De l'atmosphère au climat et à la science du système terrestre

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De l’atmosphère au climat et à la science du système

terrestre

Didier Paillard

To cite this version:

Didier Paillard. De l’atmosphère au climat et à la science du système terrestre. La Météorologie, Météo et Climat, 2009, 8 (65), pp.39. �10.4267/2042/27950�. �hal-03243891�

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De l’atmosphère

au climat et à la science

du système terrestre

Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement - Centre de Saclay 91191 Gif-sur-Yvette

Résumé

Dans le contexte actuel de change-ment climatique, la science du climat est devenue un objet d’attention pour la société. Pourtant, la notion précise de « climat » n’est en fait pas si bien définie, les contours physiques du « système climatique » étant souvent dépendants de la question scienti-fique traitée. Il est donc nécessaire d’éxaminer ce qui se cache derrière le mot « climat » et de passer d’une vision phénoménologique à une vision plus physique. La climatologie est par essence hautement interdisci-plinaire et les modélisateurs du cli-mat définissent de plus en plus leur objet en termes de « système terres-tre » au lieu de « système clima-tique ». La science du système terrestre est une discipline émergente qui a l’ambition de décrire, avec une même trame mathématique, l’évolu-tion passée et future de notre planète.

Abstract

From atmosphere, to climate, to Earth system science

In the current context of climatic changes, climate science is becoming a focus of attention for society. Still, the very notion of “climate” appears not all that well defined, the physical contours of a “climate system” are often rather dependent on the given scientific question. It is thus neces-sary to discuss what is hidden behind the word “climate”, and to move from a phenomenological towards a more physically-based view. Climatology is in essence highly interdisciplinary and climate modellers are now increasingly defining their object in terms of an “Earth system” instead of a “climate system”. Earth system science is an emerging discipline that has the ambition to describe, in the same mathematical framework, the past and the future evolution of our planet.

Qu’est-ce que

le « climat » ?

Le mot « climat » est d’origine grecque (κλιµα), il se réfère à l’inclinaison des rayons solaires au-dessus de l’horizon. Cela souligne clairement la nature géo-graphique du climat, un mot dont l’éty-mologie le rapproche beaucoup de la notion actuelle de latitude géogra-phique. De ce fait, la climatologie fut, jusque très récemment, une branche de la géographie. Il faut bien mettre en évi-dence cet héritage, car beaucoup de difficultés et d’incompréhensions pro-viennent de ce changement récent de la notion de climat. Ainsi, le climat est tra-ditionnellement défini comme un élé-ment variant spatialeélé-ment, mais à peu près constant temporellement. Mais alors que voulons-nous dire par des expressions comme « climat plané-taire » ou « changement climatique » ? Il nous faut, ou bien les déclarer comme des oxymores, ou bien définir mieux la notion de climat. D’après les manuels techniques (dans notre cas le glossaire du Giec) : « Le climat au sens étroit du

terme est habituellement défini comme le “temps moyen” ou, plus rigoureuse-ment, comme la description statistique en termes de moyenne et variabilité des paramètres pertinents sur des périodes s’étageant de l’ordre de plusieurs mois à des milliers ou des millions d’années. La période classique est de trente ans, selon la définition de l’Organisation météorologique mondiale (OMM). Ces

paramètres sont le plus souvent des variables comme la température, les précipitations et le vent. Le climat, dans un sens plus large, est l’état, incluant une description statistique, du système climatique », (Solomon et al., 2007).

En fait, cette définition soulève plusieurs questions supplémentaires. Tout d’abord, le climat y est défini comme une des-cription statistique du « temps », mais non comme un véritable système phy-sique. Cela peut convenir pour le calcul du climat à posteriori à partir d’observa-tions, mais ce n’est pas d’un grand secours pour le calcul de son évolution à priori, à partir des principes physiques et chimiques de base. Et ensuite, pourquoi devrions-nous choisir trente ans comme échelle temporelle pertinente ? Et pour-quoi les valeurs de surface sont-elles plus pertinentes que celles de l’at-mosphère moyenne et supérieure ? Nous touchons là à la nature tout à fait anthro-pocentrique de la notion de climat. Celui-ci est défini à l’usage des êtres humains, vivant à la surface de la Terre à une échelle de temps multidécennale. Il n’est pas défini pour les oiseaux ou les insectes qui peuvent vivre dans les airs et pour des durées plus courtes, et certaine-ment pas pour les poissons dans l’océan. Bien qu’une telle définition ne soit pas un problème en soi, elle ne nous conduit, ni vers une image objective d’un « sys-tème climatique » en termes physiques, ni à une compréhension des forces in-ternes ou exin-ternes qui sont susceptibles de l’affecter.

