VARIABILITE CLIMATIQUE PASSEE, CHANGEMENT CLIMATIQUE FUTUR : QUE PEUT-ON REELLE- MENT OBSERVER?

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1 VARIABILITÉ DU CLIMAT Caroline NORRANT 1 VARIABILITE CLIMATIQUE PASSEE, CHANGEMENT CLIMATIQUE FUTUR : QUE PEUT-ON REELLE- MENT OBSERVER? 1 Université des Sciences et Technologies de Lille. EA 4019 TVES. UFR de Géographie et Aménagement. Av. Paul Langevin Villeneuve d'ascq France Tél : Fax : Mél : RÉSUMÉ Le changement climatique est analysé au travers de l'évolution des températures de surface mais également d'autres paramètres, comme les précipitations ou la banquise marine. Il est également tenu compte de la variabilité naturelle du climat, qui se distingue du changement climatique lorsque l'on s'intéresse à des échelles de temps beaucoup plus longues. Afin d'expliquer ces modifications, les causes naturelles et anthropiques des variations climatiques sont également traitées, à différentes échelles de temps et d'espace. Pour terminer, leurs conséquences sur l'augmentation globale des températures attendue pour la fin du XXI e siècle sont envisagées. INTRODUCTION Dans le contexte actuel de changement climatique, même si l'ensemble de la communauté scientifique s'accorde sur la réalité d'une modification de climat et sur un réchauffement global à venir (IPCC, 2007), il reste encore parfois malaisé de faire la part entre une réelle modification qui serait en train de se produire et la variabilité naturelle du climat. En effet, il est coutumier d'entendre, lorsque se produisent des événements extrêmes, qu'il est encore trop tôt pour les imputer au changement climatique, et qu'il est plus prudent à l'heure actuelle de les considérer comme de la variabilité interannuelle naturelle au climat. C'est pourquoi cet article se propose d'appréhender la modification du climat à différentes échelles temporelles, mais également spatiales. Dans un premier temps, l'analyse portera sur la variabilité naturelle du climat, dans laquelle sera replacée le changement climatique, selon différents paramètres climatiques. Puis les causes des variations climatiques, aussi bien naturelles que d'origine humaine, seront étudiées. Enfin, l'évolution future du système climatique jusqu'en 2100, telle que présentée par les modèles, sera envisagée. I - LA VARIABILITE CLIMATIQUE A PLUSIEURS ECHELLES DE TEMPS 1 - L'évolution des températures moyennes de surface Les variations depuis le milieu du XIX e siècle A partir de 1854, suite à la conférence internationale de Bruxelles qui établit un protocole de mesure des données océaniques par les navires marchands, il est possible de représenter les températures moyennes de surface pour les deux Air Pur N 72 - Deuxième semestre

2 hémisphères et pour la totalité du globe (Fig.1). Des enregistrements continentaux ont débuté avant cette date, mais il est impossible de créer une moyenne globale. Il faut tout de même préciser que ces séries, même si elles sont admises comme valides par la communauté scientifique, restent quand même incertaines, surtout au début de la période. - une phase stationnaire de 1856 à 1920 environ, avec entre ces dates des phases plus ou moins froides ; - une première hausse entre 1920 et 1940 environ, lors de laquelle les températures moyennes de surface augmentent de près de 0,5 C ; - une nouvelle phase de stagnation entre 1940 et 1980 ; il est même possible d'y discerner une faible diminution dans l'hémisphère nord ; - une seconde phase de hausse à partir de la fin de la décennie Cependant, en s'intéressant à des échelles de temps plus brèves, des variations importantes des températures moyennes de surface peuvent également se produire. Par exemple, à l'échelle globale, la température moyenne de surface diminue de 0,3 C (soit environ la moitié de la variation observée sur l'ensemble de la période) entre 1998 et 2000, ou bien encore elle augmente de presque 0,4 C entre 1876 et Cela montre qu'une grande prudence est de mise lorsqu'un nombre réduit