Le point sur le changement climatique Présentation devant la Commission du développement territorial durable de la Conférence des OING 5 octobre 2010 Conseil de l’Europe - Strasbourg Julien BILLAULT-CHAUMARTIN Ingénieur météorologue Météo Géné Julien Billault Chaumartin

Le point sur le changement climatique Introduction Evolution climatique récente Les causes possibles Les projections climatiques Incertitudes et débat

Introduction Les changements climatiques ont toujours existé sur Terre Les climats de cette époques sont essentiellement reconstitués à partir d’études des glaces, des pollens et des sédiments marins  L’étude des glaces Aujourd’hui, les glaciologues arrivent à reconstituer les températures en étudiant la composition isotopique des glaces. La molécule d'eau est composée d'un atome d'oxygène associée à deux atomes d'hydrogène. L'oxygène est un mélange de trois isotopes naturels: 16O (99,76%), 17O (0.04%) et 18O (0.20%). Dans le cycle de l’eau, l’isotope lourd 18O se déplace plus difficilement que l’isotope léger 16O. Il s’évapore moins facilement à l’équateur et tombe fréquemment avec les précipitations qui rythment le voyage de l’eau jusqu’aux pôles. Les calottes polaires sont donc plus pauvres en isotope lourd que les océans, et ce d’autant plus que le climat est froid. Ainsi, pour les glaciologues, une glace pauvre en 18O provient d’une époque de climat froid alors qu’une glace moins pauvre en 18O provient d’une époque de climat chaud. Parallèlement, l’analyse des bulles d’air emprisonnée dans la glace a permis d’analyser la teneur en dioxyde de carbone et méthane de l’atmosphère. Les scientifiques ont ainsi pu déceler un lien entre cette variable et l’évolution des températures au cours du temps L’étude des pollens A l’échelle du globe, les grandes zones de végétation tendent à se disposer parallèlement aux grandes zones climatiques dans de vastes écosystèmes appelés biomes. Les forêts de conifères se situent plutôt dans des zones relativement froides alors que les forêts de feuillus se développent plutôt dans les zones tempérées. L’étude des pollens (palynologie) contenus dans les carottes sédimentaires de milieux humides permet de reconstituer les zones de végétation passées en fonction des exigences climatiques propres aux espèces. Chaque espèce végétale est caractérisée par son pollen (taille, forme, aspect…). La paroi résistante du grain de pollen peut le protéger durant des milliers d’années s’il est enfoui dans des sédiments de milieux humides. Le dénombrement et l’identification des pollens permettent de reconstituer le spectre pollinique d’un biome. Celui-ci caractérise une population végétale et ainsi son environnement climatique à un moment donné dans un lieu donné. Les exigences écologiques strictes de certaines espèces permettent même parfois de reconstituer les températures et pluviométries moyennes annuelles. L’étude des sédiments marins Les organismes marins élaborent leurs coquilles à partir des éléments chimiques contenus dans l’eau de mer, dont l’oxygène. Le rapport isotopique de l’oxygène constituant ces coquilles retrouvées dans les sédiments marins permet de retracer l’histoire climatique de notre planète. En effet, l’évolution du rapport isotopique 18O/16O dans l’eau évolue au rythme inverse de celui des calottes glaciaires. Un océan, et donc des sédiments, riche en 18O implique des calottes glaciaires pauvres en 18O et un climat froid. Exemple : carottage Concordia 2004

Introduction Le plus souvent, ces changements climatiques passés ont été lents (plusieurs siècles ou millénaires). Leurs causes sont naturelles (modification de la composition de l’atmosphère, variation des paramètres orbitaux de la Terre, etc..) Nous nous intéresserons ici qu’aux variations récentes du climat terrestre, depuis que les mesures instrumentales se sont généralisées, permettant un suivi précis du climat (fin du 19° siècle)

Evolution climatique récente Nous résumons ci-après l’évolution globale de différents paramètres climatiques en nous référant au dernier rapport du GIEC (2007) Températures globales en surface : + 0,8°C depuis 1850

Evolution climatique récente Evolution des précipitations « Les précipitations globales semblent avoir augmenté de quelques pourcents au cours du XX° siècle, ce qui n’est pas forcément significatif. Mais on note de fortes disparités géographiques » Evolution de la couverture nuageuse : incertitudes « des observations de surface et par satellite ne s’accordent pas sur les variations de nébulosité totale et océaniques à basse altitude » Evolution de la quantité de vapeur d’eau : « Depuis le début des mesures par satellites, on observe, à l’échelle globale, une tendance à l’augmentation de la quantité de vapeur d’eau atmosphérique, mais avec des disparités régionales et temporelles »

Evolution climatique récente Evénements extrêmes Phénomènes de petite échelle : tornades, grêle, orages. Pas de preuve d’évolution Augmentation des épisodes de fortes précipitations et davantage de cyclones tropicaux intenses Sécheresses plus intenses et plus longues, surtout dans les régions tropicales Pas de tendance sur la fréquence et la force des tempêtes extratropicales, mais probablement une circulation un peu plus polaire GIEC rapport 2007 : « Il n’y a pas d’éléments suffisants permettant de déterminer s’il existe une tendance d’occurrence d’événements tels que les tornades, la grêle, la foudre et les tempêtes de poussières qui s’observent à petite échelle spatiale ». « Des augmentations substantielles d’événements de fortes précipitations ont été observées.» « Les observations mettent en évidence une augmentation de l’activité des cyclones tropicaux intenses dans l’Atlantique du Nord depuis environ 1970, corrélée avec des augmentations de température de surface des océans tropicaux. » « Des sécheresses plus intenses et plus longues ont été observées dans des secteurs plus larges, particulièrement dans les régions tropicales depuis les années 1970. » Il n’a pas été mis en évidence une augmentation de la force ou de fréquences des tempêtes extra tropicales, mais « des maxima plus élevés de vents d’ouest à latitude moyenne ont lieu dans les deux hémisphères à la plupart des saisons, d’au moins 1979 à la fin des années 1990, et des déplacements vers les pôles des courants-jets atlantiques et sud-polaires correspondants ont été documentés ». « Les tendances climatiques régionales peuvent différer fortement de la moyenne mondiale, étant le reflet de changements des circulations et des interactions de l’atmosphère et de l’océan et d’autres composantes du système climatique 

Evolution climatique récente Modifications de la cryosphère Fonte et recul de la plupart des glaciers de montagne GIEC, rapport 2007 : « Pendant le XXe siècle, les glaciers ont subi des pertes massives étendues, ce qui a contribué à l’élévation du niveau de la mer ». La Mer de Glace (Chamonix) 1916 2001

Evolution climatique récente Modifications de la cryosphère : Couverture neigeuse plus faible « Dans l’hémisphère nord, la couverture neigeuse observée par satellite au cours de la période 1966 à 2005 a diminué pour chaque mois, sauf en novembre et décembre » Diminution de l’étendue de la banquise arctique

Modifications océaniques Elévation du niveau de la mer GIEC, rapport 2007 : « Durant la période allant de 1961 à 2003, le taux moyen d’élévation moyenne mondiale du niveau de la mer est estimé, selon les jauges des marées, entre 1,8 ± 0,5 mm/an. Le taux moyen mondial d’élévation du niveau de la mer mesuré par le satellite d’altimétrie TOPEX/ Poséidon de 1993 à 2003 est de 3,1 ± 0,7 mm/an. Il existe une confiance élevée dans l’affirmation selon laquelle le rythme d’élévation du niveau de la mer s’est accéléré entre la moitié du XIXe siècle et la moitié du XXe siècle, si l’on se base sur les données de mesures marégraphiques et géologiques. » GIEC, rapport 2007 Moyennes annuelles du niveau moyen mondial de la mer sur la base de reconstructions de niveaux de zones de la mer (en rouge), mesures marégraphiques (en bleu), et altimétrie par satellite depuis 1992 (en noir). Les unités sont en millimètres par rapport à la moyenne de 1961 à 1990. Les barres d’erreur sont calibrées à 90% des intervalles de confiance

Evolution climatique récente Conclusion « Les changements dans l’atmosphère, la cryosphère et les océans montrent de façon indiscutable que le monde se réchauffe » « Dans les deux hémisphères, les régions terrestres se sont réchauffées à une vitesse plus rapide que les océans dans les dernières décennies, conformément à la plus grande inertie thermique des océans. »  « Le réchauffement climatique est conforme aux augmentations observées dans le nombre de chaleurs extrêmes journalières, les réductions dans le nombre de froids extrêmes journaliers, et les réductions dans le nombre de gelées sous les latitudes moyennes. » « Les changements dans l’atmosphère, la cryosphère et les océans montrent de façon indiscutable que le monde se réchauffe » « La température de l’air à la surface de la terre et celles de la surface de la mer indiquent un réchauffement. Dans les deux hémisphères, les régions terrestres se sont réchauffées à une vitesse plus rapide que les océans dans les dernières décennies, conformément à la plus grande inertie thermique des océans. » « Le réchauffement climatique est conforme aux augmentations observées dans le nombre de chaleurs extrêmes journalières, les réductions dans le nombre de froids extrêmes journaliers, et les réductions dans le nombre de gelées sous les latitudes moyennes.» « Les tendances de températures de surface depuis 1979 sont désormais conformes à celles d’altitudes plus élevées ». « Les changements de température sont globalement conformes à la réduction de la cryosphère observée presque partout dans le monde. » « Les observations de l’élévation du niveau de la mer depuis 1993 sont conformes aux changements observés dans l’enthalpie des océans et de la cryosphère » « Les observations sont conformes à la compréhension physique en ce qui concerne le lien attendu entre vapeur d’eau et température, et avec l’intensification des précipitations dans unmonde plus chaud ».