Ndlr La Météorologie remercie l’auteur, Didier Paillard, pour son aimable

auto-risation à la publication de cet article « From atmosphere, to climate, to Earth system science », traduit de l’anglais par Jacques Siméon, extrait de la revue

Interdisciplinary Science Reviews, 2008, Vol. 33, n° 1, 25-35 (11),

D’ailleurs, si l’on pouvait effective-ment choisir à son gré la période de la moyenne climatique dans la gamme s’étendant de plusieurs mois à des millions d’années, tel que mentionné dans la définition ci-dessus, l’idée de climat perdrait de fait tout intérêt pra-tique. Cela veut dire que la période de trente ans (ou au moins une période comprise entre dix et cent ans) est absolument centrale dans la définition physique du climat, non seulement pour des raisons pratiques, mais aussi pour décider ce qui est attribué à la

variabilité climatique (les variations

plus rapides que l’échelle donnée) ou au changement climatique (les varia-tions plus lentes). Ce n’est pas seule-ment un problème sémantique, car un modèle mathématique idéal du climat représenterait la variabilité d’une manière purement statistique à la diffé-rence du changement qui le serait d’une manière dynamique (ou détermi-niste). Autrement dit, le contenu phy-sique de notre « modèle climatique idéal » dépend directement du choix de l’échelle de temps. Si la durée de trente ans est purement pratique ou anthropocentrique, elle est alors proba-blement hautement arbitraire d’un point de vue physique. Heureusement, toutefois, cela peut aussi ne pas être le cas, et cette échelle temporelle pourrait être relativement pertinente, comme le montre la figure 1.

Il est intéressant de constater, sur la figure 1, que la pente de la courbe de variabilité dans les longues échelles temporelles (plus de 1,2 environ) est plus grande que dans les

courtes (moins de 0,6 environ). Cela peut, tout à fait directement, être interprété en termes de déterminisme plus grand pour le système « lent » ou « climatique » que pour celui « rapide » ou « météorologique ». Un

tel supplément de déterminisme est également une caractéristique néces-saire à une déf inition solide d’un « système climatique ». En effet, la meilleure définition du climat est pro-bablement celle de l’écrivain de science-fiction Robert A. Heinlein : « Le climat est ce que vous attendez, le

temps est ce que vous obtenez. » Cela

met en lumière le fait que nous vou-lons pouvoir parler du climat à priori, même si nous reconnaissons que le temps sera toujours imprévisible, au moins à longue échéance. Dans un sens, il y a un fort désir de définir le climat comme la « partie prévisible » du temps. Bien que, malheureusement, ce ne soit pas une bonne déf inition pratique, elle aide bien à comprendre pourquoi la notion de climat a dévié de son fondement purement géographique vers une réalité statistique, et pourquoi elle devrait continuer à le faire pour évoluer vers une définition plus phy-sique, fondée sur l’évolution détermi-niste de certaines parties du système terrestre.

Cependant, la situation sémantique n’est pas si évidente et la discussion ci-dessus est plus un appel pour obtenir une définition solide que l’établisse-ment d’un réel consensus. Une diffi-culté majeure surgit du fait du grand intervalle entre l’échelle temporelle journalière du « temps » tel qu’il est compris de tous et celle du « climat », défini comme ci-dessus, échelle tem-porelle de plusieurs siècles. Comment caractérise-t-on les échelles entre une semaine et dix ans ? Ces échelles

sont-elle fortement ou faiblement pré-visibles ? Il est clair que de telles échelles sont hautement pertinentes pour les êtres humains. Elles vont au-delà de ce que nous attendons couram-ment de la prévision du temps, mais sont encore trop courtes pour être qualifiées « d’échelles climatiques ». Bien que les prévisions saisonnières en soient encore à leur tout début, on observe actuellement des efforts soute-nus de développement en ce domaine dans la plupart des centres de prévision météorologique. Un exemple célèbre est la possibilité de prévoir l’arrivée d’un événement El Niño, phénomène de grande échelle qui affecte surtout la zone pacifique, mais qui a des consé-quences planétaires. La f iabilité de ces prévisions est déjà suffisante pour être utilisable par des secteurs éco-nomiques majeurs, parmi lesquels l’agriculture et l’énergie. Mais, ces prévisions à long terme sont-elles déjà des prévisions « climatiques » ? Mon impression est que nous manquons d’un terme précis pour cette catégorie de changements saisonniers ou inter-annuels. Une conséquence est que le mot « climat », souvent utilisé aussi au sujet de ces échelles s’étendant du mois à l’année, perd une partie de sa signification à long terme ou détermi-niste. Bien que je n’aie aucune propo-sition alternative à offrir, je crois que la climatologie gagnerait beaucoup à cla-rifier son objet.