d'années est analysé. Les dix années les plus chaudes depuis 1856 se produisent toutes depuis Cependant, cette évolution est un peu abstraite et masque notamment d'importants écarts dans l'espace (Fig.2). Figure 1 : Evolution des températures de surface hémisphériques et globales (d'après IPCC, 2007) Nous remarquons toutefois que la température moyenne de surface a augmenté de près de 1 C depuis la fin du XIX e siècle jusqu'à la fin du XX e siècle. La valeur admise par la communauté scientifique est de +0,6 C, avec une marge d'erreur de ±0,2 C, de 1856 à la fin du XX e siècle. Cette hausse n'est cependant pas régulière, et quatre phases peuvent être distinguées : Ainsi, la tendance observée lors de la phase de hausse thermique de la fin du XX e siècle montre que la température augmente presque partout excepté sur quelques secteurs très précis dans les océans de l'hémisphère sud et en quelques points de l'hémisphère nord. La hausse est particulièrement marquée sur le centre de l'amérique du Nord, le nord-est de l'europe et l'est de l'eurasie, mais moins importante dans la zone tropicale. Ceci signifie que l'augmentation moyenne observée au niveau planétaire est à nuancer dans l'espace, et qu'elle ne représente pas parfaitement l'évolution thermique de chaque région du globe, puisqu'il existe des différences aux échelles spatiales plus fines. 6 - Air Pur N 72 - Deuxième semestre 2007 Figure 2 : Tendances des températures en points de grille (d'après IPCC, 2007)

3 Les variations thermiques sur le long terme Lorsque l'analyse tente de replacer l'évolution contemporaine dans un contexte plus vaste (Fig.3), il apparaît que la température moyenne de surface a augmenté de 0,8 C environ depuis la fin du XIX e siècle, avec deux phases de hausses plus importantes (entre 1920 et 1940 et depuis 1975 environ). Sur une période plus longue, la température moyenne de surface est relativement stable, avec toutefois une diminution notable entre 1600 et 1900 environ (cette baisse est appelée le «petit âge glaciaire»). Ainsi la période actuelle ne semble pas beaucoup plus chaude que celle dite de «l'optimum médiéval», entre 1100 et 1350 environ. tions entre les périodes glaciaires (les températures sont 6 à 10 C inférieures à celles d'aujourd'hui) et interglaciaires (les températures oscillent entre ±2 C par rapport à aujourd'hui). C'est dire donc s'il faut nuancer l'augmentation observée des températures au cours du XX e siècle, puisque remises dans un contexte beaucoup plus large, les quantifications de la hausse correspondent à des valeurs déjà observées à d'autres époques. Cependant, ce n'est pas pour autant qu'il faille nier l'actuelle modification du climat, dont la hausse des températures représente une des facettes les plus visibles. 2 - Evolution contemporaine d'autres paramètres climatiques C'est pourquoi après la hausse constatée des températures moyennes de surface qui, même si elle est constatée globalement, observe tout de même des nuances dans le détail régional, d'autres paramètres climatiques peuvent également refléter le changement climatique global qui est en train de se produire. Parmi les plus visibles et accessibles, les précipitations seront analysées dans un premier temps, puis la banquise et les glaciers continentaux. Figure 3 : Evolution des températures globales depuis l'an 1000 (d'après Petit et al., 1999) Sur une période encore plus longue, la température moyenne de surface a varié sans doute de moins de 2 C depuis presque ans (Fig.4). Elle peut donc être considérée comme stable à cette échelle de temps. La principale modification se situe vers BP, avec la fin de la dernière glaciation (appelée le Würm en Europe) : la température moyenne de surface varie alors de 6 à 10 C entre une période glaciaire et interglaciaire. La Figure 4 présente ainsi l'évolution des températures reconstruites à partir du carottage de Vostok en Antarctique oriental, qui permet de remonter jusqu'à ans avant le présent. Les températures montrent