Ce document contient la transcription textuelle d’une vidéo du MOOC « Causes et enjeux du changement climatique ». Ce n’est donc pas un cours écrit au sens propre du terme ; le choix des mots, l'articulation des idées et l’absence de chapitrage sont propres aux interventions orales des auteurs.

La détection et l'attribution des changements climatiques, le rôle des facteurs naturels

Serge PLANTON
Responsable du Groupe de recherches climatiques – Météo France

1. Le système climatique

Qu'est-ce qu'on appelle le système climatique ? Le système climatique est composé de l'atmosphère, des océans et des rivières et des lacs que l'on appelle aussi l'hydrosphère, des surfaces continentales ou la lithosphère, de la biosphère, toute la partie vivante qui est à la surface de la Terre, que ce soit d'ailleurs dans les océans ou sur les continents, et de la cryosphère, toute la partie gelée de la croûte terrestre. Ces composantes ont leur dynamique propre et puis elles interagissent, elles échangent de l'énergie, elles échangent aussi de la vapeur d'eau, elles échangent du carbone. Du fait de ces échanges, du fait de cette dynamique propre, le climat va varier avec ce qu'on appellera la variabilité interne du climat, parce qu’elle est due à ces interactions liées à la dynamique interne de ce système climatique.

Le climat évolue aussi en fonction de facteurs qui sont externes, comme la variabilité du rayonnement solaire, le volcanisme, la tectonique (sur une échelle de temps beaucoup plus longue), et les activités humaines qui influencent le climat de différentes manières (voir figure ci-dessus). Ils l’influencent d'abord en modifiant la composition chimique de l'atmosphère en gaz à effet de serre et en particules d'aérosols ce qui va influencer le climat à l'échelle planétaire. Mais aussi du fait de la modification de la couverture végétale, à cause des échanges de carbone, cela va aussi modifier le climat l'échelle planétaire mais cela va aussi modifier régionalement le climat par les changements de température et d'humidité qui sont liés par exemple à la déforestation. Les activités humaines agissent aussi sur les surfaces continentales en modifiant par exemple le contenu du sol par l’irrigation ou encore l'aménagement des rivières et des lacs qui va avoir une influence mais là, cette fois, locale, régionale sur le climat.

2. Evolution du climat depuis 650 000 ans

On va s'intéresser à l'évolution du climat depuis 650 000 ans pour essayer d'identifier quels sont les facteurs clés, naturels, d'évolution des climats sur ces périodes de temps-là. Vous avez sur la figure ci-dessous, représenté en noir, un enregistrement de ce qui ressemble à la température (c'est une reconstruction qui est faite à partir de carottages glaciaires). Cela montre des périodes plus chaudes qui alternent avec des périodes plus froides (les périodes plus chaudes sont identifiées en grisé sur la figure). Ces périodes sont associées à des périodes dites interglaciaires puisque les périodes froides, au contraire glaciaires, correspondent à des températures qui sont typiquement de l'ordre de 3 à 8°C plus froides que pendant les périodes interglaciaires. Le dernier maximum glaciaire était il y a 21 000 ans, c’était un climat extrêmement différent du climat actuel puisque, par exemple la calotte polaire s'étendait jusque sur l’Ecosse ou que le niveau des océans était 130 m plus bas que le niveau actuel. On voit sur ces enregistrements qui sont tirés de carottages glaciaires, que les concentrations de gaz à effet de serre, en particulier le protoxyde d'azote (en vert), le dioxyde de carbone (en rouge) et le méthane (en bleu) ont évolué dans le temps et des périodes chaudes ont été associées à des plus fortes concentrations de ces gaz.

En réalité, c'est le climat qui a d'abord commencé à varier et ensuite les concentrations de ces gaz ont évolué, mais il y a aussi un effet de rétroaction positive du fait de l'augmentation de la concentration des gaz, il y a eu un phénomène aussi d’amplification du réchauffement. On parle dans ce cas-là de rétroaction positive. Alors, quelle est la source initiale de l'évolution de la température, de l'évolution du climat ? On la connaît aussi. Elle est par exemple liée pour les cycles d'alternance période glaciaire et interglaciaire à un cycle de variation de la forme de l’orbite terrestre qui est autour de 100 000 ans pour une période principale et jusqu'à 400 000 ans pour une période secondaire. Il existe aussi d'autres sources de variabilité des climats à des échelles de temps de 41 000 ans, qui sont liées à la modification de l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre par rapport au plan de rotation de la Terre autour du Soleil ou encore ce qu'on appelle la précession, le fait que l'axe de rotation de la Terre décrive un cône de révolution un petit peu comme l'axe d'une toupie. Cela va introduire la variabilité climatique à des échelles de temps autour de 20 000 ans. Mais donc on a des échelles de temps qui sont relativement longues.