Si la phénoménologie du climat est évidemment fondée sur les variables atmosphériques telles que température, précipitations, vent, etc., ses contours physiques sont flous. Un moyen facile d’illustrer cela est d’observer les progrès des modèles climatiques au cours des trente der-nières années. Dans les années 1970, un modèle climatique était simple-ment un modèle atmo-sphérique dans lequel les conditions de surface et la composition chimique sont prescrites et dont les résultats sont inter-prétés en termes statis-tiques. À première vue, cela semble un bon point de départ, mais l’appro-che a de sévères limita-tions. Des conditions prescrites comme la température et l’humi-dité du sol sont en fait fortement dépendantes

Figure 1 - Spectre de puissance des températures dans les hautes latitudes (courbes du haut) et les basses latitudes (courbes du bas), d’après Huybers et Curry (2006). Il y a une claire rupture dans la pente de ces spectres pour des échelles proches du siècle. Cela peut reflé-ter des processus physiques diffé-rents agissant sur les échelles plus courtes et plus longues que le siè-cle et donc servir de base à une définition physique du climat. Notons qu’un siècle n’est pas fon-damentalement différent de la période classique de trente ans.

Frequency (cycles yr-1₎ Sp ec tr al po w er (a rb itr ar y un its )

de l’état de l’atmosphère et devraient être calculées par le modèle et non prescrites à priori. Dans les années 1980, les modèles atmosphériques eurent un schéma de surface continen-tal beaucoup plus cohérent, mais fonc-tionnèrent encore avec des propriétés océaniques prescrites, ce qui limitait considérablement toute étude d’un cli-mat « différent », à moins de supposer à priori les caractéristiques d’un océan « différent » et l’imposer alors à l’at-mosphère. Dans les années 1990, un important pas en avant fut fait à travers le couplage de modèles atmosphé-riques et océaniques. Ces modèles dits « couplés » furent probablement les premiers à mériter réellement le nom de « modèles climatiques ». Et encore, avec une telle configuration, de nom-breuses conditions de surface sont encore prescrites à partir d’observa-tions ou de supposid’observa-tions à priori, tout particulièrement sur la couverture végétale et la composition chimique de l’atmosphère.

Beaucoup de progrès ont été faits et les premiers modèles couplés, physiques et biogéochimiques sont maintenant presque disponibles, mais il y a encore amplement matière à les améliorer et l’on n’a pas fini d’y ajouter d’autres composantes… Les modèles de calotte de glace (Groenland et Antarctique) sont encore absents ; la dynamique écologique n’est pas vraiment satisfai-sante dans les modèles de végétation ; les aérosols et les espèces chimiques à courte durée de vie ne sont pas bien représentés et ainsi de suite. Ainsi, des « modèles du système ter restre » (ESM pour Earth System Models) sont actuellement construits en ajoutant de nouvelles composantes afin d’obtenir ce que l’on considérera comme des modèles représentatifs de l’état de l’art. Ces constructions intellectuelles et numériques connaissent une expansion très rapide et il est possible que l’on se dirige vers une crise de croissance. Si ces modèles du système terrestre ont un potentiel de prévision plus grand que leurs prédécesseurs, c’est aussi parce qu’ils incluent, en plus de la dynamique de « courte échéance » présente dans l’atmosphère, les lon-gues échéances existant dans les dyna-miques de l’océan ou la végétation. Le principal objectif scientifique est clai-rement de prévoir où le réchauffement planétaire actuel risque de nous conduire. C’est un problème à l’é-chelle du siècle (ou plus) qui exige que les composantes plus lentes du sys-tème terrestre soient également prise en compte. En effet, les changements

de concentration des gaz à effet de serre vont changer le climat stricto sensu, c’est-à-dire l’état moyen de l’atmosphère. Mais ces changements vont aussi affecter l’essentiel de la sur-face terrestre, par exemple végétation et calottes glaciaires, qui provoqueront à leur tour d’autres changements au climat stricto sensu. Autrement dit, il est maintenant clair qu’une définition physique solide du système climatique doit inclure la plupart (sinon tous) des aspects de la surface terrestre. De plus, notre capacité à prévoir des change-ments à long terme ou « climatiques » dépend probablement autant de la compréhension de ces nouvelles com-posantes à long terme du système que de celle de l’atmosphère elle-même. Il est clair que la notion de système cli-matique physique a été complètement transformée au cours des années récen-tes. D’ailleurs, cette nécessité d’in-clure les composantes à longue échelle temporelle, comme l’océan profond, les calottes de glace et la végétation, provient aussi de la découverte de la liaison entre les plus importants chan-gements rapides du passé et la réorga-nisation de ces systèmes plus lents, ainsi que nous le verrons ci-dessous. Inutile de dire que l’interdisciplinarité est plus que jamais au cœur des scien-ces du climat.