de très fortes varia- L'évolution des précipitations Les mesures de précipitations sont dans l'ensemble de moins bonne qualité que celles des données thermiques : ceci s'explique par le fait que les précipitations sont un champ discontinu dans l'espace, contrairement aux températures. L'observation en est donc plus incertaine. La tendance générale est plus difficile à décrypter (Fig.5), cependant il est possible de déterminer : - l'augmentation la plus forte au cours du XX e siècle concerne les précipitations des moyennes et hautes latitudes en automne et en hiver ; - les latitudes subpolaires sont plutôt le siège d'une diminution des précipitations ; - dans la zone tropicale les variations des pluies sont plutôt disparates. Cependant, tout comme pour les températures, ces variations des précipitations masquent de fortes disparités locales. Figure 4 : Evolution des températures depuis BP (d'après Petit et al., 1999) La banquise et les glaciers continentaux Cet exemple est traité car le bilan glaciaire dépend à la fois des températures et des précipitations, deux paramètres qui viennent d'être examinés. Globalement, l'extension des glaciers a diminué depuis la fin du XIX e siècle, tout comme la banquise marine arctique (Fig.6a), suivie par satellite depuis la décennie Cependant pour cette dernière, la diminution s'est faite rapidement en , puis après cette date la diminution s'est poursuivie, mais plus faiblement, avec même un léger gain entre 1996 et L'évolution de la banquise marine antarctique montre le même Air Pur N 72 - Deuxième semestre

4 Figure 5 : Tendances des précipitations au XX e siècle (d'après IPCC, 2007) profil (Fig.6b) avec une diminution brutale de son extension entre 1973 et 1977, suivie d'une phase de stabilité, voire une légère augmentation à partir de la décennie II - LES ORIGINES DES VARIA- TIONS DU CLIMAT 1 - Les causes de la variabilité climatique La constante solaire Les variations de la constante solaire existent sur quasiment toutes les échelles de temps. Leur influence la mieux connue se produit aux échelles de 10 à 100 ans, et est liée à différents cycles ; tout d'abord le cycle des tâches solaires, zones sombres sur le soleil associées à des facules, c'està-dire des tâches plus claires émettant plus d'énergie : l'apparition et la disparition de ces tâches, se produisant sur une période de 11 ans, entraîne de faibles variations de l'émission d'énergie par le soleil (modification de 1 W.m 2 environ). Une seconde variation est un cycle plus lent, d'échelle séculaire (90 à 100 ans), entraînant des variations de l'énergie émise par le soleil de 3-4 W.m 2. Toutefois, ces modifications restent faibles et n'ont que peu de conséquences sur l'évolution des températures de surface, si ce n'est parfois dans le cas des cycles séculaires, le climat ayant le temps de réagir à la modification du rayonnement solaire. Les paramètres orbitaux Les paramètres orbitaux sont au nombre de trois, il s'agit de l'obliquité (l'angle formé entre le plan équatorial et le plan de l'écliptique), l'excentricité 8 - Air Pur N 72 - Deuxième semestre 2007 Figure 6 : Evolution de la banquise marine arctique (a) et antarctique (b) (d'après IPCC, 2007)

5 Figure 7 : Les paramètres orbitaux (d'après ENS, 2007) (l'orbite de la Terre autour du soleil se fait selon une ellipse dont le soleil est un des foyers) et la précession (le lent changement de direction de l'axe de rotation de la Terre) (Fig.7). Leurs variations ne modifient pas la quantité de rayonnement solaire qui arrive sur Terre en moyenne annuelle, mais elles modifient sa répartition spatiale et saisonnière, créant ainsi une alternance entre périodes glaciaires et interglaciaires. En effet, le pointclé pour que commence une glaciation est la quantité d'énergie solaire arrivant aux hautes latitudes de l'hémisphère nord en été (au-delà de 65 N), car seul cet espace peut supporter une grande extension des inlandsis : ce qui est important n'est pas tant que la neige tombe en