L’évolution du climat, préoccupation majeure du 21e siècle

Publié par Encyclopédie Environnement, le 15 septembre 2020   380

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Le mot climat, provenant du nom grec ϰλίμα qui désigne l’espace compris entre des cercles parallèles à l’équateur où les conditions météorologiques sont voisines, est utilisé avec diverses significations. Il est fréquent de distinguer le climat méditerranéen, le climat océanique, celui de l’Europe centrale, ou celui des diverses saisons, voire celui des décennies successives. C’est dans cette dernière acception que son usage se rapproche de celui des climatologues pour qui ce mot désigne une description statistique du temps qu’il fait, calculée sur plusieurs décennies, classiquement 30 ans. Ceci situe la différence entre la climatologie et la météorologie qui, elle, a pour mission de prédire les variations du temps sur des durées beaucoup plus courtes, de quelques heures à quelques jours ou semaines.

 

De quoi parle-t-on ?

Pour chaque citoyen le temps qu’il fait est caractérisé par plusieurs grandeurs mesurables ou observables, la température de l’air ou celle de l’eau, les précipitations, la présence ou non d’une couverture nuageuse, la vitesse et la direction du vent, l’humidité de l’air, etc. La perception de ces grandeurs est relativement instantanée. Au contraire, pour parler du climat, il faut envisager des moyennes sur des durées longues : plusieurs décennies. C’est une nécessité pour éliminer les aléas et les variations saisonnières (été-hiver) ou annuelles (années exceptionnellement chaudes ou froides). Cette opération de moyenne est maintenant réalisée de façon rigoureuse, à partir d’un très grand nombre de données collectées sur les continents, dans les airs et sur les océans, et avec des moyens numériques puissants. Elle conduit à plusieurs indicateurs comme la température moyenne de la surface terrestre ou comme le volume de glace posée sur les continents.  

Les diverses courbes de la figure suivante, calculées par les centres anglais, américains, européens, ou japonais, et publiées par l’Organisation Météorologique Mondiale, montrent la variation de la température moyenne depuis 1850, date à partir de laquelle des mesures fiables sont disponibles. Il est remarquable que, bien qu’elles soient obtenues par des organismes différents, chacun utilisant ses propres procédures, ces courbes manifestent un accord remarquable, ce qui signifie que l’on peut leur accorder une confiance certaine. On remarquera que la hausse de cette température moyenne depuis le milieu du 19e siècle est de 1,2 °C.  

Cet écart, bien qu’il paraisse modéré puisqu’il est très inférieur aux différences de température diurnes ou saisonnières auxquels nous sommes habitués, a des conséquences très significatives sur l’environnement : sécheresses plus fréquentes, montée du niveau des mers, recul des glaciers, etc… Ceci signifie qu’une variation de l’ordre du dixième de degré de cette valeur moyenne suffit pour influencer l’environnement et affecter les conditions offertes à la vie sur notre planète. Cette sensibilité aux variations de la température moyenne situe la difficulté du défi auquel est confrontée l’humanité pour limiter l’amplitude du réchauffement climatique.

 

Évolution de la température moyenne de la planète depuis 1850. [Source : WMO statement on the state of the global climate in 2019 (2020) WMO Pub No.1248.]

 

Quels paramètres principaux affectent le climat ?

Les paramètres orbitaux de notre planète forment un premier groupe : l’excentricité de sa trajectoire autour du Soleil, l’obliquité et la précession de son axe de rotation. Notons qu’ils caractérisent l’évolution à long terme du climat et qu’ils sont totalement indépendants de l’activité humaine. Leurs variations, amplifiées par des rétroactions comme l’effet d’albédo des calottes de glaces, ont engendré au cours du Quaternaire les alternances entre glaciations et rémissions interglaciaires, dont la périodicité est de l’ordre de 100 000 ans.  

Dans un second groupe, on peut situer des variations naturelles indépendantes de l’activité humaine. On y trouve les variations de l’activité solaire, assez faciles à déceler en comptant les taches ou les éruptions solaires [lire : Variabilité de l'activité solaire et impacts climatiques : le cas des derniers siècles]. Cette activité du Soleil possède également un caractère périodique, avec plusieurs cycles caractéristiques, notamment un cycle voisin de 11 ans, dont l’impact sur la température moyenne de la Terre est de l’ordre de 0,1 °C, soit moins de 10% des variations observées pendant les 19e et 20e siècles. De même l’activité volcanique peut épisodiquement modifier la température de la surface des océans de quelques dixièmes de degrés.  

Enfin, l’activité humaine, responsable d’émissions de gaz à effet de serre (dioxyde de carbone CO2, méthane CH4 et autres), constitue très vraisemblablement la cause majeure du réchauffement climatique. La température moyenne de la surface terrestre est telle que le flux de chaleur reçu par la Terre en provenance du Soleil soit exactement égal au flux de chaleur émis par celle-ci vers l’espace. Et c’est la diminution lente mais régulière de ce dernier qui engendre l’essentiel de l’augmentation de température montrée sur la figure précédente.

  

Flux énergétiques moyens en provenance du Soleil (couleur jaune) et émis par la Terre (couleur rouge) de 2000 à 2005, affectés par la présence et la composition de l’atmosphère. [Source : Source : Wild et al.]