Des avancées

récentes

Plutôt que de détailler des résultats spécifiques, je voudrais mettre en évi-dence diverses découvertes qui ont modifié la perception du terme « chan-gement climatique ». En effet, jusque récemment, on pensait faussement que le climat, étant déf ini comme un concept de long terme, ne devait chan-ger que plutôt lentement ou graduelle-ment. En prenant en compte la distinction ci-dessus entre les compo-santes physiques « lentes » et « rapi-des » du système ter restre, on supposait habituellement que les élé-ments variant lentement à la surface de la Terre, comme l’extension des calot-tes de glace ou la concentration de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, induiraient des changements graduels de la température et du climat de la Terre. Je crois que cela a partiellement à voir avec une compréhension du cli-mat qui tend à lui donner le plus de constance possible. De ce fait, les scientifiques s’attendaient à ce que les températures n’aient changé, dans le

passé, qu’assez lentement, par exemple en liaison avec la variation des para-mètres de l’orbite terrestre, qui favori-seraient la constitution ou la fonte de calottes de glace dans les régions polaires, conduisant donc aux change-ments glaciaires-interglaciaires. La prévalence de cette idée était telle que, il y a encore dix ans, certains paléocli-matologues refusaient d’effectuer des études à haute résolution : pourquoi auraient-ils dû suréchantillonner un signal intrinsèquement lisse ?

Bien que des variations climatiques aient été identifiées pour la première fois au Groenland dans les années 1970 par les pionniers des calottes gla-ciaires Dansgaard et Oeschger (Johnsen et al., 1972), elles ne furent largement acceptées par la commu-nauté scientif ique qu’au cours des années 1990 (Bond et al., 1993). Même maintenant, une explication physique satisfaisante de tels bascule-ments climatiques rapides reste à trou-ver, bien qu’ils aient été constatés en de multiples endroits à l’aide de nomb-reux outils différents. Les enregistre-ments les plus détaillés sont toujours ceux effectués au Groenland et le réchauffement associé à ces événe-ments dits de Dansgaard-Oeschger s’est accompli en quelques décennies. Sur une telle durée, à l’échelle humaine, l’accroissement annuel de température a pu atteindre jusqu’à 16 °C. En fait, certaines variables asso-ciées à la circulation atmosphérique semblent basculer d’un état « froid » vers un état « chaud » d’une année à l’autre. Ces changements ont des contrepar ties dans l’ensemble du monde, avec toutefois des amplitudes sans doute moindres : ils sont de nature planétaire et certainement pas res-treints à la zone groenlandaise. Il faut aussi mentionner que ces événements se sont produits principalement pen-dant les périodes glaciaires, en particu-lier lors de la dernière, et que nos ancêtres Homo sapiens neanderthalen-sis et Homo sapiens sapiens ont tra-versé ces changements drastiques durant leur existence. Il est donc pro-bable que ces brusques changements climatiques ont eu des conséquences directes sur les sociétés humaines et leur évolution (Sepulchre et al., 2007). De tels changements abrupts à grande échelle n’étaient absolument pas atten-dus par les paléoclimatologues, qui avaient pour habitude de mesurer le temps en milliers d’années. Par contraste, les pères fondateurs de la géologie, au dix-neuvième siècle,

étaient avides d’expliquer le passé comme une succession de cata-strophes. Mais les géologues du ving-tième siècle, pour de nombreuses bonnes raisons, choisirent de dévelop-per une approche graduelle : l’évolu-tion passée de la Terre serait expliquée par l’application continue des mêmes lois de la nature que nous voyons en action aujourd’hui, et non en invoquant des événements catastrophiques. Ces préceptes furent en fait utilisés aussi, tacitement, par les climatologues. Comment est-il possible de concilier le fait que le climat est probablement forcé par les composantes « lentes » du système terrestre avec la constatation de changements brusques ? On peut répondre simplement en supposant la présence de seuils dans de nombreuses parties du système terrestre. Au sujet des événements de Dansgaard-Oeschger, notre compréhension à ce jour est qu’ils sont associés à des inter-ruptions dans les zones de convection océanique de l’Atlantique nord, ce qui peut potentiellement modif ier le transport de chaleur interhémisphé-rique sur la Terre entière. Le climat dans ces zones peut dériver lentement pendant des siècles ou des millénaires sans changement majeur, mais, au-delà d’un seuil critique, les régions de for mation d’eau profonde dans l’Atlantique nord se réorganisent brus-quement en quelques décennies, pro-voquant des changements planétaires dans la circulation océanique et le transport de chaleur. Et le climat de la Terre en subit alors les conséquences. Bien qu’il y ait encore débat sur les détails, il existe un assez large consen-sus sur ce scénario explicatif des évé-nements de Dansgaard-Oeschger. Il y a vingt ans, l’océan, en raison de son énorme capacité calorif ique, était considéré par la plupart des scienti-fiques comme un vaste tampon pour les changements climatiques poten-tiels. Loin d’être vu comme un fauteur de trouble, l’océan était supposé être un régulateur du climat. Grâce à ces découvertes, cette idée s’est plus ou moins renversée aujourd’hui (Paillard et Labeyrie, 1994). Il faut donc néces-sairement se préoccuper du futur de la circulation océanique au cours du pro-chain siècle et au-delà. Au cours des dix dernières années, les résultats des modèles océan-atmosphère confirment pour l’essentiel ces préoccupations paléoclimatologiques. En effet, presque tous les modèles prévoient une réduction, voire une coupure complète, de la circulation thermohaline dans l’Atlantique nord (Solomon et al.,

