Le paradoxe du changement climatique

Le climat de la Terre est chaotique et instable. Le changement climatique est simple et prévisible. Comment les deux peuvent-ils être vrais ?  

L'atmosphère terrestre n'est constituée que de molécules en liberté. Laissées à elles-mêmes, elles dériveraient et entreraient en collision, pour finalement former un mélange dynamique, mais stable et globalement immuable.

Les rayons du soleil compliquent les choses. L'énergie pénètre dans le système terrestre selon des cycles quotidiens, la majeure partie allant vers la moitié de la planète orientée vers le soleil (et connaissant l'été). Les molécules de cette moitié acquièrent plus d'énergie que les autres, ce qui provoque un tourbillonnement constant de l'atmosphère mondiale. Selon la saison et le lieu, les molécules de notre atmosphère peuvent traverser des terres chaudes, puis des mers froides. Elles peuvent rencontrer une chaîne de montagnes qui les force à atteindre des altitudes élevées, où la pression atmosphérique est basse et où l'eau se condense. Elles peuvent alors participer à des phénomènes à grande échelle, tels que les courants, les rivières atmosphériques, les courants-jets turbulents et les fronts continentaux.

Ces phénomènes sont erratiques. Ils interagissent à toutes les échelles et se manifestent par des conditions météorologiques changeantes, des journées ensoleillées aux blizzards violents, en passant par des événements anormaux – ouragans, vortex polaires, tempêtes de grêle et tornades – qui se produisent avec une intensité croissante. Toute idée de stabilité est illusoire ; aucune molécule ne vit de manière isolée.

Le résultat, issu d'apports apparemment simples de molécules et d'énergie, est un chaos émergent et incalculable. Une molécule, dans la pièce où vous êtes assis, s'agite à l'aveuglette et entre en collision avec ses voisines immédiates. Zoom arrière – d'un pâté de maisons à une ville, d'un champ à un paysage, d'une région à un continent – ​​et des motifs apparaissent et se mélangent. La complexité abonde et se multiplie. Rien dans l'atmosphère n'est indépendant du reste du tableau global.

Nous vivons au quotidien avec cette atmosphère imprévisible. Nous trimballons des parapluies fermés, actualisons nos applications météo et voyons nos projets de week-end s'effondrer. Anticiper les conditions météorologiques à plus d'une semaine ou deux est une entreprise irréaliste. La Terre est un système dynamique complexe, un entrelacement de pièces mobiles, dont la compréhension requiert chacune une branche scientifique différente. Malgré des connaissances avancées, des algorithmes sophistiqués et des instruments modernes, elle nous défie et nous échappe.

Pourtant, ce moteur du chaos est désormais sous notre influence. Il est incontestable que nous modifions la température de la Terre en ajoutant davantage de dioxyde de carbone à l'atmosphère. Nous savons précisément comment nous la modifions : si nous doublons la proportion de dioxyde de carbone dans la fine couche qui recouvre la surface de la Terre, la planète se réchauffera globalement de 2 à 4 °C par rapport à aujourd'hui. Cette conclusion est restée pratiquement inchangée depuis 1896, lorsque le scientifique suédois Svante Arrhenius est arrivé à une estimation de 2 à 5 °C. (S'appuyant sur une représentation extraordinairement simplifiée de la Terre, il a commis plusieurs erreurs qui, au final, se sont compensées.) Certains détails peuvent demeurer incertains, un chaos indomptable, mais la conclusion fondamentale relève d'un consensus scientifique inébranlable : 97 % représente un degré rare de consensus sur presque tous les sujets. Nous en sommes presque aussi sûrs que des causes des maladies infectieuses, de la formation des étoiles ou de l'évolution de la vie par sélection naturelle.

Les deux choses sont vraies : le système climatique est extrêmement complexe, et nous sommes certains de son influence. Comment pouvons-nous être aussi confiants dans une projection à cent ans alors que nous ne pouvons prédire le temps avec une fiabilité à plus d'une semaine ?

" Comment est-il possible que les deux soient vrais ? " a demandé Nadir Jeevanjee, physicien de l'atmosphère au Laboratoire de dynamique des fluides géophysiques de la NOAA, une institution de pointe pour les simulations de pointe de l'atmosphère. " Il y a une tension énorme qui se cache derrière toute cette discussion. "

Il s'avère que la complexité peut être un voile qui dissimule des vérités plus fondamentales. Un système extrêmement complexe peut donner lieu à des réponses simples. Il suffit de poser une question suffisamment simple.