hiver, mais surtout qu'elle ne fonde pas en été (elle se transformera alors en glace l'hiver suivant, et s'épaissira au fil du temps). Les conditions les plus favorables à l'enclenchement d'une glaciation sont alors une Terre la plus éloignée du soleil lors de l'été boréal associée à une faible obliquité, favorisant ainsi un été frais et long ; inversement, les conditions les plus favorables à une déglaciation sont une forte obliquité et une distance Terresoleil minimale lors de l'été boréal. D'autre part, des boucles de rétroaction internes au système climatique peuvent amplifier la réponse du climat, le stabilisant alors dans un état glaciaire ou interglaciaire. Les autres facteurs naturels D'autres facteurs naturels sont susceptibles d'intervenir dans les variations du climat, comme par exemple le volcanisme : celui-ci produit un important forçage radiatif dans le sens d'un refroidissement, mais qui est très bref dans le temps (2 à 3 ans au maximum). Cette influence nécessite l'injection d'une grande quantité de soufre dans la stratosphère, qui constitue alors une sorte de «voile» qui augmente l'albédo planétaire. La température baisse donc en surface (de -0,2 à -0,4 en général), mais cette action est limitée dans le temps. Sur des échelles de temps beaucoup plus importantes (à l'échelle de millénaires), d'autres facteurs naturels peuvent encore modifier le climat, comme par exemple la tectonique des plaques, qui modifie la répartition des terres et des mers et peut fermer des bassins océaniques, l'orogénèse qui peut agir sur l'écoulement de l'air et donc sur la circulation atmosphérique générale, ou encore certains phénomènes cosmiques (collision avec un astéroïde, passage dans un nuage de poussières stellaires ) qui peuvent modifier radicalement le climat. 2 - Les activités humaines et leur influence sur le climat L'action de l'homme sur le climat se manifeste par la modification des états de surface continentaux (défrichement et début de l'agriculture), mais surtout par la modification de la composition chimique de l'atmosphère. Il a ainsi été découvert dans les glaciers alpins des preuves de pollution de l'air au plomb datant de l'époque romaine Cependant, ces modifications sont restées locales et assez insignifiantes jusqu'au XX e siècle, pendant lequel l'influence anthropique est devenue massive, surtout lors de la seconde moitié de ce siècle. Une autre modification fondamentale récente est le changement d'échelle spatiale : en modifiant la composition chimique de l'atmosphère avec des gaz y résidant longuement (au moins 10 ans), les Air Pur N 72 - Deuxième semestre

6 conséquences de cette modification sur le climat seront mondiales (en effet, les gaz résideront dans l'atmosphère plus longtemps que le temps nécessaire à un brassage de la totalité de l'atmosphère - 6 mois pour un hémisphère et un an pour le globe). L'évolution des gaz à effet de serre Depuis le début de l'industrialisation, les concentrations de gaz à effet de serre dans l'atmosphère ont augmenté (Fig.8). Certains de ces gaz existaient dans la nature avant l'intervention de l'homme (CO 2, CH 4, O 3, N 2 O ); d'autres en revanche sont synthétiques et ne se rencontrent pas à l'état naturel (comme par exemple les CFC, HCFC, HFC etc.). Certaines mesures ont débuté dès le XIX e siècle, mais les mesures directes et continues ne commencèrent qu'après la seconde guerre mondiale. Le dioxyde de carbone est mesuré directement Figure 8 : Evolution de différents gaz à effet de serre (IPCC, 2007) depuis 1957 au pôle sud et 1958 à Hawaï (à Mauna Loa) : ces deux sites étant éloignés des sources majeures d'émission de CO 2, ils permettent de mesurer la «pollution de fond» de l'atmosphère en dioxyde de carbone (Fig.9). En 1958, la concentration en CO 2 atteignait 315 ppm avec un taux d'accroissement de 0,6 ppm/an. La concentration actuelle est d'environ 380 ppm. Les concentrations atmosphériques des autres gaz à effet de serre (CH 4, N 2 O et CFC) ont également augmenté