2007). Il est donc tout à fait possible que nous avancions vers un « seuil cli-matique » tout proche.

Un autre aspect intéressant de la varia-bilité passée concerne la stavaria-bilité des calottes de glace et la découverte des événements de Heinrich. Ces événe-ments sont de vastes débâcles d’ice-bergs qui se sont produites de façon répétée pendant la dernière période glaciaire et ont été enregistrées dans les sédiments marins nord-atlantiques entre 40° N et 55° N. Au cours de ces événements, des icebergs provenant d’Amérique du Nord ont atteint le détroit de Gibraltar. Des estimations précises du volume de glace en jeu sont certes difficiles, mais il est raison-nable de supposer que la quantité d’i-cebergs produite a pu faire monter le niveau global de la mer de plusieurs mètres en moins de deux siècles (Roche et al., 2004). Un événement encore plus spectaculaire a été le « meltwater pulse » (débâcle d’eau de fonte) pendant la dernière déglaciation. D’après des enregistrements à partir de terrasses coralliennes, l’élévation du niveau de la mer a pu atteindre jusqu’à vingt-cinq mètres en moins de cinq cents ans (Bard et al., 1996). Si cela est confirmé, un tel changement brusque de niveau de la mer ressemble plus à un événement catastrophique qu’à un changement graduel. Les modèles actuels de cryosphère sont incapables d’expliquer de telles observations paléoclimatiques, probablement en par-tie parce qu’ils ont été construits sur la supposition tacite que les calottes de glace n’évoluent que très lentement sous l’influence du forçage de paramè-tres externes variant eux-mêmes lente-ment – les caractéristiques de l’orbite terrestre ou la concentration de gaz à effet de serre – selon la théorie clas-sique des âges glaciaires.

Il faut noter que de récentes données satellitaires sur le Groenland et l’An-tarctique contredisent également la thèse gradualiste. Les changements qui sont en train de se produire dans la couverture glaciaire actuelle semblent avoir lieu plus vite que prévu. En effet, la vitesse de décharge des glaciers groenlandais s’est accrue d’un facteur deux en quelques années (Rignot et Karagaratnam, 2006). Une accéléra-tion considérable semble se produire également dans les glaciers antarc-tiques (Rignot et al., 2008). Si ces flots de glace plus rapides persistent au cours des années et des décennies à venir, la montée du niveau de la mer à la f in du vingt et unième siècle

dépassera sans doute considérablement les quelques centimètres estimés anté-rieurement et cités dans le quatrième rappor t du Giec (Solomon et al., 2007). Encore une fois, le fait que la couverture glaciaire soit en général une des composantes « lentes » du sys-tème terrestre ne préjuge pas de possi-bles franchissements de seuils et de brusques changements lorsque des niveaux critiques sont atteints. Tout comme pour les brusques changements de la circulation thermohaline qui sont vraisemblablement à l’origine de la rapide variabilité climatique constatée dans les enregistrements paléoclima-tiques, de brusques changements de niveau de la mer sont possibles dans certaines circonstances, comme attesté par des enregistrements passés ou par les preuves paléo-océanographiques de débâcles massives d’icebergs.

D’autres sources de changements brusques dans le système climatique sont également très probables, un bon exemple en sont les changements dans la végétation. Dans la zone subsaha-rienne, par exemple, la désertification a été très rapide au cours des récentes décennies. Il y a plusieurs milliers d’années, cette région était beaucoup plus verte et fertile et justifiait le nom de « Sahara vert » qui lui a été donné pour souligner la différence par rap-port à la situation présente. Le lac Tchad était vingt à trente fois plus étendu qu’aujourd’hui, et on lui a donc donné le nom de lac Méga-Tchad. Dans la région du Tassili, dans le sud de l’Algérie, on trouve de l’art pariétal qui dépeint du bétail et des hippopotames dans des lieux qui sont de nos jours dépourvus de toute végétation. Nous ne savons pas exactement à quelle vitesse le Sahara vert a été remplacé par un sol à moitié ou complètement désertique, mais certaines indications suggèrent que cela a pu arriver très vite. En effet, il y a un fort couplage entre végétation et précipitations dans ces zones semi-déser tiques. Quand la végétation commence à régresser, les précipitations en font autant car une grande part de l’eau est recyclée entre végétation et atmo-sphère, la végétation agissant comme réservoir. Il est donc facile de franchir un seuil critique de précipitations en dessous duquel ce recyclage n’est plus suffisant pour maintenir la végétation, ce qui, à son tour, va encore réduire les précipitations. Lorsque le seuil est franchi, ce mécanisme amplificateur amène à un changement brusque, à la fois dans les précipitations et la végé-tation. De tels phénomènes sont sous

