ait joué un rôle. Il est possible que la colossale éruption du volcan Samala (Indonésie) en 1257 ait eu aussi une action dans ce refroidissement.

Source - © 2007 D'après le 4ème rapport du GIEC / Météo France, modifié

Figure 2. Variations de la température moyenne à la surface de l'hémisphère Nord au cours des 1 300 dernières années

La référence (anomalie = 0) est la température moyenne enregistrée pendant la période 1961-1990.

Données obtenues à partir de 12 reconstitutions fondées sur de multiples données climatiques indirectes, sensibles à la température (cernes de croissance des arbres, forage de glace…) et d'enregistrements instrumentaux (représentés en noir). La courbe noire en tirets épais correspond à un lissage empirique « à la main » des différentes reconstitutions.

Depuis le XVIII^ème siècle, les géologues alpins avaient été intrigués par des éléments morphologiques "étranges". Par exemple, on pouvait trouver en périphérie des Alpes de gros blocs rocheux étrangers à leur substratum (les blocs dits erratiques), par exemple des blocs de granites posés sur les sommets calcaires du Jura, ou le Gros Cailloux lyonnais, bloc de quartzite triasique posé au sommet de la colline de la Croix-Rousse (cf. Le Gros Caillou de la Croix-Rousse et Bordure de la calotte glaciaire du Groenland). Les vallées alpines avaient une morphologie en U, qu'on ne retrouvait pas dans d'autres régions...

C'est en 1837 qu'un géologue américano-suisse, Louis Agassiz (1807-1873), comprit que ces éléments morphologiques étaient dus aux glaciers des Alpes qui, en des temps reculés, recouvraient le Jura et atteignaient Lyon. Les variations climatiques au cours du Quaternaire venaient d'être découvertes. Cent soixante-dix ans plus tard, ces variations climatiques sont quantifiées et datées par de nombreuses études, en particulier l'analyse des carottes glaciaires antarctiques et groenlandaises, et expliquées par les études astronomiques du Croate Milutin Milankovitch (1879-1958). Ces carottes polaires permettent de "mesurer" la température (au niveau des pôles) et d'analyser l'atmosphère ancienne en particulier son CO₂, et, ce, sur les derniers 800 000 ans (en attendant que l'on fore de la glace plus vieille). Les périodes glaciaires froides (qui durent environ 80 000 à 100 000 ans) et les périodes interglaciaires "chaudes" (qui durent environ 20 000 ans) alternent approximativement tous les 100 000 ans, avec une amplitude plus ou moins grande. Nous sommes actuellement en période interglaciaire "chaude" depuis 15 000 ans. Les calculs de Milankovitch avaient permis de calculer les variations d'insolation que reçoit la Terre dans son ensemble, et plus particulièrement les hautes latitudes de l'hémisphère Nord, du fait des variations périodiques des paramètres de l'orbite et autres caractéristiques astronomiques de la Terre. Ces variations astronomiques sont essentiellement la précession des équinoxes, la variation de l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre sur l'écliptique et la variation de l'ellipticité de l'orbite de la Terre. Si on compare les résultats climatiques venant des carottes polaires et les calculs de Milankovitch, le résultat est assez stupéfiant : (1) Les variations climatiques ont le même rythme que les variations astronomiques ; (2) il y un très bon parallélisme entre les variations climatiques et le CO₂ atmosphérique, le CO₂ est élevé (280 ppmv) en période chaude et bas (180 ppmv) en période froide ; (3) les variations sont rapides au sens géologique, mais paraitraient lentes au sens humain. La dernière déglaciation a duré 5 000 ans, à comparer aux 1 à 3 siècles du réchauffement actuel ; (4) les variations climatiques commencent très légèrement avant les variations du CO₂ atmosphérique.