La complexité augmente

En 1961, Edward Lorenz, météorologue au Massachusetts Institute of Technology, exécutait à plusieurs reprises sa simulation informatique de l'atmosphère lorsqu'une surprise le surprit. Ce qui semblait être des différences infimes dans les états initiaux de la simulation explosa, jusqu'à ce que les résultats météorologiques des différentes simulations ne se ressemblent plus du tout. Au cours des années suivantes, il formula ce qui allait devenir une vérité d'évangile dans la communauté des modélisateurs de la Terre : quelles que soient les avancées des prévisions météorologiques, leur valeur est limitée au-delà de deux semaines.

" Il faut obtenir les bonnes conditions initiales, puis il faut que votre modèle soit correct pour les propager dans le temps, et très vite, vous vous retrouvez dans le chaos ", a déclaré Isla Simpson, scientifique de l'atmosphère au Centre national de recherche atmosphérique.

Les prévisions météorologiques prennent un instantané de l'atmosphère actuelle et projettent son mouvement vers l'avenir, à travers l'univers théorique de toutes les prévisions possibles. Imaginez jeter un canard en caoutchouc dans une rivière tumultueuse. On peut avoir une idée de sa destination, mais il est de plus en plus difficile de prédire précisément où il se trouvera à mesure qu'il descend la rivière. Même avec des équations parfaites pour décrire le cours de la rivière, on n'obtiendrait jamais de réponse exacte. Les eaux turbulentes varient tellement qu'un léger décalage dans la position initiale du canard, ou une légère erreur dans notre connaissance des conditions initiales, entraînerait un résultat totalement différent. À mesure que le canard progresse en aval, le moindre écart se multiplie.

Il en va de même pour l'atmosphère terrestre. Même avec les technologies du XXIe siècle, aucun instantané ne peut parfaitement capturer la position et la trajectoire de toutes les molécules de gaz. Ces erreurs de départ – les fameux battements d'ailes d'un papillon, une métaphore issue des travaux de Lorenz – s'accentuent avec le temps, tout comme l'écart entre prédiction et réalité.

Mais la trajectoire d'une rivière n'est pas définie par la turbulence de son eau. Les méandres de la rivière sont déterminés par des phénomènes à plus grande échelle et à plus long terme : le déplacement des plaques tectoniques, l'érosion des berges par les racines des plantes, le volume d'eau circulant dans l'atmosphère et le paysage, et bien d'autres. Un météorologue s'attache à prédire où ira le canard ; un climatologue s'attache à prédire où ira la rivière.

" Nous ne demandons pas quel temps il fera le 7 juillet 2047 à San Francisco ", a déclaré l'un de ces climatologues, Daniel Swain au Département d'agriculture et de ressources naturelles de l'Université de Californie. " Nous décrivons l'enveloppe de ces variations, et non la voie précise que nous allons suivre. "

Autrement dit, impossible de savoir où le canard finira sa course. Mais d'ici, on voit clairement que le cours du fleuve est en train de changer. " On donne au système un coup de fouet si brutal et brutal – c'est précisément ce qui nous donne cette prévisibilité ", a ajouté Swain. " Deux à quatre degrés Celsius, c'est comme un quart à la moitié d'une période glaciaire, mais en sens inverse. "

La simplicité émerge

Syukuro Manabe connaissait déjà intimement les dangers des prévisions météorologiques lorsqu'en 1965, alors qu'il était scientifique au Laboratoire de dynamique des fluides géophysiques, il fut chargé de construire un modèle mathématique du climat terrestre . Il avait suivi une formation de météorologue au Japon, mais au lieu d'établir des prévisions locales, sa nouvelle tâche consistait à esquisser l'univers des conditions météorologiques possibles, compte tenu du contenu et des interactions de l'atmosphère. Il ne suivait pas le canard, mais travaillait sur une simulation élémentaire du fleuve.

Des décennies d'indifférence avaient suivi le calcul initial d'Arrhenius sur le réchauffement dû au dioxyde de carbone. Plus d'un demi-siècle plus tard, Manabe pensait que son modèle pourrait apporter une certaine rigueur à la notion d'" effet de serre ". Il l'utilisa pour simuler l'atmosphère en un seul point de la Terre. Il partit d'un équilibre, avec la même quantité d'énergie entrant du Soleil et s'échappant vers l'espace.