Causes possibles des variations climatiques récentes Bilan énergétique Forçage radiatif Variation de l’activité solaire Concentration des gaz à effet de serre (GES) Aérosols Modification de la surface terrestre Interaction océans/atmosphère Météo Géné Julien Billault Chaumartin

Bilan énergétique Le climat dépend de l’équilibre énergétique Soleil/Terre Les climats sur notre planète dépendent directement ou indirectement de la quantité d’énergie solaire reçue Cet équilibre énergétique est fragile et tout changement dans un des flux énergétiques conduira à un nouvel équilibre correspondant à un nouveau climat Toute variation durable d’un de ces flux énergétiques entraînera un changement climatique

Forçage radiatif Recherche des éléments (naturels ou anthropiques) entraînant des variations directes ou indirectes de l’énergie reçue par la terre : forçage radiatif Introduction Nous allons recenser les causes qui peuvent expliquer les variations climatiques observées. Elles sont à l’origine de variation climatiques se produisant à des échelles de temps très différentes les unes des autres. Les climats sur notre planète dépendent directement de la quantité d’énergie solaire reçue. Nous allons donc rechercher les éléments susceptibles d’entraîner des variations du rayonnement ; ce que nous appellerons des « forçages radiatifs » La plupart sont parfaitement naturelles ou même extérieures à la terre, mais nous verrons aussi que certaines sont d’origine anthropique ou accentuées par les activités humaines ; les effets de ces dernières ne peuvent être que récents. Dérives des continents Cause naturelle –effet sur 10 à100 millions d’années Dans ce cours nous ne remonterons pas jusqu’aux changements climatiques (et leurs causes) depuis l’origine de la Terre (4 à 5 milliards d’années), mais nous évoquons quand même cette dérive des continents, très ancienne par rapport à l’origine de l’homme, mais récente dans l’histoire de la Terre Il est bien évident que la séparation du continent unique (la Pangée) en 5 continents qui n’ont cessé de dériver les uns par rapport aux autres a eu des conséquences climatiques importantes, notamment en modifiant la position géographique des continents, et donc la quantité d’énergie solaire reçue réellement qui varie en fonction de la latitude

Variation de l’activité solaire « La cause principale connue de variabilité actuelle du rayonnement solaire est la présence sur le disque solaire de taches solaires » « Le forçage radiatif direct dû aux changements des émissions solaires depuis 1750 est évalué à +0,12 [+0,06 à +0,3] W/m2 ». Mais « niveau de compréhension scientifique encore faible » « Des associations empiriques ont été envisagées entre l’ionisation de l’atmosphère par un rayonnement cosmique modulé par le soleil et la couverture nuageuse moyenne globale de basse altitude, mais la preuve d’un effet solaire indirect systématique reste à démontrer. »

Les gaz à effet de serre Principaux GES H2O CO2 CH4 / N2O / O3 / CFC Toute modification de la concentration de ces GES modifiera l’effet de serre et aura une conséquence climatique Cette capacité radiative de l’atmosphère est due essentiellement à la présence de gaz capables d’absorber et d’émettre du rayonnement infrarouge ; on les appelle gaz à effet de serre ; La majorité de ces gaz existent à l’état naturel.  Le plus répandu : la vapeur d’eau (H2O), surtout présente dans les nuages.  Le plus connu : le gaz carbonique (CO2)  Les autres : le méthane (CH4), l’ozone (O3), les oxydes d’azote (N2O), les CFC (Chlorofluorocarbones). Toute modification de la concentration dans l’atmosphère de ces gaz à effet de serre entraînera une modification des flux énergétiques concernés et aura des conséquences climatiques Contribution à l’effet de serre des principaux GES

Gaz à effet de serre (GES) La concentration des principaux gaz à effet de serre, sans grande variation depuis le dernier réchauffement interglaciaire (10 à 12 000 ans), a brusquement augmenté depuis le début de l’ère industrielle « De multiples éléments tentent à prouver que l’augmentation postindustrielle de ces gaz n’est pas liée à des mécanismes naturels » Les principaux forçages radiatifs d’origine anthropique pouvant avoir contribué au changement climatique du XX°siècle sont à rechercher dans les concentrations des gaz à effet de serre et des aérosols, ainsi que dans la modification de la surface terrestre. La concentration des principaux gaz à effet de serre, sans grande variation depuis le dernier réchauffement interglaciaire (10 à 12 000 ans), a brusquement augmenté depuis le début de l’ère industrielle, comme le montre la figure ci-après (GIEC, rapport 2007) « Les concentrations actuelles de CO2 atmosphérique et de CH4 excèdent de beaucoup les relevés de valeurs préindustrielles mesurées par carottage des glaces polaires remontant jusqu’à 650 000 ans. De multiples éléments tentent à prouver que l’augmentation postindustrielle de ces gaz n’est pas liée à des mécanismes naturels » Concentrations et forçage radiatif dus au dioxyde de carbone (CO2 en a), au méthane (CH4 en b), au protoxyde d’azote (N2O en c) et taux de variation de leur forçage radiatif combiné (en d) pendant les 20 000 dernières années, reconstitués à partir des glaces de l’Antarctique et du Groenland, des données fournies par les bulles d’air et des mesures atmosphériques directes Les barres grises montrent les marges reconstituées de variabilité naturelle au cours des 650 000 dernières années. Le taux de changement du forçage radiatif (ligne noire du tableau d) a été calculé à partir de données lissées de concentration.

GES – Gaz carbonique « Lors des dernières décennies, les émissions de CO2 n’ont cessé d’augmenter. Les émissions mondiales annuelles fossiles de CO2 ont augmenté, passant d’une moyenne de 6,4 ± 0,4 GtC/an dans les années 1990 à 7,2 ± 0,3 GtC/an au cours de la période 2000 à 2005 ». « Près de 45% de ce CO2 est resté dans l’atmosphère alors que 30% a été absorbé par les océans, le reste par la biosphère terrestre. » « Près de la moitié du CO2 rejeté dans l’atmosphère est absorbée après un séjour de l’ordre de 30 ans, 30% au bout de quelques siècles, et les 20% restant y séjournent généralement pendant plusieurs milliers d’années. » « Les augmentations de CO2 atmosphérique depuis les temps préindustriels sont responsables d’un forçage radiatif de +1,66 ± 0,17 W m–2, une contribution qui domine tous les autres agents de forçage radiatif considérés dans ce rapport. »

Les autres GES Méthane (CH4) : origine naturelle + anthropique Durée de vie dans l’atmosphère : environ 12 ans Potentiel de réchauffement climatique : 21 fois le CO2 Concentration double de sa valeur préindustrielle Forçage estimé : +0.48 W/m2 Protoxyde d’azote (N2O) : Origine essentiellement anthropique Durée de vie dans l’atmosphère : 100 à 120 ans Potentiel de réchauffement climatique : 310 fois le CO2 Forçage estimé : +0,16 W/m2 Halocarbures (CFC/HCFC) : Origine anthropique Durée de vie dans l’atmosphère et potentiel de réchauffement climatique variables, mais souvent très importants Forçage estimé : +0,32 W/m2 Protoxyde d’azote (NO2) Durée de vie dans l’atmosphère : environ 114 ans Potentiel de réchauffement climatique : 310 fois le CO2 « L’augmentation de N2O depuis l’ère préindustrielle contribue actuellement à un forçage radiatif de +0,16 ± 0,02 W m–2 et est due principalement aux activités humaines, particulièrement à l’agriculture et aux changements d’affectation des sols correspondants. » « La concentration de N2O en 2005 était de 319 ppb, soit environ 18 % plus élevée que sa valeur préindustrielle. Le protoxyde d’azote a augmenté à peu près linéairement d’environ 0,8 ppb/an lors des dernières décennies. » Halocarbures (CFC/HCFC) Durée de vie dans l’atmosphère et potentiel de réchauffement climatique variables, mais souvent très importants. « Les chlorofluorocarbures (CFC) et hydrochlorofluorocarbures (HCFC) sont des gaz à effet de serre d’origine purement anthropique et utilisés dans une large variété de d’applications. Les émissions de ces gaz ont diminué en raison de leur interdiction progressive par le Protocole de Montréal » « Groupés, ces gaz ont contribué à un forçage radiatif de +0,32 ± 0,03 W m–2 en 2005,et représentent environ à 12% du total de forçage des gaz à effet de serre à longue durée de vie »