Source - © 2004 D'après le Données du forage Concordia / Météo France, modifié

Figure 3. Variations conjointes de la température antarctique (en haut) et du CO2 atmosphérique (en bas) depuis 800 ka

Le parallélisme des deux courbes est manifeste. Les variations en Antarctique sont de 10 à 12°C entre périodes chaudes et froides. Elles ne sont "que" de 5 à 6°C en moyenne pour la moyenne de l'ensemble de la planète. Les variations climatiques et atmosphériques post-1850 sont invisibles à cette échelle, car contenues dans le trait noir figurant l'axe des ordonnées.

Comment expliquer ce parallélisme entre astronomie, température et CO₂ ? Comme il est raisonnable d'exclure que ce soient les variations climatiques et/ou atmosphériques qui modifient l'orbite de la Terre, ce sont les variations astronomiques qui modifient le climat. Ce sont elles le facteur déclenchant. Mais quand on calcule les variations de températures que devraient engendrer ces variations astronomiques, on trouve des amplitudes bien inférieures à ce qui est observé. Et pourquoi les variations du CO₂ suivent-elles les variations de température au lieu de les précéder ? Indépendamment des flux anthropiques (négligeables avant 1850, et nuls avant la révolution néolithique), il existe des flux naturels de CO₂. Par exemple, un réchauffement climatique augmentera le dégazage du CO₂ océanique dans les zones chaudes et limitera son absorption dans les zones froides. Un réchauffement favorisera plus la décomposition des sols qu'il ne favorisera la photosynthèse, et on peut multiplier les exemples d'interactions de ce type. Un réchauffement, quelle qu'en soit la cause (astronomique par exemple) entrainera une augmentation du CO₂ atmosphérique, qui entrainera une augmentation de l'effet de serre et de la température, qui entrainera une augmentation du CO₂… Un bel exemple d'« effet boule de neige ». Depuis quelques millions d'années, les variations astronomiques jouent le rôle de déclencheur des variations climatiques ; le CO₂ joue un rôle d'amplificateur, mais quel amplificateur ! Depuis 150 ans, les paramètres astronomiques terrestres n'imposent aucun changement au climat, mais l'Homme augmente considérablement l'amplificateur. Dans le domaine des amplificateurs "audio", si on augmente trop l'amplification et qu'il y a des boucles de rétroactions, il se produit un emballement, par exemple le célèbre effet Larsen. Que serait un effet Larsen climatique ? Il serait peut-être sage de ne pas tenter l'expérience, ce que nous sommes pourtant en train de commencer à faire.

Les géologues savent depuis au moins 150 ans que le climat a varié au cours des temps géologiques. Ils ont plusieurs outils à leur disposition. Ils étudient les fossiles car il y a des organismes caractéristiques de tel ou tel climat, comme les coraux fossiles caractéristiques des climats chauds ; ils étudient les roches sédimentaires car il y a des roches caractéristiques des climats froids, comme les moraines fossiles, ou des climats chauds, comme les latérites fossiles. Ils étudient aussi les différents isotopes de tel ou tel élément dans les roches, les trois isotopes de l'oxygène par exemple s'incorporent différemment dans les roches en fonction de la température. Les géologues peuvent ainsi reconstituer le climat en chaque lieu du globe et pour chaque époque. Par exemple, il régnait un climat glaciaire en France il y a 580 Ma (Ma = million d'années) car on trouve des moraines glaciaires en Normandie à cette époque. Puis le climat français devient chaud, et le reste jusque vers -20 Ma d'années, car on trouve par exemple des coraux fossiles, des forêts" équatoriales" fossiles, des latérites fossiles… durant toutes ces époques un peu partout en France. Puis le climat français se refroidit pour devenir « comme maintenant » (c'est-à-dire avec alternance de périodes glaciaires et interglaciaires) depuis environ 6 à 10 Ma d'années. Ce qui est fait pour la France doit être fait pour toutes les régions du monde, pour savoir si les variations climatiques françaises sont représentatives de variations mondiales, ou dues à la dérive des continents qui peut promener la France du "pôle à l'équateur". Par exemple, il y a 300 Ma (époque nommée le Carbonifère), il y avait des forêts de type "équatorial" en France, mais il y avait une calotte glaciaire qui recouvrait la Namibie. Or, à l'époque, la France était sous l'équateur et la Namibie au pôle Sud. Le climat global il y a 300 Ma ressemblait au climat actuel. Par contre, il y a 100 Ma par exemple (époque nommée le Crétacé), il n'y avait aucun glacier, même pas aux pôles. L'Antarctique était déjà au pôle à cette époque, mais des dinosaures parcouraient ce continent. La température moyenne du globe au Crétacé était environ 15°C plus élevée que maintenant.

