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et changement climatique

 

On appelle effet de serre un processus de rayonnement naturel qui réchauffe la surface de la planète. L'atmosphère est très largement transparente pour le rayonnement solaire, qui peut pénétrer jusqu'à la surface de la planète et en réchauffer le sol. En retour, elle absorbe une part importante du rayonnement infrarouge émis à la surface de la Terre. Cette absorption, qui maintient la chaleur dans les basses couches de l'atmosphère est due à certains gaz tels que la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone, ou l'ozone, ou encore aux nuages. Hervé Le Treut
CNRS, Laboratoire de Météorologie Dynamique du CNRS, Ecole Normale Supérieure

Hervé LE TREUT, Directeur de recherche au CNRS, s'occupe d'une équipe de simulation numérique basée à l'École Normale Supérieure et étudie les perturbations du système climatique. Il est actuellement Maître de Conférences de Mécanique à l'École Polytechnique.

La possibilité d'une modification du climat, qui résulterait des modifications anthropiques de la composition chimique de l'atmosphère, et augmenterait l'effet de serre naturel, suscite des inquiétudes. Après avoir rappelé ce qu'est l'effet de serre et la modélisation numérique du climat nous allons essayer de répondre à trois questions :

- quelle peut être l'ampleur et le rythme des perturbations globales du climat en réponse à la croissance anthropique de l'effet de serre ?

- peut-on prévoir les impacts locaux ou régionaux qui seront associés à ces changements globaux ?

- le climat a-t-il commencé à changer ?

L'équilibre radiatif de la planète dépend de manière cruciale de la concentration en gaz minoritaires de l'atmosphère. Le rayonnement solaire absorbé par la planète Terre est équilibré par un rayonnement infrarouge terrestre émis vers l'espace. Un part de ce rayonnement est absorbé par l'atmosphère, au travers de gaz tels que la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone ou l'ozone. Il s'échappe alors moins d'énergie vers l'espace. L'atmosphère joue en l'occurrence un rôle très semblable à celui d'une vitre de serre, transparente pour la lumière solaire visible, qu'elle laisse pénétrer, mais opaque au rayonnement infrarouge de surface, qui ne peut s'échapper de manière directe.

Sans l'effet de serre "naturel", la température du sol serait de 33°C plus froide qu'elle ne l'est actuellement. Le rôle de l'effet de serre naturel est bien connu grâce à l'observation par satellite du bilan radiatif de la planète. Il est confirmé par l'étude des planètes voisines, par exemple Vénus, où les très fortes températures de surface sont liées à la présence d'une atmosphère très absorbante. L'étude des climats du passé révèle aussi son importance pour notre planète : il est difficile d'expliquer que la Terre n'ait pas connu une glaciation complète il y a quelques milliards d'années, quand le soleil était probablement beaucoup moins puissant, si l'on ne prend pas en compte les variations de la composition chimique de l'atmosphère beaucoup plus riche, à l'origine, en dioxyde de carbone.

Modélisation numérique

Une approche quantitative de l'évolution future du climat s'appuie nécessairement sur la modélisation numérique. Celle-ci a pour but de simuler par ordinateur le comportement de notre planète et de vérifier la manière dont elle est affectée par l'activité humaine.

Les modèles de climat ont été développés à partir des modèles utilisés pour la prévision météorologique : ils simulent l'écoulement atmosphérique (vent, température, humidité, nuages), sur l'ensemble du globe, et aux nœuds d'un maillage fictif de quelques centaines de kilomètres de côté selon la direction horizontale, et de quelques dizaines de niveaux selon la verticale. Ils s'appuient sur les équations de la mécanique des fluides, d'une part, et du transfert radiatif, d'autre part.

A la différence des modèles météorologiques, toutefois, les modèles de climat sont utilisés dans une perspective d'évolution à long terme qui est nécessairement d'ordre statistique, et nécessite des simulations longues et répétées. Dans ces simulations, les processus radiatifs, les échanges d'eau ou d'énergie avec la surface, jouent un rôle très important. L'océan est alors un élément crucial du système climatique, et doit être modélisé lui aussi de manière explicite, dans son écoulement et dans ses interactions avec l'atmosphère. Ces modèles couplés océan/atmosphère existent désormais, mais leur amélioration se poursuit, en particulier au niveau de la prise en compte particulièrement difficile de la glace de mer.

Sensibilité globale du climat.

La première mesure de l'effet de serre anthropique consiste à calculer le forçage radiatif du climat qui lui est associé. On appelle ainsi le flux infrarouge supplémentaire reçu par les basses couches de l'atmosphère et la surface de la planète, que l'on exprime en W/m2 (watt par métré carré). Les différents gaz à effet de serre émis par l'homme sont déjà responsables d'un effet de serre additionnel de près de 2 W/m2, la plus grosse contribution venant du C02.