étroite surveillance en ce moment, par-ticulièrement au sujet du sort de la forêt humide amazonienne au cours du prochain siècle. En effet, la plupart des modèles climatiques actuels prévoient sa disparition. Cependant, cette conclu-sion peut être prématurée, vu le carac-tère encore g rossier des modèles actuels de végétation.

Beaucoup de ces changements brusques récemment découverts partagent une structure mathématique commune, appelée bifurcation nœud-col dans le langage des systèmes dynamiques ou de la théorie des catastrophes. C’est en fait le moyen le plus simple d’induire des transitions ou des discontinuités en uti-lisant comme base un système d’équa-tions continues telles que les lois de la physique. Cela peut être illustré par un simple polynôme du troisième degré, y=x3₊λx. Si λ est positif, y est toujours

une fonction croissante de x et il est possible de définir la fonction inverse x(y) comme la racine unique de l’équa-tion du troisième degré. Mais si λ est négatif, y est généralement croissant, mais décroît dans une portion limitée. En conséquence, la fonction n’est plus univoque et il y a alors trois fonctions inverses x(y) qui peuvent être définies sur une certaine partie, comme cela est montré dans la figure 2. Il y a deux valeurs de seuil y1et y2qui délimitent le

domaine où ces solutions cubiques exis-tent. Si y représente un paramètre exté-rieur qui induit un changement et si x est la réponse du système, nous pou-vons comprendre pourquoi la réponse x peut changer brusquement, même si le forçage y varie continûment et si les lois fondamentales sont continues.

Si d’autres types de bifurcation sont possibles, ce cas simple permet déjà de comprendre l’idée sous-jacente à ce

que le Giec a appelé les « surprises cli-matiques ». Il n’y a en effet aucune garantie que le système climatique se comporte « gentiment » si les concen-trations de gaz à effet de serre anthro-piques croissent de plus en plus. Au contraire, il est tout à fait possible que des changements brusques aient lieu, à une échelle locale ou même planétaire. Des progrès considérables ont été faits grâce aux observations satellitaires, aux mesures de terrain et aux simula-tions précises de l’état actuel de l’at-mosphère et de l’océan. Tout cela a aidé à caractériser le chemin « lisse » que notre climat présent est en train de suivre sous l’influence du forçage anthropique. Cependant, c’est avant tout par l’étude des climats passés que des f igures plus complexes ont émergé, avec des frontières qui doivent être évitées si nous ne voulons pas entraîner notre planète vers des terri-toires inexplorés.

Développements

futurs

Les sciences du climat se sont déve-loppées rapidement au cours de la der-nière décennie et vont certainement continuer sur leur lancée durant les années qui viennent. Les développe-ments futurs peuvent suivre plusieurs directions nouvelles dont je vais don-ner un aperçu pour conclure. Les cli-matologues scientifiques ont établi un lien causal clair entre le climat plané-taire présent et le forçage anthropique, comme les deux derniers Rapports

d’évaluation du Giec le mettent en

évi-dence. Cette démonstration est proba-blement assez convaincante pour que la société commence à prendre de

sérieuses initiatives pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. Il y a maintenant une très forte demande de projections plus locales détaillant les impacts climatiques sur les ressources en eau, l’agriculture et d’autres sec-teurs économiques. De telles études vont sans aucun doute faire florès dans le futur et, une fois encore, l’interdisci-plinarité sera la clé requise pour les réaliser. Plusieurs défis sont associés à ces développements.

D’abord, le travail en interdisciplinarité est toujours un déf i en soi. Dans le domaine des sciences de la Terre, cet exercice est devenu assez habituel, car les scientifiques doivent utiliser des concepts issus de la physique pour étu-dier la dynamique de l’atmosphère ou des océans, des concepts de la chimie pour étudier leurs compositions chi-miques, des concepts de la biologie pour étudier les interactions physiques et chi-miques entre la végétation ou le phyto-plancton avec le reste du système climatique. Pourtant, si nous voulons nous attaquer à la question des impacts du changement climatique, d’autres col-laborations sont indispensables, en parti-culier avec les sciences économiques et sociales. C’est probablement l’un des défis les plus difficiles à venir, car la division entre les sciences naturelles et humaines est bien large et profondément enracinée. Il faudra probablement atten-dre une nouvelle génération de jeunes scientifiques, capables de rassembler les discours des deux communautés sur de tels problèmes et d’utiliser les concepts des deux parties pour créer une science plus intégrée des impacts du change-ment climatique.