La majeure partie du rayonnement solaire traverse l'atmosphère pour réchauffer la surface terrestre. Mais le retour de cette énergie – le rayonnement terrestre vers l'espace – prend la forme de lumière infrarouge. Cette lumière a des longueurs d'onde plus longues et, surtout, peut interagir avec certaines molécules de gaz . Ainsi, au lieu de s'échapper directement dans l'espace, elle est absorbée et libérée à plusieurs reprises au cours de sa remontée dans l'atmosphère.

Le modèle de Manabe contenait des informations sur les gaz de l'atmosphère, notamment leur teneur en eau et leur température d'équilibre, à différentes altitudes. Manabe a ensuite doublé la quantité de dioxyde de carbone dans son atmosphère artificielle. Le dioxyde de carbone, un gaz absorbant la lumière infrarouge, est appelé " gaz à effet de serre " en raison de son effet d'absorption de chaleur. Un plus grand nombre de molécules de dioxyde de carbone augmente les chances que cette lumière soit absorbée et libérée avant sa sortie dans l'espace, prolongeant ainsi sa présence dans notre atmosphère.

Au fil du temps, le système terrestre simulé par Manabe a trouvé un nouvel équilibre. La même quantité d'énergie solaire entrait et la même quantité s'échappait vers l'espace. Cependant, une plus grande quantité de lumière infrarouge restait présente dans l'atmosphère, circulant à chaque altitude et s'échangeant entre les molécules de gaz. La température à chaque altitude augmentait donc légèrement, jusqu'à la surface de la Terre.

Sa simulation n'était pas une prévision météorologique ambiguë et peu fiable. C'était l'effet de serre, aussi clair que l'air après une pluie d'été.

" La physique fondamentale est très bien établie ", a déclaré Joanna Haigh, physicien atmosphérique émérite à l'Imperial College de Londres. " Nous pouvons affirmer sans l'ombre d'un doute qu'une augmentation des gaz à effet de serre entraîne une hausse de la température de surface. "

Dans la simulation simple de Manabe, les complexités météorologiques n'avaient aucune incidence sur le résultat à long terme. L'état dans lequel ces complexités se déroulaient – ​​le cours du fleuve métaphorique – avait changé.

Le modèle a également révélé quelque chose de nouveau à Manabe : la vapeur d’eau est une composante beaucoup plus importante de l’atmosphère terrestre que le dioxyde de carbone (jusqu’à 4 % contre 0,04 %), et elle retient davantage de chaleur par molécule. Le modèle a clairement montré qu’une atmosphère plus chaude peut retenir davantage d’eau, ce qui double le réchauffement total et, par conséquent, attire encore plus de molécules d’eau dans l’air. Il s’agissait du premier et du plus significatif calcul d’une " boucle de rétroaction " climatique, c’est-à-dire d’un impact indirect supplémentaire du dioxyde de carbone sur la température.

Au cours des décennies qui ont suivi les travaux révolutionnaires de Manabe, de nombreuses études ont confirmé l'étonnante précision de sa prédiction. Son modèle se réalise actuellement à la surface de la Terre, échappant aux simulations pour entrer dans le champ de l'expérience humaine. Aujourd'hui, la température moyenne mondiale a augmenté d'au moins 1,2 °C par rapport aux niveaux préindustriels, selon l' Organisation météorologique mondiale — presque exactement autant que le modèle simple de Manabe l'avait prédit concernant la quantité de dioxyde de carbone rejetée dans l'atmosphère. Le dioxyde de carbone anthropique a modifié le cours du fleuve, l'enveloppe d'incertitudes qui limite nos conditions météorologiques chaotiques.

Le chaos persiste

Le modèle de Manabe a été confirmé par d'énormes quantités de données provenant de sources diverses. Mais il était loin d'être complet. Les variations de température modifient considérablement la Terre, de la réflectivité de la banquise à la stabilité du pergélisol. Les océans sont un véritable tourbillon, profondément imbriqués dans le climat et la météo. Nous avons depuis commencé à comprendre comment ces forces en aval, souvent chaotiques, peuvent façonner le fleuve. À mesure que les scientifiques les décryptent, une boucle de rétroaction particulière domine désormais les débats.