depuis le XIX e siècle (Fig.8). Les taux enregistrés n'ont jamais été aussi élevés. Le cas des CFC est toutefois particulier : les principaux CFC (CFC-11 et CFC-12) ont théoriquement été éliminés par les protocoles de Copenhague (1992) et de Montréal (1987). Cependant, même si la production a été stoppée, leur concentration dans l'atmosphère restera stable encore de nombreuses années en raison de la durée de vie de ces composés dans l'atmosphère (de 50 à 100 ans). La modification des états de surface : l'exemple de la déforestation Les grands massifs forestiers des zones tropicales (bassin de l'amazone, du Congo, Indonésie et Nouvelle-Guinée) jouent un rôle fondamental du point de vue climatique : elles représentent des lieux d'ascendance majeure quasi-permanente de la circulation atmosphérique tropicale. Or, ces zones forestières subissent une forte pression anthropique, notamment la déforestation économique pour la vente du bois ou la culture de palmiers à huile. Certains feux qui s'y développent sont attribués aux variations climatiques (à cause d'une grande sécheresse liée au phénomène El Niño), mais d'autres sont le fait d'allumage volontaire et qui peuvent s'étendre en dehors de tout contrôle du fait des conditions météorologiques. L'extension actuelle de la forêt tropicale primaire est estimée à 57 % de son extension d'origine (FAO, 2007), la diminution ayant été la plus forte dans les zones de plus intense pression démographique : Amérique centrale, Afrique de l'ouest, Inde et Asie du sud-est. En Amazonie et sur le bassin du Congo l'extension de la forêt reste encore assez forte mais la dynamique actuelle de déforestation engendre une diminution sensible des surfaces forestières. Les conséquences climatiques attendues sur le lieu même de la déforestation sont une désertification, entraînée par un assèchement des sols. En effet, enlever les arbres change les conditions radiatives régionales et diminuent le recyclage de l'eau in situ, augmentant ainsi sur place les températures au niveau du sol. Les nouvelles conditions Figure 9 : Evolution de la concentration atmosphérique de CO2 à Mauna Loa et au Pôle sud (d'après IPCC, 2007) 10 - Air Pur N 72 - Deuxième semestre 2007

7 qui se mettent en place entretiennent alors des conditions de sécheresse. D'un point de vue global, les conséquences climatiques de la déforestation sont plus difficiles à appréhender, les conséquences exactes d'une modification du cycle de l'eau sur les continents et la circulation atmosphérique générale étant encore mal connues. Cependant, ces régions ayant un rôle important du point de vue climatique, ce ne serait pas trop s'avancer de supposer que si elles sont atteintes d'une modification majeure, le reste du climat terrestre, qui n'est pas indépendant de la région tropicale, risque de réagir en réponse à cette modification. III - L'EVOLUTION FUTURE DU SYSTEME CLIMATIQUE AU XXI e SIECLE Il a été vu précédemment que l'évolution des températures contemporaines comporte essentiellement deux phases de hausse : à partir de 1920 jusqu'en 1940, puis depuis Cette évolution est partiellement reproduite par les modèles climatiques : en effet, les paramètres naturels de variabilité climatiques, une fois pris en compte dans les modèles climatiques, sont capables d'expliquer à eux seuls la première phase de hausse des températures. Cependant pour expliquer la seconde phase de hausse, après 1975, il faut également tenir compte des forçages liés aux activités humaines, c'est-àdire à l'augmentation de la concentration atmosphérique des gaz à effet de serre. Cela constitue une preuve indirecte mais hautement probable que l'homme et ses activités ont une influence sur l'évolution constatée des températures, du moins depuis la fin du XX e siècle. L'évolution du système climatique au cours du XXI e siècle ne peut être abordée qu'au travers de simulations, c'est-à-dire en utilisant des modèles climatiques. Il n'est pas possible de faire une analogie avec une situation