Les autres GES Ozone (03) : origine naturelle + anthropique Ozone troposphérique : en augmentation, courte durée de vie et grande variabilité spatiale et temporelle. Forçage estimé : +0,35 W/m2 Ozone stratosphérique : diminution (trou d’ozone). Forçage estimé : -0,05 W/m2 Vapeur d’eau (H2O) : forçage anthropique direct négligeable, mais contribue très probablement, par « rétroaction », à la hausse des températures globales. Ozone (03) « Le forçage radiatif de l’ozone troposphérique est estimé entre +0,35 [+0,25 à +0,65] W m–2, évalué à un niveau moyen de compréhension scientifique » « L’ozone troposphérique est un gaz à effet de serre à courte durée de vie produit par les réactions chimiques à partir de précurseurs dans l’atmosphère. Il est de grande variabilité spatiale et temporelle » « Le forçage radiatif lié à la destruction de l’ozone stratosphérique causée par les gaz listés dans le Protocole de Montréal est estimé à –0,05 ± 0,10 W m–2, avec un niveau moyen de compréhension scientifique » « La tendance à une disparition mondiale de plus en plus grande de l’ozone stratosphérique observée pendant les années 1980 et les années 1990 n’est plus en cours; cependant, l’ozone stratosphérique mondial est toujours environ 4% au-dessous des valeurs mesurées avant 1980, et il n’est pas encore possible de dire si la reconstitution de l’ozone a commencé. En plus de la destruction chimique de l’ozone, des changements dynamiques peuvent avoir contribué à la réduction de l’ozone aux latitudes moyennes dans l’hémisphère nord » Parts et évolution des émissions de gaz à effet de serre GIEC, rapport 2007 : a) Émissions annuelles de GES anthropiques dans le monde, 1970–2004.5 b) Parts respectives des différents GES anthropiques dans les émissions totales de 2004, en équivalent-CO2. c) Contribution des différents secteurs aux émissions totales de GES anthropiques en 2004, en équivalent-CO2. (La foresterie inclut le déboisement). Vapeur d’eau (H2O) « L’émission directe de vapeur d’eau par des activités humaines apporte une contribution négligeable au forçage radiatif. Cependant, en raison de l’augmentation de la température moyenne mondiale, la concentration troposphérique de vapeur d’eau augmente, ce qui représente des réactions clés, mais pas un facteur de forçage susceptible d’aboutir à un changement climatique. » « Sur la base des études faites à l’aide de modèles chimiques de transport, on estime le forçage radiatif de l’augmentation de la vapeur d’eau stratosphérique liée à l’oxydation de CH4 à +0,07 ± 0,05 W m–2. »

Les aérosols Aérosols volcaniques Particules ou gouttelettes très fines restant en suspension dans l’atmosphère : naturelles (poussières volcaniques, cristaux de sel marin, sable), ou anthropiques (résidus de combustion, émissions agricoles). Concentration variable, dépendant de l’activité volcanique, mais globalement accentuée par les rejets anthropiques Ils produisent un forçage radiatif direct négatif (absorption et réflexion du rayonnement solaire), mais ont des effets indirects climatiques complexes Aérosols volcaniques « Les éruptions volcaniques explosives augmentent considérablement la concentration d’aérosols sulfatés dans la stratosphère. Une seule éruption peut ainsi refroidir le climat moyen mondial pendant quelques années. » Pas d’éruption volcanique majeure depuis celle du Pinatubo en 1991, mais les risques existent Les aérosols (cause naturelle, accentuée par les activités humaines) Il s'agit de particules très fines et de gouttelettes assez petites pour rester en suspension dans l'atmosphère pendant très longtemps. Elles réfléchissent le rayonnement solaire et l'absorbent également Les principaux aérosols proviennent des éruptions volcaniques, des cristaux de sels marin, du sable soulevés par le vent, des particules provenant de différentes combustions. Beaucoup sont naturels, mais certains sont d’origine anthropique (combustions, poussières industrielles, émissions agricoles, etc…). Leur concentration dans l’atmosphère est naturellement variable (à cause notamment de la variabilité des aérosols volcaniques), mais l’ajout des aérosols d’origine anthropiques provoque une augmentation de cette concentration. Les aérosols ont deux effets : ils réfléchissent ou absorbent la lumière, selon leur couleur leurs particules servent aussi de noyaux de condensation, et donc ils favorisent la formation de nuages. Les aérosols ont un effet radiatif direct négatif (absorption ou réflexion du flux solaire), c’est-à-dire que l’augmentation de leur concentration dans l’atmosphère conduit à un refroidissement de la température à la surface de la terre. On estime que l’éruption du Pinatubo en juin 1991 a entraîné un refroidissement global de 0,2 ° C pendant quelques mois. Mais ils ont des effets radiatifs indirects (contribution à la formation de nuages), beaucoup plus difficiles à estimer.Beaucoup sont naturels, mais certains sont d’origine anthropique (combustion des minéraux fossiles ou certains incendies)  

Les aérosols anthropiques « Le forçage radiatif direct des aérosols est aujourd’hui quantitativement bien mieux évalué qu’auparavant. Pour la première fois, l’on peut estimer le forçage radiatif combiné des aérosols anthropiques à -0,5 ± 0,4 W/m2, avec un niveau moyen à bas de compréhension scientifique « Les émissions anthropiques mondiales de sulfates ont diminué au cours de la période 1980 à 2000 et la distribution géographique du forçage dû au sulfate a changé elle aussi. » « Les effets des aérosols anthropiques sur les nuages d’eau causent un effet albédo indirect dont la meilleure estimation est établie à –0,7 [–0,3 à –1,8] W/m2. » « Le forçage radiatif direct des aérosols est aujourd’hui quantitativement bien mieux évalué qu’auparavant, ce qui représente une avancée majeure dans sa compréhension scientifique. Pour la première fois, l’on peut estimer le forçage radiatif combiné des aérosols pour tous les types d’aérosols à -0,5 ± 0,4 W/m2, avec un niveau moyen à bas de compréhension scientifique. « Deux inventaires récents d’émissions s’appuient sur des données provenant des carottes glaciaires et suggèrent que les émissions anthropiques mondiales de sulfates ont diminué au cours de la période 1980 à 2000 et que la distribution géographique du forçage dû au sulfate a changé elle aussi. » « Les effets des aérosols anthropiques sur les nuages d’eau causent un effet albédo indirect dont la première meilleure estimation est établie à –0,7 [–0,3 à –1,8] W m–2. » « D’autres effets dus aux aérosols comprennent l’effet de la durée de vie des nuages, l’effet semi-direct et les interactions entre les nuages de glace et les aérosols. Ces effets sont considérés comme faisant partie de la réponse climatique plutôt que comme des forçages radiatifs. »

Modification de la surface terrestre Cause d’origine anthropique Forçage radiatif par modification de l’albédo On citera : Urbanisation et hausse locale de la température Modifications hydrologiques (lacs artificiels, irrigation, etc..) Déforestation de grande échelle et modification thermique et hydrique. On a souvent un forçage radiatif négatif par hausse de l’albédo. Surexploitation des terres en milieu semi-aride et désertification A mesure que les humains remplacent la forêt par des terres agricoles ou la végétation naturelle par de l’asphalte et du béton, ils modifient grandement la façon dont la surface terrestre réfléchit la lumière solaire et libère de la chaleur.(albédo) Tous ces changements peuvent aussi modifier les configurations régionales de l’évaporation, du ruissellement et des pluies. Ces modifications sont restées faibles et localisées jusqu’au XIX° siècle, mais ont beaucoup augmenté depuis, notamment sous la poussée démographique récente   On mettra en évidence : L’urbanisation et la hausse locale des températures Les impacts de la déforestation de grande échelle (Amazonie, Afrique et Asie équatoriales) sur les régimes thermiques (augmentation des amplitudes) et hydriques (baisse des précipitations). Le forçage radiatif de la déforestation est généralement négatif puisqu’il provoque une augmentation de l’albédo, et donc une diminution de la quantité d’énergie solaire absorbée par la surface terrestre. La surexploitation des sols et de la végétation dans les régions arides et la désertification récemment observée,

Bilan des forçages radiatifs GIEC, rapport 2007 « Forçages radiatifs (FR) moyens à l’échelle mondiale, et leurs intervalles de confiance de 90% en 2005 pour divers agents et mécanismes. Dans les colonnes de droite sont indiquées les meilleures estimations et les intervalles de confiance (valeurs FR) ; mesure géographique typique du forçage (échelle spatiale) ; et niveau de compréhension scientifique (LOSU) indiquant le niveau de confiance scientifique Les erreurs pour CH4, N2O et les halocarbures ont été combinées. La figure illustre aussi le forçage radiatif anthropique net et sa marge d’erreur. Les meilleures estimations et les marges d’incertitude ne peuvent pas être obtenues par l’addition des termes individuels en raison des marges d’incertitude asymétriques pour quelques facteurs. Les facteurs de forçage supplémentaires non inclus ici sont considérés comme ayant un LOSU très bas. Les aérosols volcaniques sont considérés comme une forme supplémentaire de forçage naturel, mais ne sont pas inclus ici en raison de leur nature épisodique. La marge d’erreur pour les cotras d’aviation n’inclut pas les autres effets possibles de l’aviation sur la nébulosité »