Il y a déjà des progrès en cours au sujet des impacts sur les écosystèmes naturels et agricoles. Mais ils sont essentiellement

Figure 2 - La bifurcation nœud-col est la source la plus simple de transitions climatiques brusques. Sur le graphique de gauche, une variation continue de la variable y induit une variation continue de x. À droite, ce n’est plus le cas au-delà d’un certain seuil. Par exemple, en partant des plus grandes valeurs de y et en faisant décroître y de façon continue, x décroît de façon continue jusqu’à la valeur du seuil y1. Si y décroît encore, la solution x doit faire un saut de la courbe du haut à la courbe du bas et la variation de x est discontinue. Il en est de même si y croît et dépasse la valeur de seuil y2.

x

x

y = x

_{+ x}

_{y = x}

_{- x}

limités à des études tout à fait spé-cifiques ou locales. Ainsi, les modèles de végétation disponibles réalisent une simulation mécanique des échanges à travers le système sol-plante-eau-atmosphère. Il est donc possible d’entre-prendre des études traitant des conséquences des changements environ-nementaux sur la physiologie des plan-tes décriplan-tes dans les modèles. Mais, encore une fois, ces modèles sont jeunes et incomplets. Ils ne tiennent pas compte de tout le spectre de processus physiolo-giques agissant dans la plante en connexion avec son environnement, mais seulement des processus de base, comme la photosynthèse et la respira-tion, les besoins en eau, carbone et nitra-tes. Cependant, ces modèles peuvent d’ores et déjà être utilisés pour des étu-des d’impact, avec la possibilité d’adap-tations à des spécificités locales, comme le type de plante, la nature du sol, l’hy-drologie locale, etc. Clairement, prévoir les récoltes futures est une question éco-nomique importante. Un territoire beau-coup moins connu est le territoire écologique. En particulier, jusqu’à quel point la biodiversité est-elle une variable critique ?

Les modèles de végétation actuels ne prennent pas en compte la complexité des interactions écologiques. À la base, ils supposent qu’il est possible de déf inir une sorte de comportement fonctionnel moyen de l’écosystème en termes d’énergie, de flux d’eau et de carbone. Mais il est clair que les systè-mes réels peuvent subir des change-ments par bien d’autres mécanismes importants et connus, par exemple la compétition écologique entre espèces différentes, les migrations dans le contexte de changements environne-mentaux, la résilience (ou l’absence de résilience) vis-à-vis d’événements spo-radiques tels que les maladies ou les infections de parasites. Il est de plus en plus largement reconnu que la diversité des espèces végétales et animales est un élément critique dans la stabilité des écosystèmes. L’érosion de la biodi-versité peut donc avoir des implica-tions significatives qui ne peuvent être envisagées par nos modèles de système terrestre. Il sera clairement essentiel de travailler à développer de tels concepts dans les futurs modèles.

Une autre difficulté de tels exercices concerne les échelles spatiales et tem-porelles. En effet, les projections cli-matiques ne sont possibles qu’à de grandes échelles spatio-temporelles. On peut fournir des scénarios futurs robustes pour des variables climatiques

moyennées à l’échelle régionale, comme la température ou les précipita-tions. Mais, des valeurs locales et extrêmes seraient beaucoup plus perti-nentes pour évaluer les risques poten-tiels. Jusqu’à maintenant, les modèles physiques utilisés pour prévoir le cli-mat planétaire ou régional ne sont pas suffisamment efficaces pour fournir une telle information. En réduisant la taille des grilles numériques et en ajou-tant de nouveaux processus physiques dans les modèles d’échelle fine, des chercheurs espèrent aboutir à une pré-vision déterministe. D’autres explorent des procédures de nature plus statis-tique. En effet, les modèles régionaux sont très gourmands en ressources informatiques. Ils peuvent fournir des ensembles d’évolutions du temps local détaillées jour par jour. Mais il serait hautement désirable d’obtenir des modèles de climat « local » capables de prévoir la distribution statistique des variables climatiques sans cal-culer explicitement l’évolution tempo-relle des réalisations individuelles. Malheureusement, nous sommes actuellement incapables d’inférer de tels modèles climatiques idéaux à par-tir des lois de la physique et, malheu-reusement, il n’y a pratiquement pas de recherche fondamentale dans cette direction. Il nous reste donc l’option de construire des modèles statistiques du climat local qui puissent prendre en compte, et prévoir, à la fois, les moyen-nes et les valeurs extrêmes. Ces modè-les ont de nombreux avantages sur modè-les modèles physiques traditionnels : ils sont plus économes en temps de cal-cul, ils sont adaptables à de nombreu-ses situations différentes, ils peuvent plus facilement jouer avec les incerti-tudes des données et des suppositions de départ en projetant leur influence dans le résultat final. Il est clair que les statistiques sont déjà bien impliquées dans beaucoup d’autres exercices d’é-valuation de risques. De plus, il y a actuellement de nouveaux développe-ments très prometteurs dans le domaine des statistiques qui peuvent être appliqués aux problèmes climato-logiques de descente d’échelle et d’ex-trêmes. Ils vont probablement contribuer aux évaluations des impacts du réchauffement planétaire sur de nombreux éléments de notre environ-nement naturel et socio-économique. Qu’en est-il du climat global ? Comme mentionné auparavant, nous ne som-mes qu’aux premiers stades de déve-loppement des modèles du système terrestre. De plus, on a maintenant compris que le système climatique se

