Que nous apprend l’étude des climats du passé ?

La réponse de

Auteur Valérie Masson-Delmotte

Valérie Masson-Delmotte

Directrice de recherche au CEA (Commissariat à l’énergie atomique), Valérie Masson-Delmotte travaille au laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (LSCE) où elle est responsable du groupe « Dynamique et archives du climat ». Elle s’intéresse à l'évolution du climat, à des échelles de temps allant des derniers siècles jusqu'aux glaciations, et à l'apport des climats passés pour tester le réalisme des modèles de climat. Elle a participé à deux campagnes de terrain au nord du Groenland. Valérie Masson-Delmotte a contribué à la rédaction des 4e et 5e rapports du GIEC (2007 et 2013) et au rapport Antarctic Climate and Environment (2009). Elle est l’auteure de plusieurs ouvrages pour le grand public dont Climat : le vrai et le faux (Paris, Le Pommier, 2011) et Les expéditions polaires (avec G. Jugie, Paris, Le Pommier, 2007).

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Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat
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Depuis les années 1990, l’étude des climats passés a permis de caractériser précisément l’évolution du climat à des échelles de temps allant de l’année au siècle, que ce soit pour la période historique récente ou pour les instabilités rapides du climat glaciaire.

Les instabilités rapides du climat glaciaire

Des analyses détaillées d’enregistrements du climat de la dernière glaciation (entre 115 000 ans et 11 700 ans avant notre ère) ont révélé l’occurrence d’instabilités rapides du climat se produisant en quelques dizaines d’années. Ces événements abrupts, appelés dans les glaces du Groenland « événements de Dansgaard-Oeschger1 », sont marqués par une phase froide, suivie d’un réchauffement abrupt pouvant atteindre, au Groenland, de 8 °C à 16 °C en quelques décennies ou en quelques siècles, puis d’un retour plus graduel à une phase froide.

Ces instabilités ont des répercussions globales. Ainsi les épisodes chauds sont-ils associés à un déplacement vers le nord des forêts en Europe ou bien à des moussons plus intenses en Asie du Sud-Est. Cependant, ces événements rapides ne sont pas synchrones sur toute la Terre. On observe une bascule entre hémisphère nord et hémisphère sud. Pendant les phases froides au Groenland, l’Antarctique se réchauffe lentement, de 1 °C à 3 °C, puis se refroidit lentement au cours des épisodes chauds au Groenland. Cette bascule bipolaire témoigne d’une réorganisation du transport de chaleur par la circulation océanique.

En effet, l’analyse des sédiments marins dans l’Atlantique nord démontre des changements majeurs de courants marins liés à des changements de densité de l’eau de mer, eux-mêmes engendrés par des apports d’eau douce en provenance des calottes nord-américaine et européenne. La dernière instabilité rapide de ce type s’est produite il y a environ 8 200 ans, au début de la période chaude actuelle. La vidange brutale d’un grand lac, formé par la fonte de la calotte nord-américaine, a provoqué un changement des courants marins de l’Atlantique nord et un refroidissement de quelques degrés autour de l’Atlantique nord pendant deux siècles.

Ces instabilités rapides du climat constituent une caractéristique commune à toutes les périodes glaciaires du dernier million d’années. Elles participent étroitement aux entrées en glaciation et aux déglaciations. En effet, le démarrage de la dernière déglaciation (il y a 19 000 ans) ressemble beaucoup aux événements rapides glaciaires. Les données paléoclimatiques montrent une lente montée du niveau des mers en réponse aux changements d’orbite terrestre. Ce phénomène s’accompagne d’un réchauffement en Antarctique puis d’une augmentation de la teneur en dioxyde de carbone. En revanche, le Groenland reste froid en raison des changements de courants marins liés à la fonte des calottes de l’hémisphère nord. Lorsque la circulation océanique transporte à nouveau, brutalement, de la chaleur vers l’hémisphère nord, cela se traduit par un réchauffement abrupt au Groenland ou en Europe mais par une pause du réchauffement en Antarctique. Ces événements commencent à être simulés à l’aide de modèles de climat auxquels on impose un flux d’eau douce dans l’Atlantique nord.

Reconstruire les variations du climat du dernier millénaire

Sans commune mesure avec l’ampleur des instabilités glaciaires, les petites variations du climat au cours des derniers millénaires sont examinées avec beaucoup d’attention. Certaines archives du climat donnent accès à des informations datées à la saison près. Tel est le cas des cernes annuels de croissance des arbres ou des stries de croissance des coraux. Des méthodes statistiques ont été développées pour combiner différentes sources d’information et pour estimer la variabilité, année par année, de la température moyenne (annuelle ou pour des saisons spécifiques) à l’échelle de grandes régions (comme l’Europe), d’un hémisphère ou du globe. Ces reconstructions suggèrent des fluctuations modestes de la température moyenne à la surface de la Terre (moins de 1 °C) et permettent de caractériser la structure spatiale de ces changements. Par exemple, l’« anomalie médiévale2 » (épisode chaud entre les années 950 et 1200) et le « Petit Âge de glace » (épisode froid entre les années 1300 et 1850) ont particulièrement été marqués aux moyennes et hautes latitudes nord.