Bilan des forçages radiatifs « La compréhension anthropique sur le climat s’est améliorée, permettant d’avancer avec une confiance très élevée que l’effet des activités humaines depuis 1750 a été un forçage positif net de +1,6 [+0,6 à +2,4] W/m2. » « Les observations et les modèles indiquent que les changements du flux radiatif à la surface de la Terre affectent la chaleur superficielle et les bilans d’humidité, impliquant ainsi le cycle hydrologique. » « Les modèles spatiaux de forçages radiatifs pour l’ozone, les effets directs des aérosols, les interactions nuages / aérosols et l’affectation des terres ont des incertitudes considérables, contrairement à la confiance relativement élevée dans les modèles spatiaux de forçage radiatifs pour les gaz à effet de serre de longue durée. » « La compréhension anthropique sur le climat s’est améliorée, permettant d’avancer avec une confiance très élevée que l’effet des activités humaines depuis 1750 a été un forçage positif net de +1,6 [+0,6 à +2,4] W/m2. » A ce stade, il convient d’indiquer que ce forçage, à lui seul, entraînerait à l’équilibre (donc au bout d’un certain temps) une hausse globales des températures d’environ 0,5°C. Mais toute modification de la température terrestre aura des conséquences sur de nombreux paramètres (vapeur d’eau, nuages, albédo, etc) qui modifieront à leur tour les flux énergétiques et donc la température terrestre. Ces phénomènes de rétroactions seront abordés dans un autre chapitre. « Le type de réponse à un forçage radiatif peut fortement varier si sa structure est apte à affecter un aspect particulier de la structure atmosphérique ou de la circulation. » « Les observations et les modèles indiquent que les changements du flux radiatif à la surface de la Terre affectent la chaleur superficielle et les bilans d’humidité, impliquant ainsi le cycle hydrologique. » « Les modèles spatiaux de forçages radiatifs pour l’ozone, les effets directs des aérosols, les interactions nuages / aérosols et l’affectation des terres ont des incertitudes considérables, contrairement à la confiance relativement élevée dans les modèles spatiaux de forçage radiatifs pour les gaz à effet de serre de longue durée. » « Le forçage radiatif positif net dans l’hémisphère sud dépasse très probablement celui dans l’hémisphère nord à cause des moindres concentrations d’aérosols au sud. »

Variabilité climatique interne Des changements climatiques régionaux et même globaux de courte durée (mais pouvant atteindre quelques décennies) ont été détectés sans être associés à des forçage radiatifs externes ; c’est la variabilité climatique interne. Ils sont dus à des interactions de grande échelle entre l’atmosphère et les océans et se concrétisent par des « oscillations » de certains paramètres atmosphériques et océaniques. Les plus importantes sont : l’ENSO (El Nino South Oscillation) - la PDO (Pacific Decennal Oscillation)

L’ENSO Oscillation sur quelques mois à quelques années, mesurée par l’index MEI Alternance de phases « El Niño » (températures océaniques anormalement chaudes près du Pérou) et son opposée « La Niña » « El Niño » provoque après quelques mois un léger réchauffement global, et inversement « La Niña » un petit refroidissement

Oscillation décennale du Pacifique (PDO) Variation de la température de surface de la mer dans le Pacifique qui déplace la trajectoire des systèmes météorologiques de manière cyclique sur une période de plusieurs décennies PDO suivie par un index, dont l’évolution sur les 60 dernières années est assez proche de celle du MEI. En PDO positive, les « El Nino » sont plus fréquents et plus forts. C’est l’inverse en phase négative. L’oscillation décennale du Pacifique, mise en évidence assez récemment (1996 par Steven Hare) est une variation de la température de surface de la mer dans le bassin de l’océan Pacifique qui déplace la trajectoire des systèmes météorologiques de manière cyclique sur une période de plusieurs décennies, habituellement de 20 à 30 ans. L’ODP est repéré par le déplacement d’une large zone chaude ou froide, de la température de surface du Pacifique. Le déplacement des masses océaniques chaudes et froides a pour effet de déplacer la trajectoire du courant-jet polaire. Comme les dépressions se forment et se déplacent le long de ce dernier, la provenance des masses d’air qui affecte le continent va donc varier. Dans une phase froide, le courant-jet se retrouve plus au nord ce qui non seulement déplace les températures de l’air mais également les précipitations. En phase chaude, le courant-jet est plus au sud.

Comprendre et attribuer les changements climatiques récents GIEC, rapport 2001 : « La détection consiste à montrer qu’un changement observé diffère significativement (au sens statistique du terme) de ce qui pourrait s’expliquer par la seule variabilité naturelle. L’attribution consiste à établir, avec un certain degré de confiance, une relation de cause à effet, et notamment à évaluer les hypothèses concurrentes. » « D’après les estimations effectuées à l’aide des modèles actuels, il est fort peu probable que le réchauffement observé ces 100 dernières années soit uniquement dû à la variabilité interne. » - « seule une contribution anthropique considérable permet d’expliquer l’évolution observée dans la troposphère et à la surface du globe durant ces 30 dernières années au moins. » Dans son troisième rapport (2001), le GIEC, explique les méthodes de détection et d’attribution des changement climatiques : « La détection consiste à montrer qu’un changement observé diffère significativement (au sens statistique du terme) de ce qui pourrait s’expliquer par la seule variabilité naturelle. L’attribution consiste à établir, avec un certain degré de confiance, une relation de cause à effet, et notamment à évaluer les hypothèses concurrentes. » En raison de la variabilité naturelle du climat, la détection et l’attribution des changements climatiques anthropiques deviennent un problème statistique de différenciation des signaux et du bruit. Les études de détection permettent de déterminer si un changement observé est ou non hautement inhabituel au sens statistique du terme, sans pour autant en établir nécessairement les causes. L’attribution d’un changement climatique à des causes anthropiques suppose une analyse statistique ainsi que l’évaluation minutieuse de multiples sources de données, en vue de démontrer, avec une marge d’erreur définie à l’avance, que le changement observé a : - peu de chance d’être entièrement dû à la variabilité interne; - concorde avec les réactions estimées à une combinaison donnée de forçages anthropiques et naturels; ne concorde pas avec d’autres explications – concrètement plausibles – de l’évolution récente du climat qui excluent des éléments essentiels de la combinaison donnée de forçages. Conclusions du 3° rapport : « D’après les estimations effectuées à l’aide des modèles actuels, il est fort peu probable que le réchauffement observé ces 100 dernières années soit uniquement dû à la variabilité interne. » « D’après un certain nombre d’évaluations fondées sur des principes physiques et des simulations sur modèle, le forçage naturel ne peut expliquer à lui seul le réchauffement de la planète récemment observé, pas plus que les changements constatés de la distribution verticale de la température dans l’atmosphère. » « De nombreux éléments d’information témoignent des concordances qualitatives des changements climatiques observés et des réactions des modèles au forçage anthropique. D’après toutes les simulations qui ont été effectuées avec des gaz à effet de serre et des aérosols sulfatés dans le cadre d’études de détection, seule une contribution anthropique considérable permet d’expliquer l’évolution observée dans la troposphère et à la surface du globe durant ces 30 dernières années au moins. » « A la lumière des nouveaux éléments dont on dispose et compte tenu des incertitudes qui persistent, on peut conclure que la majeure partie du réchauffement observé ces 50 dernières années est probablement dû à l’augmentation de la concentration des gaz à effet de serre. » Principales incertitudes mentionnées : « des divergences entre les observations et les modèles pour ce qui est du profil vertical des variations de la température dans la troposphère. » « de grandes incertitudes au sujet des valeurs estimées de la variabilité interne du climat tirées des modèles et des observations. » « une incertitude considérable quant aux reconstitutions des forçages solaire et volcanique sauf pour les 20 dernières année »s « de grandes incertitudes pour ce qui est du forçage anthropique, liées aux effets des aérosols. » « une grande disparité de la réaction des divers modèles au même forçage. »

Comprendre et attribuer les changements climatiques récents GIEC 4° rap 2007 : « La confiance dans l’évaluation des contributions humaines aux récents changements climatiques a considérablement augmenté depuis le 3° rapport, en particulier à l’aide d’indicateurs plus fiables et à l’amélioration des modèles de simulation climatiques. » « Il est très probable que l’augmentation des gaz à effet de serre d’origine anthropique ait causé la plus grande partie de l’augmentation constatée des températures moyennes au niveau mondial depuis la moitié du XXe siècle ». « Il reste des difficultés à attribuer les variations de températures à plus petite échelle que l’échelle continentale et sur des horizons temporels inférieurs à 50 ans. » GIEC, 4° rapport « La confiance dans l’évaluation des contributions humaines aux récents changements climatiques a considérablement augmenté depuis le 3° rapport, en particulier à l’aide d’indicateurs plus fiables et à l’amélioration des modèles de simulation climatiques. » Dans le 4° rapport (2007), on peut lire : « Il est extrêmement improbable (<5%) que le schéma mondial de réchauffement observé durant le demi-siècle dernier puisse s’expliquer sans faire appel au forçage anthropique ». « Il est très probable que l’augmentation des gaz à effet de serre d’origine anthropique ait causé la plus grande partie de l’augmentation constatée des températures moyennes au niveau mondial depuis la moitié du XXe siècle. Sans le refroidissement induit par les aérosols atmosphériques, il est probable que les gaz à effet de serre seuls auraient causé une plus grande augmentation de température que celle qui a été observée au cours des 50 dernières années. » « Le forçage anthropique a probablement contribué à la récente diminution de la couverture glaciaire arctique. » « Il est très probable que la réponse au forçage anthropique ait contribué à l’élévation du niveau de la mer au cours de la deuxième moitié du XXe siècle, mais on ne comprend toujours pas bien la variabilité décennale de l’élévation du niveau de la mer. » « Le schéma de réchauffement troposphérique et de refroidissement stratosphérique, tel qu’il a été observé, est très probablement dû à l’influence du forçage anthropique, en particulier celui qui découle de la recrudescence des gaz à effet de serre et de la disparition de l’ozone stratosphérique. » « Il est probable qu’il y ait eu une contribution anthropique substantielle à l’augmentation de la température à la surface de la terre sur tous les continents à l’exception de l’Antarctique depuis le milieu du XXe siècle. » « Il reste des difficultés à attribuer les variations de températures à plus petite échelle que l’échelle continentale et sur des horizons temporels inférieurs à 50 ans. » « Les extrêmes dans la température à la surface de la terre ont probablement été influencés par le forçage anthropique. » « Les tendances constatées dans certaines oscillations océaniques au cours des dernières décennies, qui correspondent à une baisse de pression au niveau de la mer aux environs des pôles et aux variations liées dans la circulation atmosphérique, sont probablement liées, pour une part, aux activités humaines »