 

À ces bilans globaux s’ajoutent des facteurs qui redistribuent la chaleur sur la Terre, globalement des régions tropicales vers les pôles : l’atmosphère par les vents, les océans par leurs courants. Si la circulation atmosphérique, dominée par les cellules de Hadley et Ferrel dans les plans méridiens et par les jet streams le long des parallèles, est rapide (300 km/h pour le jet stream polaire) et très capricieuse (lire : La circulation atmosphérique), au contraire, la circulation océanique, très lente (un tour complet du globe dure 1600 ans), constitue le facteur stabilisant des variations climatiques (lire : la lente et puissante circulation océanique).

 

Comment prédit-on le climat futur ?

L’outil fondamental est une représentation numérique des 4 composantes du système climatique : atmosphère, océan, cryosphère et biosphère, et de leur évolution. Cette représentation est généralement appelée modèle de climat. Les différentes composantes ont des propriétés très différentes, notamment les temps caractéristiques de leurs évolutions. Elles font donc l’objet de développements séparés et leurs modélisations peuvent être utilisées seules ou couplées.  

Les composantes en mouvement, océan et atmosphère, obéissent aux équations de la mécanique des fluides, qu’il faut compléter par des modélisations de toutes les contraintes imposées sur ces milieux : le rayonnement absorbé, les échanges de masse, d’énergie et de quantité de mouvement entre chacune d’elles et avec un milieu extérieur (surfaces continentales, banquise, glaciers, etc…). Ceci impose de paramétrer un grand nombre de phénomènes, appelés forçages : les bilans radiatifs, le cycle du carbone, le cycle de vie des aérosols en suspension dans l’atmosphère, la teneur de l’air en gaz à effet de serre, les éruptions volcaniques… Étant évidemment inconnue, l’évolution future de la plupart de ces forçages doit faire l’objet d’hypothèses, souvent appelées scénarios.

 

Exemples de forçages, soit connus (courbe noire pour la période 1850-2000), soit plausibles pour le 21e siècle (4 courbes de couleurs différentes) : a) Concentration en CO2, b) Émissions d’aérosols sulfatés. [Source : © CNRM / Réalisation Pierre Nabat]

 

Les modèles les plus complets nécessitent de très longs temps de calculs, mais il n’est pas toujours nécessaire de prendre en compte l’ensemble des processus. Ceci amène les spécialistes à développer des simplifications et à utiliser des découplages qui conduisent à toute une gamme de modèles de complexité variable, utilisables pour des applications spécifiques. À titre d’exemple, pour étudier l’impact d’une augmentation donnée de la concentration atmosphérique en dioxyde de carbone (CO2) sur un processus climatique tel que le phénomène El Niño, il est préférable d’utiliser un modèle sans représentation du cycle du carbone.  

Au sein de tout ordinateur, un circuit électronique appelé processeur effectue l’ensemble des opérations arithmétiques et logiques. Si l’on en utilisait un seul, le temps de calcul à l’aide d’un modèle actuel de climat varierait de quelques dizaines de jours de calcul à un millier pour simuler une seule année. C’est pourquoi ces modèles sont implémentés sur des super-calculateurs, parmi les plus puissants au monde. En utilisant simultanément un grand nombre de processeurs, on parvient à simuler une année en quelques heures. Il faut ainsi plusieurs semaines pour réaliser une simulation du climat sur 100 ans. Le volume des données produites est gigantesque, de l’ordre de quelques centaines de Giga-octets (Go) par année simulée, soit quelques dizaines de Tera-octets (To) pour une simulation de 100 ans.

Prédictions de l’évolution de la température moyenne globale (en oC) basées sur 4 hypothèses de variation de la concentration en gaz à effet de serre (RCP). La référence zéro est la moyenne sur la fin du 20e siècle (1986-2005). L’incertitude autour de chaque courbe dépend du modèle de climat et des aléas météorologiques. Le nombre de simulations utilisées pour chaque scénario figure entre parenthèses. [Source : Figure reproduite de Knutti & Sedláček, avec la permission de Springer Nature]

Le Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Évolution du Climat (GIEC) produit régulièrement des rapports qui résument l’état des connaissances sur le climat et son évolution. Un exercice de comparaison des modèles (Coupled Model Intercomparison Project -CMIP), réalisé en amont des rapports du GIEC, vise à proposer aux centres de modélisation des protocoles communs pour simuler le changement climatique et caractériser l’incertitude liée à la modélisation. Ce CMIP met aussi à disposition des centres de modélisation des espaces de stockage et des outils afin de partager les données produites par les modèles. Ces données sont publiques et peuvent être utilisées par des chercheurs du monde entier pour réaliser des études sur le changement climatique. 

 

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Ce texte est tiré de plusieurs articles publiés dans encyclopedie-environnement.org, principalement les deux suivants :

  •   La Température moyenne de la Terre de Serge Planton, Ingénieur général des ponts, des eaux et des forêts, ancien chercheur climatologue à Météo-France, CNRM (Centre National de Recherches Météorologiques), Météo-France/CNRS, Université de Toulouse.
  • Modèles de climatde Aurore Voldoire et David Saint-Martin, chercheurs au CNRM (Centre National de Recherches Météorologiques), Météo-France/CNRS, Université de Toulouse.

 


       

Ce travail a été réalisé grâce au soutien financier d'UGA Éditions dans le cadre du programme "Investissement d'avenir", et de la Région Auvergne Rhône-Alpes.