 

<p>Comparaison de différentes estimations de la température moyenne à la surface de l’hémisphère nord au cours des derniers 1 300 ans. Chaque courbe de couleur correspond à une estimation utilisant des méthodes statistiques et des jeux de données différents (informations historiques, mesures issues de cernes d’arbres, de coraux, de glaces, de sédiments marins, etc.). La courbe noire correspond aux mesures météorologiques (HadCRUT2v). La courbe grise, qui ne montre qu'une lente tendance sans fluctuations, provient de la synthèse de données de température mesurées dans des trous de forage sur les continents. En effet, les fluctuations thermiques à la surface des continents entraînent une diffusion de la chaleur dans les sols, en profondeur. L'inversion de ces profils verticaux de température (après prise en compte du flux de chaleur géothermique) permet d'estimer l'ordre de grandeur des changements passés de température.<br />
Toutes les séries sont lissées pour éliminer les fluctuations de moins de 30 ans et sont présentées par rapport à la même période de référence (1961-1990). Chaque estimation est associée à une barre d’erreur qui n’est pas représentée ici.</p>




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 Les enregistrements paléoclimatiques permettent également de caractériser les facteurs externes qui ont pu affecter l’évolution du climat au cours du dernier millénaire :

  • l’activité volcanique, en particulier les éruptions injectant des particules dans la haute atmosphère, qui ont un effet global et dont les retombées peuvent être identifiées dans les glaces polaires du Groenland et de l’Antarctique ;
  • l’activité solaire (grâce aux isotopes cosmogéniques3 produits dans la haute atmosphère et enregistrés dans les anneaux de croissance des arbres et les glaces polaires) ;
  • les changements d’usage des sols (déforestation et extension des zones cultivées), estimés à partir de données archéologiques et historiques ;
  • la composition atmosphérique (gaz à effet de serre et aérosols), connue grâce aux analyses de l’air et des aérosols dans les glaces polaires.

Il est alors possible de simuler le climat du dernier millénaire en prescrivant aux modèles de climat les estimations de ces facteurs externes. Comme l’état initial du climat est mal connu (par exemple, la dynamique de l’océan profond il y a 1 000 ans), des ensembles de simulations sont réalisés avec différents états initiaux. Ces simulations permettent de comprendre, sur le plan théorique, la manière dont les différents facteurs externes affectent le climat et de confronter celle-ci aux données disponibles. L’analyse des données et des simulations du dernier millénaire montre l’importance de la variabilité interne du climat, sa réponse aux facteurs naturels (volcanisme, activité solaire, etc.) et le rôle déterminant des émissions de gaz à effet de serre dans le réchauffement des dernières décennies.

Notes

  • 1. Du nom des glaciologues danois (Willi Dansgaard) et suisse (Hans Oeschger) qui ont découvert ces événements abrupts au Groenland.
  • 2. Cet épisode porte également le nom d’« Optimum médiéval ».
  • 3. Molécules produites par l’activité solaire dans l’atmosphère telles que le carbone 14 et le béryllium 10.

Glossaire

  • Glaciation
    Époque caractérisée par la présence de calottes glaciaires sur l’Amérique du Nord et sur l’Eurasie, qui atteignent, par endroits, de 4 à 5 km d’épaisseur et s’étendent sur plusieurs milliers de kilomètres. Cette période est également marquée par une chute du niveau moyen des mers (jusqu’à 130 m au dernier maximum glaciaire, il y a environ 20 000 ans).
    [D’après : Marie-Antoinette Mélières (LGGE) en collaboration avec Estelle Poutou - © CNRS/sagascience]
  • Période glaciaire
    Voir « Glaciation »
  • Déglaciation
    Période de transition rapide entre un climat glaciaire et un climat interglaciaire, associée à une fonte de calottes de glace et à un réchauffement global.
  • Orbite terrestre
    La forme de l’orbite que trace la Terre autour du Soleil et l’orientation de l’axe de rotation de la Terre par rapport au plan de cette orbite sont définies par plusieurs éléments : excentricité, obliquité et précession des équinoxes. Ces paramètres modulent la distribution de l’ensoleillement sur la Terre selon les latitudes et les saisons.
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