Comprendre et attribuer les changements climatiques récents « Il est extrêmement improbable (<5%) que le schéma mondial de réchauffement observé durant le demi-siècle dernier puisse s’expliquer sans faire appel au forçage anthropique ». Contribution anthropique « probable » sur les 50 dernières années : Diminution de la banquise arctique Elévation du niveau de la mer Réchauffement en surface, dans la troposphère ; refroidissement de stratosphère GIEC rapport 2007 : « Sans le refroidissement induit par les aérosols atmosphériques, il est probable que les gaz à effet de serre seuls auraient causé une plus grande augmentation de température que celle qui a été observée au cours des 50 dernières années. » « Le forçage anthropique a probablement contribué à la récente diminution de la couverture glaciaire arctique. » « Il est très probable que la réponse au forçage anthropique ait contribué à l’élévation du niveau de la mer au cours de la deuxième moitié du XXe siècle, mais on ne comprend toujours pas bien la variabilité décennale de l’élévation du niveau de la mer. » « Le schéma de réchauffement troposphérique et de refroidissement stratosphérique, tel qu’il a été observé, est très probablement dû à l’influence du forçage anthropique, en particulier celui qui découle de la recrudescence des gaz à effet de serre et de la disparition de l’ozone stratosphérique. » « Il est probable qu’il y ait eu une contribution anthropique substantielle à l’augmentation de la température à la surface de la terre sur tous les continents à l’exception de l’Antarctique depuis le milieu du XXe siècle. » « Il reste des difficultés à attribuer les variations de températures à plus petite échelle que l’échelle continentale et sur des horizons temporels inférieurs à 50 ans. » « Les extrêmes dans la température à la surface de la terre ont probablement été influencés par le forçage anthropique. » « Les tendances constatées dans certaines les oscillations océaniques au cours des dernières décennies, qui correspondent à une baisse de pression au niveau de la mer aux environs des pôles et aux variations liées dans la circulation atmosphérique, sont probablement liées, pour une part, aux activités humaines »

Projections climatiques et conséquences Les modèles climatiques Description et caractéristiques Pertinence et capacités Faiblesses Les projections climatiques

Description des modèles climatiques GIEC, rap 2007 : « Les modèles de circulation générale atmosphère/océan (MCGAO) sont l’outil de prédilection utilisé par les chercheurs pour comprendre et attribuer les variations climatiques du passé, et pour faire des projections dans l’avenir. » Ils prennent en compte : les échanges d’énergie (terre, mer, atmosphère, espace) les transferts radiatifs la circulation atmosphérique et océanique avec interactions pour certains les échanges de carbone Ils peuvent simuler plusieurs décennies d’évolution climatique avec une résolution de quelques centaines de kilomètres (parfois moins) « Les modèles de circulation générale atmosphère/océan (MCGAO) sont l’outil de prédilection utilisé par les chercheurs pour comprendre et attribuer les variations climatiques du passé, et pour faire des projections dans l’avenir. » Ces modèles globaux qui prennent en compte : les échanges d'énergie entre la terre, l'océan, l'atmosphère et l'espace les transferts radiatifs dans l'atmosphère, c'est à dire la manière dont le rayonnement solaire et celui émis par la terre traversent l'atmosphère ou sont absorbés par les divers gaz à effet de serre ou aérosols contenus dans cette dernière la circulation de l'air dans l'atmosphère, et donc les transports d'eau qui y sont associés la circulation océanique, et les interactions entre l'océan et l'atmosphère (couplage avec des modèles océaniques et des modèles de glace de mer) les nuages, (mais une modélisation correcte des nuages reste un des points où la marge de progression est très importante) pour certains, les échanges de carbone entre l'atmosphère et la planète Ils peuvent simuler plusieurs décennies d’évolution du climat avec une résolution de quelques centaines de kilomètres, ce qui ne permet pas de prendre en compte les phénomènes de petite échelle.

Pertinence des modèles climatiques Prévisions pour les prochaines décennies Vérification (en réalisant des prévisions dans le passé) de la pertinence des modèles et des hypothèses de travail Ces modèles permettent de faire des projections climatiques à grande échelle pour les prochaines décennies en introduisant différents forçages radiatifs. Mais on fait aussi des vérifications sur la pertinence de ces modèles et sur le bien-fondé de différentes hypothèses de forçage radiatif, en faisant travailler ces modèles dans le passé et en comparant leurs résultats avec les observations. « Les simulations des changements climatiques du XXe siècle ont été lancées sur de nombreux modèles nouvellement développés et ont permis de prendre en compte des forçages anthropiques et naturels qui n’étaient pas disponibles à l’expérimentation au temps du 3° rapport Une signature anthropique plus claire s’est dégagée des études d’attribution formelles d’aspects du système climatique allant au-delà de la température atmosphérique au niveau mondial, incluant les variations de la chaleur totale absorbée par les océans, les tendances de température au niveau continental, la circulation et l’étendue des glaces arctiques »GIEC, 4° rapport (a) Variations de la températuremondiale moyenne à la surface de la terre par rapport à la période 1901–1950, telles qu’elles ont été observées (ligne noire) et telles qu’elles ont été calculées par des simulations prenant en compte les forçages naturels et anthropiques. La courbe rouge épaisse indiquela moyenne de l’ensemble multi-modèle et les courbes jaunes claires minces indiquent les simulations une par une. Les lignes grises verticales indiquent les dates d’événements volcaniques majeurs.(b) comme pour (a), sauf que les variations simulées de la température mondiale moyenne sont basées sur le forçagenaturel uniquement. La courbe bleue épaisse montre la moyenne de l’ensemble multimodèles et les courbes bleu clair minces indiquent les simulations une par une. Sans forçage anthropique Avec forçage anthropique

Capacités des modèles climatiques Ces dernières années , les progrès ont été nombreux, avec des améliorations de simulation : des précipitations, de la pression au niveau de le mer de la température de surface, de certains régimes de nébulosité, des évènements extrêmes, des cyclones tropicaux et des dépressions extra tropicales du transport océanique de chaleur et la circulation thermohaline de certaines oscillations océaniques, surtout extra tropicales

Faiblesse des modèles climatiques On relève encore des différences importantes entre les modèles, surtout aux échelles régionales. On obtiendra des améliorations : en réduisant la dimension des mailles en prenant mieux en compte certains paramètres les nuages l’évaporation les aérosols le cycle du carbone - la circulation océanique profonde Si à l’échelle globale, les modèles donnent des résultats assez proches les uns des autres, on note des différences importantes à l’échelle régionale. A cette échelle, pour obtenir des projections plus fiables, il faudra améliorer ces modèles sur certains points : -         réduction de la taille des mailles -         meilleure prise en compte de certains paramètres : o       les nuages o       l’évaporation o       le rôle des aérosols o       les prévisions de concentration des gaz à effet de serre o       la circulation océanique profonde  

Les projections climatiques Hypothèses sur la forçages radiatifs et scénarios du GIEC Réactivité climatique et rétroactions Projections à court terme Projections jusqu’en 2100