3. Evolution du climat depuis 1000 ans

On s'intéresse à la période plus proche de notre période, du XXe siècle, mais en remontant quand même encore sur un millier d'années en arrière. La figure ci-dessous montre une reconstruction de la température moyenne de l'hémisphère Nord.

Il s'agit en fait de l’écart à la moyenne de la période 1500 - 1850, ce qui veut dire que les valeurs positives indiquent des valeurs qui sont plus fortes que cette moyenne. Ce sont des résultats de reconstruction non pas à partir de mesures directes de la température à partir de thermomètres mais ce sont des reconstructions à partir de ce qu'on appelle des indicateurs paléoclimatiques, comme par exemple des épaisseurs de cernes d'arbres ou des densités de cernes d’arbres. Ce qui est représenté en grisé, ce sont différentes reconstructions superposées. Plus la zone est foncée et plus cela veut dire que les différentes reconstructions finalement convergent pour donner à peu près des valeurs qui sont semblables. On peut constater qu’autour de l'an 1000, on a ce qu'on a appelé l’anomalie climatique médiévale avec des températures qui sont plutôt plus chaudes que la moyenne. On a au contraire ensuite une période plus froide (en gros entre 1450 et 1850), que l'on a appelé le petit âge glaciaire. Et le XXe siècle, avec une très forte augmentation de la température. Si on s’intéresse à ces variations à l'échelle séculaire, on a une cause naturelle possible qui est la variabilité solaire. En effet, si on regarde la courbe de l'évolution de l'intensité de la variabilité solaire à partir de 1600, on voit qu'il y a une période autour de 1650 - 1715, 1645 - 1715 que l'on a appelé le minimum de Maunder au cours de laquelle on a mesuré très peu de taches solaires et cela c'était le signe d'une très faible activité solaire. Cette très faible activité solaire va expliquer les températures qui sont plus faibles, comme on peut le constater sur l'enregistrement de température. Par ailleurs, on voit qu'à la fin de la période par contre on a une relative stabilité de la variabilité solaire au cours des 50 dernières années à laquelle se superpose un cycle de 11 ans et au contraire, la température a quand même augmenté très rapidement au cours de cette période. Il va donc falloir trouver une autre explication de l'évolution de la température sur cette période du XXe siècle. On peut aussi identifier une autre source naturelle de variabilité du climat qui est le volcanisme. Pour l'illustrer, vous avez l'éruption du volcan du Tambora en avril 1815 qui s'est traduite par un refroidissement de la température de l'ordre de 1,5 °C. Ce refroidissement est lié à l'injection de gaz dans l'atmosphère, des gaz soufrés qui vont se combiner avec la vapeur d’eau atmosphérique pour former des petites particules aérosol d'acide sulfurique qui vont intercepter le rayonnement solaire et donc refroidir les couches inférieures de l'atmosphère et en particulier aussi refroidir la surface. On voit cela sur les enregistrements de température et on peut le confirmer aussi par la modélisation. On voit bien qu'on a un effet climatique qui est lié à ces éruptions. Mais il ne se fait sentir que quelques années finalement après une éruption volcanique.

4. Conclusion

Pour résumer sur les facteurs naturels d’influence du climat, on a d'abord des variations de paramètres astronomiques mais c'est pour des échelles de temps qui sont finalement supérieures à plusieurs dizaines de milliers d'années. Les variations de l'énergie émise par le Soleil peuvent faire varier aussi le climat à des échelles séculaires, de plusieurs dizaines d'années. Les éruptions volcaniques perturbent le climat pendant quelques années après l'éruption, un à deux ans pour les éruptions majeures comme celle du Pinatubo en 1991 mais elles peuvent aussi le perturber à des échelles de temps plus longues s’il y a une modification de la fréquence du volcan. Une autre source de variabilité du climat qui elle aussi naturelle, c'est la variabilité interne qui est liée aux interactions entre les différents composantes du système climatique. Elle est de nature chaotique pour une grande partie, elle a l'apparence du hasard mais avec aussi quelques modes de variabilité que l'on sait maintenant même prévoir comme le phénomène El Nino dans le Pacifique.