à peu près similaire ayant déjà eu lieu, étant donné qu'une élévation des concentrations de gaz à effet de serre telle que celle qui risque de se produire au cours du XXI e siècle n'a jamais été rencontrée jusqu'à présent. Toutefois, il est possible d'affirmer que les forçages «naturels» (les paramètres orbitaux et les éruptions volcaniques) vont continuer d'influencer le climat, mais les prévisions sont incertaines pour ces paramètres, si ce n'est concernant une élévation de la constante solaire jusqu'en 2040 environ, puis suivie d'une diminution. Les forçages liés aux activités anthropiques sont théoriquement plus contrôlables, malgré un degré d'incertitude. C'est pourquoi ils sont évoqués sous la forme de divers scénarios, qui représentent chacun différentes hypothèses d'émission de gaz à effet de serre par nos sociétés. Le point commun à tous ces scénarios d'émission est une augmentation de la concentration atmosphérique de gaz à effet de serre, qui sera plus ou moins importante en fonction des choix qui seront effectués à l'échelle planétaire (Fig.10). Dans le cadre de cette augmentation de la concentration atmosphérique de gaz à effet de serre, la température moyenne devrait augmenter de près de 3 C d'ici 2100, avec de fortes modulations temporelles et spatiales (Fig.11). En effet, l'élévation des températures sera plus importante dans les hautes latitudes de l'hémisphère nord, Figure 10 : Les différents scénarios d'émission de l'ipcc (d'après IPCC, 2007) Air Pur N 72 - Deuxième semestre

8 Figure 11 : Evolution modélisée des températures de surface mondiales pour 2100 (d'après IPCC, 2007) alors que certaines zones du Pacifique sud risquent de ne pas connaître d'évolution des températures. Cependant, la réponse de l'ensemble du système climatique et du cycle hydrologique en particulier est plus difficile à déterminer que l'évolution des températures. CONCLUSION Par conséquent, le changement climatique observé et à venir reste à appréhender avec de nombreuses précautions, non seulement du fait des diverses marges d'incertitudes liées à la reconstitution des données du passé et à la modélisation des données du futur, mais également à cause de l'échelle spatiale qui, si elle est trop fine, est difficile à reconstruire avec précision. Toutefois, il est un fait certain : c'est qu'un changement climatique, dû à l'homme et à ses activités, est en train de se produire. Ses premières traces sont visibles sur l'évolution des températures du XX e siècle, mais également sur d'autres paramètres, comme les précipitations ou la régression des calottes arctique et antarctique. De plus, cette modification du climat va se poursuivre sur l'ensemble du XXI e siècle et audelà, entraînant une hausse globale des températures. Toutefois, ce réchauffement ne sera pas homogène à l'échelle de la planète, et pourra se traduire par des augmentations plus ou moins fortes de la température, voire même des diminutions, selon les régions considérées. Il est donc particulièrement important de préciser l'échelle spatiale et temporelle sur laquelle porte l'analyse, le changement climatique déjà observé et attendu s'interprétant différemment selon l'échelle envisagée. BIBLIOGRAPHIE ENS (2007) http: //planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/xml/db/planetterre/metadata/lommilankov itch-passe.xml FAO (2007) IPCC (2007) Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 996 pp Petit, J.R., Jouzel J., Raynaud D., Barkov N.I., Barnola J.-M., Basile I., Bender M., Chappellaz J., Davis M., Delayque G., Delmotte M.,. Kotlyakov V.M, Legrand M., Lipenkov V.Y., Lorius C., Pépin L., Ritz C., Saltzman E., Stievenard M. (1999). Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica. Nature 399, SIGLES IPCC : Intergovernmental Panel on Climate Change CO 2 : dioxyde de carbone CH 4 : méthane O 3 : ozone N 2 O : protoxyde d'azote CFC : chlorofluorocarbure HCFC : hydrochlorofluorocarbure HFC : hydrofluorocarbure 12 - Air Pur N 72 - Deuxième semestre 2007