Scénarios du GIEC Dans les modèles, il faut introduire l’évolution des forçages radiatifs anthropiques. Cette évolution a été définie par le GIEC selon 6 scénarios/hypothèses de croissance mondiale A : forte crois énergie B : crois mod peu énerg 1 : pop 2 : pop A1F1 : CO2 + A1T : CO2 - A1B : CO2 Hypothèses sur les forçages anthropiques et scénarios du GIEC Pour faire des projections climatiques sur plusieurs décennies, il est bien évidemment nécessaire d’introduire dans les modèles l’évolution des forçages entropiques qui ne sont pas prévisibles par les modèles. Il est donc nécessaire de faire des hypothèses sur l’évolution de ces forçages. Ces hypothèses correspondent à différents scénarios de croissance mondiale qui ont été définis par le GIEC en 2000. Ils sont utilisés par tous les modélisateurs afin de rendre les résultats comparables ; et sont une aide aux décideurs politiques pour mieux appréhender les risques climatiques associées à différentes politiques socio-économiques. Les scénarios retenus par le GIEC Scénarios A1 Croissance économique mondiale très rapide avec réduction des disparités régionales. Population passant par un maximum au milieu du siècle puis diminuant. - A1F1 : usage intensif des combustibles fossiles - A1T : croissance rapide des énergies non fossiles - AIB : mode énergétique intermédiaire Scénario A2 Croissance moins rapide, avec fortes disparités régionales. Energie restant surtout fossile. Croissance démographique continue Scénario B1 Croissance économique mondialisée modérée et mondialisée, axée sur les services et passant aux énergies non fossiles. Population passant par un maximum au milieu du siècle puis diminuant Scénario B2 Croissance économique régionalisée, moins technologique. Energie devenant moins fossile

Réactivité (sensibilité) climatique C’est « le réchauffement mondial moyen à l’équilibre escompté si la concentration de CO2 se maintient à une valeur égale au double de la concentration de l’ère préindustrielle (550 ppm environ) » « L’analyse des modèles et la précision issue des observations suggèrent que la réactivité climatique à l’équilibre se situe probablement dans une fourchette allant de 2°C à 4,5°C, avec une meilleure estimation à environ 3°C. Il est très improbable qu’elle soit inférieure à 1,5°C. » Cette valeur de 3°C est bien supérieure à celle de 1,2°C obtenue par calcul en ne tenant compte que du forçage radiatif induit par un taux de CO2 de 550 ppm. Cette différence est due aux rétroactions climatiques attendues par la hausse de température induite par le forçage initial. Ces rétroactions vont donc amplifier la hausse de la température : ce sont des rétroactions globalement positives La réactivité (ou sensibilité) climatique C’est « le réchauffement mondial moyen à l’équilibre escompté si la concentration de CO2 se maintient à une valeur égale au double de la concentration de l’ère préindustrielle (550 ppm environ) » « L’analyse des modèles et la précision issue des observations suggèrent que la réactivité climatique à l’équilibre se situe probablement dans une fourchette allant de 2°C à 4,5°C, avec une meilleure estimation à environ 3°C. Il est très improbable qu’elle soit inférieure à 1,5°C. » Avec cette valeur d’équivalent CO2 de 550 ppm, il est facile de calculer que le forçage radiatif associé provoquerait une hausse de la température globale d’environ 1,2°C, bien inférieure à celle de la réactivité climatique. Cette écart est dû aux différentes rétroactions des variables climatiques consécutives à la hausse de température initiée par ce forçage radiatif.

Les rétroactions Bilan globalement largement positif, mais différences selon les modèles et les paramètres de rétroaction Vapeur d’eau : forte rétroaction positive (avec la hausse des températures, davantage d’évaporation et donc davantage de H2O qui est un GES) Nuages : positive pour les nuages élevés, négative pour nuages bas. Les modèles prévoient une rétroaction positive, mais de grosses différences et beaucoup d’incertitudes Albédo : rétroaction positive par moins de surfaces enneigées (sensible près des pôles, moins à l’échelle globale) Les rétroactions Si le bilan des différentes rétroactions est largement positif dans la plupart des modèles, sa valeur est encore changeante d’un modèle à l’autres, et les différences sont encore plus accentuées lorsqu’on analyse la valeur des principales rétroactions. Rétroaction vapeur d’eau Avec l’augmentation des températures terrestre et atmosphérique augmente, il y a davantage d’évaporation et l’atmosphère peut contenir davantage de vapeur d’eau (gaz à effet de serre). Certaines observations montrent que la teneur en vapeur d’eau atmosphérique a déjà augmenté durant les dernières décennies et les modèles prévoit pour l’avenir une persistance de cette augmentation de concentration, donc une amplification du forçage radiatif. Rétroaction nuages Cette rétroaction est encore actuellement bien difficile à analyser.et reste la plus grande source d’incertitude Pour résumer, la rétroaction sera positive s’il y a davantage de nuages élevés (laissant passer le rayonnement solaire, mais retenant le rayonnement terrestre) ; elle sera négative s’il y davantage de nuages bas (bloquant le rayonnement solaire). La plupart des modèles prévoit une rétroaction positive, mais avec une très large fourchette. Rétroaction albédo L’augmentation de la température globale de la planète entraîne une fonte accrue de la neige et de la glace de mer, provoquant une baisse de l’albédo. Cela entraîne une augmentation du rayonnement solaire absorbé à la surface, ce qui amplifie le réchauffement. Cette rétroaction est fortement positive dans les haute latitudes (où les modèles prévoient un maximum de réchauffement) et en climat de montagne, mais reste relativement modeste à l’échelle globale. Estimation des valeurs des principales rétroactions climatiques (d’après Soden et Held, 2006). La barre noire large à gauche représente le réchauffement global prédit par les modèles en réponse à un doublement de la concentration en CO2, soit en moyenne de 3 °C, avec une dispersion entre modèles de 2,2 à 4,5 °C (moyenne plus ou moins un écart type) représentée par la barre d’erreur contiguë. La barre colorée au centre représente les contributions moyennes à ce réchauffement dues : en rose (c) : uniquement au doublement de CO2 à ce réchauffement en bleu foncé (a) : à la rétroaction vapeur d’eau en blanc (aleo) : à la rétroaction albédo en bleu clair (nuage) : à la rétroaction nuages Les barres d’erreur à droite représentent l’incertitude sur le réchauffement provenant de l’incertitude associée à chacune de ces contributions (estimées d’après la dispersion entre modèles). Noter la forte incertitude sur la rétroaction nuages. Rétroaction carbone Le réchauffement nuit à la fixation du CO2 atmosphérique dans les terres émergées et les océans, augmentant ainsi la partie des émissions anthropiques qui reste dans l’atmosphère. On a donc une rétroaction positive, mais dont l’importance varie considérablement selon les modèles. Carbone : rétroaction positive par moins de carbone absorbé par continents et océans dans un monde plus chaud. Différences modèles importantes

Les rétroactions c = GES a = vapeur d’eau aleo=albédo nuages

Projections climatiques à court terme Les projections climatiques à court terme « Même si les concentrations des agents de forçage radiatif étaient stabilisées, le réchauffement, accompagné des changements climatiques qui en découlent, se prolongerait encore, principalement à cause de la lenteur des réactions de l’océan. » « Les projections du réchauffement à court terme sont peu affectées par les hypothèses des divers scénarios, et correspondent à ce qui a pu être constaté au cours des dernières décennies. Les trois scénarios d’émissions, B1, A1B et A2, situent le réchauffement moyen prévu par plusieurs modèles, moyenné pour la période 2011–2030 par rapport à 1980–1999 dans le cas de tous les MCGAO considérés, dans une étroite fourchette de 0,64°C–0,69°C. » Comparaison entre le réchauffement mondial moyen antérieurement prévu et le réchauffement observé.et projections climatiques jusqu’en 2025 Les variations de température observées sont représentées sous la forme de relevés annuels (puces noires) et de moyenne décennale (courbe noire). Les tendances projetées et leur amplitude telles que décrites par le 1° rapport d’évaluation (PRE) sont représentées par des courbes continues verte Celles du 2° rapport d’évaluation (DRE) sont en mauve entourées d’une zone colorée, Celles du 3° rapport d’évaluation (TRE) sont représentées par un hachurage bleu vertical. Ces projections ont été ajustées pour que leur point de départ soit la valeur décennale observée en 1990. Les projections moyennes multi-modèles de ce 4°rapport pour les scénarios B1, A1B et A2 sont représentées pour la période courant de 2000 à 2025 sous la forme de courbes bleue, verte et rouge, les marges d’incertitude étant indiquées à droite du tableau, sur l’axe vertical. La courbe orange représente les projections modélisées de réchauffement si les concentrations de gaz à effet de serre et d’aérosols étaient constantes et à leur niveau de l’an 2000 ()elle représente le réchauffement « engagé ».) Réchauffement sur les 20 prochaines années quasi indépendant du scénario

Projections jusqu’en 2100 « Le réchauffement mondial moyen, tel qu’il est projeté pour la fin du XXIe siècle (2090–2099) dépend du scénario adopté et le réchauffement effectif sera influencé de façon significative par les émissions effectives qui auront lieu. »

Projections jusqu’en 2100 Températures « Les schémas géographiques des projections du réchauffement indiquent que les plus fortes hausses de température se produiront à des latitudes boréales élevées et dans les terres, tandis que le réchauffement sera moindre dans les zones océaniques australes et dans l’Atlantique Nord. » « Le réchauffement futur du climat provoquera des vagues de chaleur plus fréquentes et plus longues. Les journées de gel seront de plus en plus rares dans la plupart des régions situées à des latitudes moyennes et élevées, entraînant un allongement de la saison de croissance de la végétation. »