Depuis 600 Ma, le climat moyen mondial est plus chaud que maintenant d'une bonne dizaine de degrés pendant 85% de cette durée. Mais pendant ces 600 Ma globalement plus chauds, il y a eu 4 "brèves" périodes froides (brèves au sens géologique) qui se sont traduites par des glaciers plus ou moins importants dans les zones polaires voire tempérées : de -600 à -580 Ma, de -460 à -440 Ma, de – 310 à -290 Ma, et depuis 15 à 20 Ma. Il y a aujourd'hui des glaciers aux pôles, et nous vivons dans une période froide, certes plus ou moins froide (moins froide en ce moment, plus froide il y a 20 000 ans), mais en pleine période froide. Ces variations climatiques étaient très amples, mais très lentes. Il a peut-être fallu 10 Ma pour rentrer en glaciation. Quelles peuvent être les causes de ces amples et très lentes variations climatiques ?

Deux causes principales, qui peuvent s'ajouter ou au contraire se retrancher, jouent probablement les rôles principaux : d'une part, la position des mers et continents qui changent les courants atmosphériques et océaniques, et, d'autre part, le CO₂ atmosphérique.

Depuis au moins 2,500 Ga (Ga = milliard d'années), les continents dérivent, se séparent, se soudent, se re-séparent... comme "maintenant" (ils le faisaient beaucoup plus vite "avant"). Les courants océaniques et atmosphériques changent donc tout le temps par la force des choses, ce qui modifie le climat mondial. Citons deux exemples. (1) Il y a environ 30 Ma, le continent antarctique, qui était déjà positionné sur le pôle Sud depuis longtemps, s'est séparé d'abord de l'Australie, puis de l'Amérique du Sud qui ont tous deux migré vers le Nord. Un courant froid circumpolaire a pu s'installer, ce qui a refroidi tout l'hémisphère Sud. (2) Il y a 20 Ma, a eu lieu la surrection de la chaine himalayenne, ce qui a complètement modifié la mousson asiatique et le climat de tout l'hémisphère Nord.

Le CO₂ a toutes les raisons de varier, lentement mais surement. Citons trois raisons. (1) Une variation d'intensité du volcanisme au cours des millions d'années va faire varier les apports de CO₂. (2) Une variation de l'altération des roches continentales qui libère des ions calcium qui vont entrainer la précipitation de calcaire et la baisse du CO₂ atmosphérique. (3) Une variation du métabolisme des organismes décomposeurs et/ou des pièges géologiques comme des bassins sédimentaires vont entrainer la plus ou moins grande formation de charbons et de pétroles, donc une baisse du CO₂ atmosphérique. L'étude des roches sédimentaires anciennes, des fossiles, la quantification des échanges de CO₂ entre l'atmosphère, l'océan et les roches grâce à l'étude du volcanisme, de l'altération… tout cela permet de modéliser "assez précisément" l'évolution du CO₂ atmosphérique des 550 derniers millions d'années (depuis le début de l'ère primaire). Pour des périodes encore plus vieilles, les incertitudes sont trop grandes pour que l'on soit sûr de la validité des résultats. Et, là encore, les résultats sont surprenants, et sont illustrés par la figure suivante (qui ne montre que des résultats de deux des nombreuses méthodes permettant d'estimer ce taux de CO₂). Depuis 550 Ma, le taux de CO₂ est 5 à 25 fois supérieur au taux pré-industriel (et n'oublions pas que la température était de 10 à 15°C supérieure à la température actuelle). Les deux seules périodes où le CO₂ est très bas (comme maintenant), c'est il y a environ 300 Ma et depuis 20 Ma. Ces deux périodes correspondent aux deux dernières ères glaciaires. On explique assez bien ces deux périodes froides : altération de la chaine hercynienne et formation de beaucoup de charbon vers -300 Ma, altération des chaines alpino-himalayennes et établissement de courants froids circum-antarctique depuis 30 Ma. Par contre, on n'explique pas les glaciations vers -450 Ma par une baisse du CO₂, ce qui nous rappelle que le CO₂, s'il est un acteur climatique majeur, n'est pas le seul.