" Les nuages ​​sont certainement la plus grande source d’incertitude actuelle ", a déclaré Kerry Emanuel, scientifique atmosphérique émérite au Massachusetts Institute of Technology. " Nous volons presque à l'aveugle sur les nuages. " Ces marécages familiers et turbulents de gouttelettes tourbillonnantes continuent de perturber les scientifiques. La vapeur d'eau est un gaz à effet de serre, et les gouttelettes liquides et la glace des nuages ​​peuvent également piéger la chaleur. Mais en même temps, elles renvoient une partie de la lumière ultraviolette et visible du soleil vers l'espace. Les gouttelettes des nuages ​​se forment autour des particules d'aérosols naturelles et artificielles présentes dans l'air, selon des lois de physique microscopique encore mal comprises.

" Nous sommes assez sûrs d'avoir une bonne idée de ce qu'est la ligne de base ", a déclaré Robin Wordswort, climatologue à l'Université Harvard. " La question est : les nuages ​​vont-ils aggraver la situation, légèrement ou fortement ? "

Les nuages ​​sont la revanche du chaos. Depuis les travaux de Manabe, l' incertitude des modèles climatiques due aux nuages ​​n'a guère diminué et reste lourde de conséquences. " Les nuages ​​feront toute la différence entre un changement climatique plus ou moins tolérable pour l'humanité et une catastrophe pour elle ", a déclaré Timothy Palmer, physicien du climat à l'Université d'Oxford.

Le chaos complique également la situation d'autres manières. La " mémoire " de l'atmosphère de son état initial (c'est-à-dire actuel) n'est qu'une question de semaines. Après cela, les conditions actuelles cessent d'avoir de l'importance, ce qui explique la limite stricte des prévisions météorologiques. Mais à mesure que les modèles se sont améliorés et incluent davantage de boucles de rétroaction, les chercheurs ont commencé à intégrer les " mémoires " plus longues d'autres composantes du système climatique. La couche supérieure de l'océan met quelques années à " oublier " ses conditions initiales ; les profondeurs océaniques mettent des siècles. Les calottes glaciaires peuvent " se souvenir " pendant des millénaires. En 2100, l'état de ces systèmes dépendra étroitement de leur état actuel et déterminera en partie le climat mondial à cette époque de plus en plus proche. Nous savons que la planète continuera de se réchauffer, mais l'ampleur exacte de ce réchauffement dépendra de ces facteurs subtils que les scientifiques tentent encore de comprendre.

Subtil, mais conséquent. Plusieurs mesures distinctes ont récemment suggéré que davantage d'énergie entre dans le système terrestre qu'elle n'en sort – plus que ce que prédisaient nos meilleurs modèles de changement climatique. " C'est très inquiétant. Nous devons absolument comprendre précisément pourquoi cela s'est produit ", a déclaré Emanuel. La réponse pourrait être les nuages, les aérosols, ou peut-être un cycle océanique inconnu qui se dissipera dans dix ans et nous ramènera sur la trajectoire prévue. Mais il manque clairement quelque chose d'important à notre vision du système.

La question simple — Que se passe-t-il lorsque l'on double la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère ? — a en effet donné lieu à une réponse relativement simple : la Terre se réchauffera de quelques degrés. À partir de ce point de départ, nous pouvons désormais nous poser, voire apporter des réponses, à des questions toujours plus précises sur la frontière entre la météo et le climat. Les réponses à ces questions concernent moins l'avenir du climat que la manière dont nous allons y faire face.

" Si vous construisez un pont en Caroline du Nord, vous devez savoir quelles seront les précipitations maximales en 2100 ", a déclaré R. Saravanan(ouvre un nouvel onglet), spécialiste de l'atmosphère à l'Université Texas A&M. " La température moyenne mondiale n'est pas très utile à cet égard. "

Tant de sophistication a déjà été ajoutée aux modèles simples d'Arrhenius, Lorenz et Manabe. Jour après jour, nous retraçons le cours de notre climat et tous ses futurs possibles. Nous étudions les boucles et mettons à jour notre carte, espérant qu'elle nous aidera à naviguer dans ce torrent. Et nous le faisons du point de vue du canard, essayant de deviner où nous serons dans 100 ans, alors que nous pouvons difficilement prédire où nous serons demain.