Projections des températures jusqu’en 2100

Projections jusqu’en 2100 Précipitations En baisse : régions subtropicales En hausse : latitudes élevées, près de l’équateur Scénario A1B Variations relatives du régime des précipitations (%) pour la période 2090-2099, par rapport à la période 1980-1999. Les valeurs indiquées sont des moyennes tirées de plusieurs modèles, obtenues à partir du scénario A1B pour des périodes allant de décembre à février (en haut) et de juin à août (en bas). Les zones en blanc correspondent aux régions où moins de 66 % des modèles concordent sur le sens de la variation et les zones en pointillé à celles où plus de 90 % des modèles concordent sur celui-ci « L’évolution des régimes des précipitations s’inscrit dans un vaste cadre fermement établi : les précipitations augmentent généralement dans les maxima des précipitations tropicales, elles décroissent dans les régions subtropicales et augmentent à des latitudes élevées à cause de l’intensification généralisée du cycle hydrologique mondial » « L’aridification estivale menace les régions continentales centrales, accroissant le risque de sècheresses dans ces régions » « Les recherches disponibles indiquent une tendance à l’augmentation des jours de pluie intense au sein de nombreuses régions, y compris dans celles où la moyenne des chutes de pluie baissera selon les projections » JJA DJF

Projections jusqu’en 2100 Cryospère «  Les variations de la cryosphère continueront à avoir un impact sur le niveau de la mer au cours du XXIe siècle. » « L’étendue des glaces de mer diminuera au XXIe siècle, tant dans l’Arctique qu’en Antarctique » « Les glaciers, les calottes glaciaires et l’inlandsis du Groenland devraient perdre de leur masse au cours du XXIe siècle. Mais les modèles actuels suggèrent que l’inlandsis antarctique restera trop froid pour qu’une fonte généralisée se produise et qu’il pourrait gagner en masse grâce à une accélération des chutes de neige, et contribuer en cela à freiner la montée du niveau de la mer. » « Une augmentation généralisée de la profondeur du dégel printanier est projetée pour la plupart des régions soumises au pergélisol »

Projections jusqu’en 2100 Océans « Le niveau de la mer continuera à monter au XXIe siècle à cause de la dilatation thermique et de la déglaciation des terres. »  « Il n’existe pas encore de modèle pour représenter des processus-clés capables de contribuer à des changements importants, rapides et dynamiques dans les inlandsis de l’Antarctique et du Groenland, qui pourraient augmenter le déversement des glaces dans l’océan. » « Les simulations actuelles indiquent que la circulation thermohaline de l’océan Atlantique va très probablement ralentir au cours du XXI° siècle. Toutefois, il est très improbable que la circulation thermohaline subisse un grand changement brusque au cours du XXIe siècle. » « Le niveau de la mer continuera à monter au XXIe siècle à cause de la dilatation thermique et de la déglaciation des terres. L’élévation du niveau de la mer n’a pas été uniforme à travers le monde de par le passé et ne le sera pas à l’avenir. » « Il n’existe pas encore de modèle pour représenter des processus-clés capables de contribuer à des changements importants, rapides et dynamiques dans les inlandsis de l’Antarctique et du Groenland, qui pourraient augmenter le déversement des glaces dans l’océan. » « Les simulations actuelles indiquent que la circulation thermohaline de l’océan Atlantique va très probablement ralentir au cours du XXI° siècle. Toutefois, il est très improbable que la circulation thermohaline subisse un grand changement brusque au cours du XXIe siècle. » Dans l’Atlantique nord, la chaleur est transportée par les eaux chaudes de surface qui se déplacent vers le nord-est et par les eaux salées froides de l’Atlantique Nord qui redescendent dans les profondeurs. Cette circulation contribue à la douceur du climat sur l’Europe du Nord-Ouest. Avec la hausse des températures, plus marquées dans les régions polaires, les eaux en provenance du Groenland risquent d’être moins froides et moins salées, ce qui pourrait ralentir, voire faire disparaître cette circulation. Il y a quelques années, certains modèles prévoyaient un arrêt brusque ce cette circulation, entraînant un refroidissement sur l’Atlantique nord-est et même sur le nord-ouest de l’Europe. Aujourd’hui, les modèles ne prévoient, au cours du 21° siècle, qu’un ralentissement de cette circulation, n’empêchant pas la hausse des températures sur l’Europe du nord-ouest. « Les projections montrent une baisse de pH allant de 0,14 à 0,35 au cours du XXIe siècle (selon le scénario), soit une poursuite de la diminution actuelle de 0,1 unité par rapport à l’ère préindustrielle. » « Les projections montrent une baisse de pH allant de 0,14 à 0,35 au cours du XXIe siècle (selon le scénario), soit une poursuite de la diminution actuelle »

Incertitudes, débat et controverses Tous les scientifiques ne sont pas unanimement convaincus par les données et arguments exposés dans les rapports du GIEC, qui lui-même fait part d’incertitudes sur de nombreux points. Il nous a paru intéressant et plus objectif d’exposer quelques points de vue et arguments parmi les plus pertinents, défendus par les « climat-sceptiques », appelés parfois « négateurs » (terme bien excessif puisqu’aucun scientifique sérieux ne nie la hausse récente des températures, ou ne prétend que les gaz à effet de serre n’y sont pour rien)

Débat - Tempé surface Ampleur de la hausse des températures La hausse de la température globale depuis 1850 n’est remise en cause par personne, mais son ampleur est parfois contestée, à cause surtout d’une sous estimation de l’effet de chaleur urbain, estimé par le GIEC à « moins de 0,006°C par décennies sur terre» Anomalies des tempé globales des 4 principaux instituts de mesure Nous ne reviendrons pas sur l’évolution des températures avant le début de l’ère industrielle tout en signalant que certaines études jugent que les variation de température durant « l’optimum médiéval » des 11/13° siècles et « le petit âge glaciaire » des 17/18° siècles sont sous-estimées par le GIEC Ampleur de la hausse Personne ne remet en cause la hausse globale des températures de surface depuis le début de l’ère industrielle, mais certains chercheurs contestent son ampleur. Le point le plus contesté est la sous-estimation par le GIEC de l’effet de réchauffement urbain : GIEC, rapport 2007 « Des études récentes confirment que l’urbanisation et le changement d’affectation des terres n’ont qu’un effet négligeable sur les mesures mondiales des températures (moins de 0,006°C par décennie sur la terre et zéro sur l’océan) tant pour les moyennes hémisphériques qu’à l’échelle continentale. Toutes les observations sont sujettes à des contrôles de qualité et de cohérence afin de corriger d’éventuels biais. Les effets réels mais locaux des zones urbaines sont pris en compte dans les jeux de données de température au niveau du sol. » Actuellement 4 principaux instituts réalisent un suivi mensuel des températures globales de surface : - 2, à partir des données d’instruments terrestres (avec ajustements et corrections) le Goddard Institute de la NASA ; les relevés sous le nom de GISTEMP (début en 1880) le Hadley Center (Royaume-Uni) ; relevés sous le nom de HADCRUT (début en 1850) - 2, à partir des données satellitales (les mesures sont faites aussi en altitude) l’Université de l'Alabama, Huntsville, UAH (début en 1979) le RSS de la NASA (début en 1979) Quand on visualise les données, sous forme d’anomalies, de ces 4 instituts, il y a bien des écarts mensuels, parfois importants, mais les évolutions sur 30 ans restent semblables (figure ci-dessous) Mais sur ces 30 années de mesures communes, la tendance linéaire du Hadcrut (en rouge sur la figure ci-contre) dépasse celle de l’UAH (en vert) de 0,1°C, soit environ 0,3°C par siècle. Les mesures satellitales tiennent compte des îlots de chaleur urbain, mais à leur juste mesure. On peut donc penser que cette différence de tendance linéaire est due, au moins en partie, à la surreprésentation des stations urbaines prises en compte par le Hadley Center

Débat – Tempé surface Ampleur de la hausse des températures Tendances linéaires des températures : Vert : satellite Rouge : stations

Débat – Tempé surface Diminution récente de la hausse de la température

Débat – Tempé surface Diminution récente de la hausse de la température

Projections court terme et observations Zoom sur la figure GIEC 2007 des projections à court terme selon différents scénarios Reprenons la figure du rapport GIEC 2007 sur les projections à court terme montrant qu’elles sont pratiquement indépendantes du scénario d’émission. Sur le zoom de cette figure nous avons reporté les observations de températures globales (source OMM) des années 2006 à 2009 (points rouges) : elles sont toutes largement au-dessous des courbes de projections des modèles climatiques (bleu, vert, marron) et même au-dessous de la courbe de projection (orange) avec l’hypothèse d’une concentration de CO2 stabilisée au niveau de l’année 2000. Ce n’est évidemment pas une preuve d’une dérive des modèles dont les différentes fourchettes de températures projetées ne sont pas indiquées, et quelques années un peu moins chaudes ne sont pas incompatibles 54