comporte de façon brutale en certaines circonstances et il faudra évidemment poursuivre l’exploration de tels phéno-mènes, en particulier par des études paléoclimatiques, afin de documenter aussi complètement que possible la diversité de la dynamique du système terrestre. Mais, il y a un tel besoin de prévision des impacts climatiques qui sont susceptibles de se produire dans les décennies à venir, que, chez beau-coup de scientif iques, il existe une crainte que des questions fondamenta-les au sujet du système terrestre ou du climat global soient occultées. Espérons que ce ne sera pas le cas, vu les nombreuses avancées prometteuses qui ne semblent pas si inaccessibles. En particulier, nous nous approchons sûrement d’une théorie plus complète des changements climatiques du qua-ternaire, grâce aux progrès récents de la paléoclimatologie et de la modélisa-tion climatique. Un tel aboutissement serait le premier grand succès de modélisation de changements réels du système terrestre, incluant les change-ments associés dans l’extension des calottes glaciaires, le niveau de la mer, la couverture végétale et les réorgani-sations du cycle du carbone. Cela est d’autant plus intéressant que la cons-truction d’un cadre cohérent pour ces changements nous permettrait de met-tre en relief plusieurs questions cri-tiques sur le futur de notre planète. En effet, ce cadre servirait de référence pour les modèles de climat ou du sys-tème terrestre. Il nous permettrait aussi d’étudier de façon plus détaillée com-ment les écosystèmes naturels se sont adaptés dans le passé à de tels change-ments. Là encore, cela fournirait une estimation de la performance, sur un cas réel, des procédures actuellement développées, par exemple les tech-niques de descente d’échelle, les outils statistiques d’événements extrêmes ou les modèles écologiques. Et l’on peut également appliquer ce principe à pro-pos de l’évolution des sociétés humai-nes dans le contexte de changements environnementaux locaux et planétai-res. Malgré la difficulté d’extrapoler à des évolutions de la société future, éta-blir une trame solide de l’évolution conjointe du climat, de l’environ-nement et de la société fournirait cer-tainement d’utiles indications sur notre situation présente et future.

Les climats quaternaires ont l’avantage considérable d’être bien documentés à travers des enregistrements géologiques dans l’océan, les calottes glaciaires et l’ensemble des continents. De plus, la

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Bibliographie

chronologie de cette période est tout à fait bien avérée. C’est pourquoi des progrès significatifs ont été possibles et seront possibles dans le futur. Cette période a d’ailleurs connu des change-ments brusques et importants qui fournissent une large gamme de change-ments possibles dans l’environnement. Mais réduire le champ d’investigation à ces derniers millions d’années n’est probablement pas suffisant. En effet, nous nous approchons actuellement d’une crise planétaire qui pourrait partager beaucoup de caractéristiques

avec ce que les scientifiques appellent transitions géologiques, comme la transition paléocène-éocène, il y a cin-quante-cinq millions d’années, qui fut probablement causée par des gaz à effet de serre induisant un réchauffement planétaire. Ces crises passées ont tou-jours provoqué une sorte de fascination chez les scientif iques. Pourtant, les outils scientifiques disponibles jusqu’à présent ont toujours été limités à l’étude des fossiles, et des conclusions sans équivoque sont parfois difficiles à tirer. Là aussi, le défi représenté par le

chan-gement climatique actuel est de suggé-rer la façon dont la Terre peut changer, dans tous ses aspects, dans le futur. Les outils de modélisation actuellement en construction sont bien sûr hautement sophistiqués, mais ils manquent souvent d’une validation par le réel qui évalue-rait leurs performances. Cela est notam-ment le cas lorsque des prévisions concernent des changements ou des perturbations de grande échelle dans les écosystèmes. Est-il possible que la paléontologie devienne la science du futur ?