Source - © 2001 D'après R.A. Berner et Z. Kothavala, American Journal of Sciences, modifié

Figure 4. Évolution du rapport R [CO₂ à une époque donné / CO₂ pré-industriel] depuis 550 millions d'années

Ce rapport est estimé avec 2 modélisations basées sur le volume des sédiments terrigènes (courbe avec les carrés noirs) et sur les rapports initiaux du strontium des sédiments marins (courbe avec les cercles blancs). Ce rapport R est,en 2015, de 1,4. Au cours des temps géologique, il est en général très largement supérieur à 1. Il n'a été voisin de 1 qu'à 2 période : autour de -300 Ma, et depuis 20 à 30 Ma. Ces deux minima correspondent aux deux dernières ères glaciaires. La glaciation ordovicienne (vers -450 Ma) ne semble pas expliquée par un CO₂ bas, ce qui nous rappelle que le CO₂, s'il est un acteur climatique majeur, n'est pas le seul.

Les données antérieures à l'ère primaire sont loin d'être aussi sûres que celles concernant les 550 derniers millions d'années. Ce que l'on sait avec un assez bon degré de confiance, c'est que la température des océans était plutôt de 50°C au début de l'histoire de la Terre (vers -4 Ga), et qu'elle n'a atteint des températures "normales" (entre 10 et 25°C suivant les périodes) que vers -2,5 Ga. La première glaciation connue date justement d'environ -2,5 Ga (la glaciation du Witwatersrand). Autour de -750 Ma une glaciation très sévère gela toute la Terre des pôles à l'équateur. On parle de « Terre, boule de neige » (Snowball Earth). Cette glaciation globale fut suivie de deux autres, sévères mais sans doute non totales vers -600 et vers -580 Ma. Les causes de ces glaciations sont à rechercher dans des perturbations majeures du cycle du carbone.

Et on a de bons arguments pour proposer que l'atmosphère primitive de la Terre était très riche en CO₂ (peut-être 10 000 fois plus que maintenant). À toutes les variations "temporaires" près, la teneur atmosphérique en CO₂ aurait été divisée par 10 tous les milliards d'années, tout simplement à cause de la lente mais inexorable augmentation de la quantité des calcaires (CaCO₃) qui intègrent du CO₂ dans leur maille cristalline. Et cela tombe bien, car pendant ces mêmes 4 milliards d'années, la puissance rayonnée par le Soleil a augmenté de 50% nous disent les astronomes. Augmentation du rayonnement solaire et baisse du CO₂ se sont presque compensées. La température moyenne a quand même baissé (pour passer de 50 à 15°C), mais elle a presque toujours été comprise entre 10 et 50°C (aux épisodes « boules de neige » près).

L'avenir à long terme (long à l'échelle géologique) est moins rose. Les astronomes nous disent que la puissance du Soleil va continuer à augmenter. Mais contrairement au passé, le CO₂ ne va plus pouvoir diminuer car il n'y en a presque plus. On en est à 280 ppmv (teneur pré-industrielle), soit 0,028%. Comment encore beaucoup diminuer ce taux ? D'ici 1 à 2 milliards d'années, la température se remettra très vraisemblablement à augmenter "sérieusement", pour atteindre la température d'ébullition de l'eau dans 2 à 3 milliards d'années. Ce sera la fin de la vie sur Terre, en attendant 4 à 5 milliards d'années où se sera la Terre elle-même qui sera vaporisée par le Soleil devenu géante rouge.