Débat – Vapeur d’eau H2O = principal GES La connaissance de l’évolution de sa concentration récente et future est primordiale. Dans son rapport 2007, le GIEC estime que cette concentration à augmenté, au-dessus des océans, de 1,2% par décennie entre 1988 et 2004. Il n’indique pas d’incertitudes sur ce point. Certaines études contestent cette augmentation de concentration En réalité les mesures d’humidité (radiosondages et satellites) sont plus imprécises que celles des températures. Donc beaucoup d’incertitudes Il est évidemment fondamental de pouvoir connaître précisément l’évolution de la concentration troposphérique de la vapeur d’eau. On a vu que c’était en fait le principal gaz à effet de serre atmosphérique et que les modèles climatiques indiquent tous que sa concentration a augmenté et continuera d’augmenter avec le réchauffement climatique (dans les modèles l’humidité relative troposphérique reste à peu près constante avec la hausse des température, c’est l’humidité spécifique, donc la concentration de vapeur d’eau, qui s’accroît). La vapeur d’eau est la principale rétroaction positive prévue par les modèles climatiques. Dans son rapport 2007, le GIEC estime que cette concentration à augmenté, au-dessus des océans, de 1,2% par décennie entre 1988 et 2004. Il n’indique pas d’incertitudes sur ce point. En réalité, c’est une mesure bien difficile à réaliser : comme les mesures de température en altitude, elles sont faites à partir des radiosondages (peu nombreux, mal répartis et selon le GIEC pas partout fiables), et depuis les années 1980, par certains satellites. Mais les capteurs d’humidité, aussi bien ceux des radiosondes que ceux des satellites sont nettement plus imprécis que les capteurs de températures. Donc il est bien difficile de pouvoir déceler avec une bonne confiance des variations décennales de l’ordre de 1%. Et d’ailleurs, on trouve facilement des publications contradictoires montrant que l’humidité troposphérique a diminué ces dernières années : la figures, réalisée à partir de données de la NOAA, montre pour la période 1948/2008 les variations (à la baisse) de l’humidité relative globale à différents niveaux NB : ces données ne sont pas des valeurs observées, mais obtenue à partir de réanalyses modèle de situations passées. Elles sont évidemment, elles aussi contestées

Débat – Activité solaire L’estimation faite par le GIEC du faible forçage radiatif (depuis 1750) dû à l’activité solaire « 0,12 [+0,06 à +0,3] W/m2 » n’est pas contestée En revanche, certains chercheurs ont trouvé une corrélation entre activité solaire et température D’autres études établissent un lien inverse entre température et durée du principal cycle solaire L’estimation faite par le GIEC du faible forçage radiatif (depuis 1750) dû à l’activité solaire « 0,12 [+0,06 à +0,3] W/m2 » n’est pas contestée. En revanche, un certain nombre de chercheurs ont trouvé une corrélation entre activité solaire et température. La figure ci-dessous montre la courbe d’évolution de la constante solaire (en rouge) et celle des températures globales (en bleu) depuis le milieu du XIX° siècle. Les courbes évoluent longtemps dans le même sens, mais divergent à fin du XX°siècle D’autres études font un lien entre température et durée du cycle solaire

Débat - Activité solaire Théorie de Svensmark Cette théorie soutient que la variation de l’activité solaire induit des forçages radiatifs indirects importants Activité solaire Champ magnétique solaire autour de la terre Rayonnement cosmique sur la terre Mais nous résumerons surtout la théorie du chercheur danois H.Svensmark qui essaie de démontrer que les variations de l’activité solaire induisent des forçages radiatifs indirects nettement plus importants. Le soleil protège la terre du rayonnement cosmique (particules de haute énergie en mouvement dans l’espace) par le biais du champ magnétique accompagnant le vent solaire, lui-même dépendant de l'activité du soleil. Lorsque l’activité solaire se renforce, le champ magnétique d’origine solaire augmente et protège davantage la terre du rayonnement cosmique Après avoir constaté une forte corrélation entre rayonnement cosmique et nébulosité, Svensmark a trouvé que le rayonnement cosmique, par ionisation des particules atmosphériques, favorise la formation des nuages bas (jusqu’à 3 km environ) qui ont pour effet de refroidir la terre, alors qu’il n’a guère d’influence sur les nuages élevés qui réchauffent la terre par effet de serre. Il pense donc que le renforcement global de l’activité solaire au XX° siècle a eut comme conséquence de diminuer la nébulosité des nuages bas et donc d’augmenter la température de la surface terrestre. Cette théorie, qui a séduit un certain nombre de chercheurs, reste controversée, notamment à cause d’un manque de preuves ; elle est évoquée par le GIEC dans son rapport 2007 : « Des associations empiriques ont été envisagées entre l’ionisation de l’atmosphère par un rayonnement cosmique modulé par le soleil et la couverture nuageuse moyenne globale de basse altitude, mais la preuve d’un effet solaire indirect systématique reste à démontrer. » Les recherches pour mieux comprendre les éventuelles conséquences de la variation de l’activité solaire sur le climat continuent d’être nombreuses, et le débat reste ouvert Nébulosité des nuages bas Température

Débat – Gaz carbonique Concentration : Mesures depuis mi-XX° siècle : OK Mesures antérieures contestées par études intégrant de nombreuses mesures chimiques locales Gaz carbonique Taux de concentration On signalera l’existence d’études cherchant à monter que des taux de concentration de CO2 plus élevés qu’actuellement ont été observés (par des méthodes chimiques) durant ces derniers siècles, sans qu’il soit possible d’incriminer les activités humaines Ce graphe, d’après Ernst-Georg Beck (Freibug 2007) donne une comparaison entre les mesures obtenues par les carottages glaciaires (jusqu'en 1960) prolongées par les mesures directes sur le volcan de Mauna Loa (courbes en mauve) utilisées par le GIEC et les résultats (en bleu foncé) de 90000 mesures effectuées par un grand nombre de chercheurs, dans différents pays, et publiés dans 173 revues scientifiques. Durée de vie dans l’atmosphère GIEC, rapport 2001 : « Aucun temps de séjour unique ne peut être déterminé pour le CO2 en raison des différents taux d’absorption des divers processus d’élimination. » GIEC, rapport 2007 : Près de la moitié du CO2 rejeté dans l’atmosphère est absorbée après un séjour de l’ordre de 30 ans, 30% au bout de quelques siècles, et les 20% restant y séjournent généralement pendant plusieurs milliers d’années. » Les connaissances sur le temps de séjour du CO2 dans l’atmosphère ont apparemment beaucoup progressé entre 2001 et 2007. Mais certaines études font état d’un temps de séjour nettement plus court (10 à 30 ans). Tant que les émissions anthropiques sont en hausse, il est normal que la concentration augmente, quelque soit la durée du temps de séjour. Il est donc difficile d’avoir des certitudes sur la durée de vie réelle du gaz carbonique dans l’atmosphère qui a pourtant une grande importance sur la valeur des forçages futurs liés à ce gaz. Incertitudes qui s’ajoutent à celles de la valeur de la rétroaction positive probable déjà signalée qui réduit l’absorption par la terre et les océans du gaz carbonique dans un monde plus chaud. Durée de vie atmosphérique :Les indications du GIEC sont contestées par des études montrant une durée de vie plus courte

Débat - Attribution des forçages Reprenons les figures du rapport GIEC 2007 montrant que sans inclure les forçages anthropiques, les modèles ne peuvent pas reproduire l’évolution récente des températures On a vu au chapitre précédent quelles étaient les méthodes de détection et d’attribution des changement climatiques Ces méthodes (d’attribution surtout) nécessitent de tester un grand nombre d’hypothèses avec les modèles climatiques à la disposition des chercheurs, modèles de plus en plus sophistiqués et considérés comme de plus en fiables. C’est quand même sur ce point d’attribution des changements climatiques que le débat est le plus vif, avec de nombreuses études contestant les conclusions du GIEC. Revenons sur la figure largement médiatisée montrant que sans la prise en compte des forçages anthropiques, les modèles climatiques ne peuvent pas prévoir la hausse récente des températures globales

Débat - Attribution des forçages Sur les dernières décennies l’évolution des modèles avec tous les forçages est bien ajustée à l’observation Sans les forçages anthropiques, la projection modèle est bien trop froide. Les forçages volcaniques semblent un peu surestimés Pour les dernières décennies, cette image est effectivement séduisante : les projections sans forçages anthropiques sont bien trop froides, alors qu’elles sont bien ajustées avec les forçages anthropiques. On remarquera quand même que les modèles ont largement amplifié la baisse des températures consécutive aux 2 dernières éruptions volcaniques majeures (El Chichon en 1982 et Pinatubo en 1991)

Débat - Attribution des forçages Même avec tous les forçages, les modèles n’arrivent pas vraiment à reconstituer la hausse des températures observée entre 1910 et 1945, ni la légère baisse qui a suivi Mais pour les premières décennies du XX° siècle (jusqu’aux années 1960/70), la démonstration est moins évidente  De 1910 à 1945, les modèles, avec ou sans forçage anthropique, ont largement sous estimés la hausse globale de la température, qui est pourtant du même ordre de grandeur que celle des dernières décennies (les courbes modèles sont quand même en légère hausse, un peu plus avec les forçages anthropiques). Quant à la période 1945/1970, caractérisée par des températures irrégulières mais en légère baisse, il aura fallu introduire les aérosols de l’éruption du volcan Agung en 1963 pour que les températures modèles se décident à baisser.

Débat – Variabilité interne Influence de la PDO sur des durées multidécennales « Le changement climatique de 1976–1977 lié au changement de phase de l’Oscillation pacifique décennale (ODP) vers plus d’événements de type El Niño et des changements de l’évolution d’ENSO ont affecté beaucoup de secteurs. »