Ce chiffre peut paraître faible comparés aux 240 W/m2 de rayonnement solaire absorbés en moyenne par le système climatique mais s'il s'agit d'une perturbation du système climatique qui apparaît petite en valeur relative, elle est très significative en valeur absolue. Une perturbation au centième de la machine thermique que constitue notre environnement planétaire, si elle est maintenue pendant quelques décennies afin que les couches de surface de l'océan puissent se réchauffer, peut en effet entraîner une modification de la température globale de quelques degrés, comme nous le vérifierons par la suite. Il est difficile d'évaluer l'évolution future de ce terme. Les gaz autres que le C02 (méthane, oxydes nitreux, CFC, ozone troposphérique) sont désormais responsables d'une moitié environ du taux d'augmentation de l'effet de serre, car s'ils sont moins abondants que le CO2, ces composés sont plus absorbants, du fait de leur molécule plus complexe. Par ailleurs, le taux d'émission comme le temps de résidence de ces gaz dans l'atmosphère reste encore difficile à apprécier. Les évaluations réalisées par le groupe mis en place par le Programme Environnement de l'ONU et de l'OMM (Organisation Météorologique Mondiale) montrent toutefois clairement que même en présence de restrictions importantes des émissions, l'effet de serre continuera de croître et atteindra le seuil de 4 W/m2 au cours du siècle prochain, probablement au cours des cinquante premières années. Ce seuil de 4 W/m2 correspond aussi à un scénario qui a été très étudié par les scientifiques : le doublement du C02 atmosphérique.

La réponse du système climatique à un doublement du C02 a d'abord été analysée dans le cadre de modèles utilisant un océan simplifié, limité à sa couche de surface. Les modèles ont tous montré un réchauffement, d'une intensité variable (de 2°C à 5°C environ, selon les modèles). La structure géographique de la réponse est semblable : le réchauffement de surface est plus intense aux hautes latitudes (surtout en hiver) et sur les continents. L'amplitude de la réponse s'explique par la présence de plusieurs rétroactions positives. Si le climat se réchauffe, le contenu atmosphérique en vapeur d'eau augmente avec le seuil de saturation de l'atmosphère, et comme la vapeur d'eau est un gaz à effet de serre important, le réchauffement est renforcé. Par ailleurs, les neiges et les glaces fondent et cessent de réfléchir l'énergie solaire et les nuages bas, refroidissant, tendent à être remplacés par des nuages hauts qui ont un effet de serre important. Ce dernier effet est soumis à une incertitude considérable, car les nuages peuvent aussi s'épaissir (gagner de l'eau), changer de phase (de glace à eau), tous effets très difficiles à prendre en compte dans les modèles.

Le climat est-il en train de changer ?

La comparaison des modèles cités au paragraphe précédent montre des résultats très divergents si on les applique à la simulation des variations régionales du climat. Les modèles montrent une tendance à l'augmentation des précipitations, dans les régions de moyenne latitude, ou dans la région équatoriale. Cette tendance s'accompagne de disparités régionales très marquées. Dans la zone intertropicale, où l'impact hydrologique apparaît le plus fort, les modèles montrent des déplacements importants des zones sèches et humides, mais avec une localisation très imprécise de ces événements. Des sécheresses importantes peuvent aussi apparaître en été dans d'autres régions, par exemple sur le pourtour méditerranéen. Mais la localisation et la prédiction précise de ces événements demeure également impossible.

Plusieurs autres conséquences sont souvent évoquées à juste titre: élévation du niveau des mers, modification de la distribution des cyclones tropicaux. Pour ces problèmes redoutables il faut malheureusement s'en tenir à la notion de risque plus que celle de prédiction, tant la difficulté d'une simulation fiable est grande.

De fait, plus les études progressent et plus la complexité des interactions qui peuvent jouer un rôle significatif apparaît de manière claire. Les tentatives de réduire cette incertitude peuvent passer par une analyse détaillée des mécanismes de rétroactions mis en jeu ; par exemple ceux qui sont liés à la vapeur d'eau, aux nuages, à la neige, ou à l'hydrologie des sols, et sont susceptibles d'amplifier ou de réduire la réponse climatique, mais aussi l'ensemble des processus chimiques ou biologiques qui entrent en jeu.

L'étude de l'évolution actuelle du climat peut aussi servir de base à l'évaluation des modèles. Depuis le début du siècle, en particulier, le climat a subi une évolution légère vers un réchauffement, entrecoupée par un épisode de refroidissement dans l'Hémisphère Nord dans les premières décennies suivant la deuxième guerre mondiale. Ce réchauffement n'est pas encore attribuable de manière incontestable à un impact humain, il peut être dû à la variabilité naturelle du climat. Par ailleurs, il apparaît plus faible que celui qui a été initialement prédit par les modèles, en réponse à l'augmentation déjà constatée des gaz à effet de serre.

Ceci a conduit dans un premier temps à penser que la sensibilité climatique des modèles pouvait être surestimée. Cette idée a été renforcée par la capacité de certains modèles à produire une rétroaction négative, correspondant à la transformation, lors d'un réchauffement, des nuages de glace en nuages d'eau plus épais. Mais la possibilité d'une explication très diffé-
rente est apparue dans les dernières années, avec la prise en compte des aérosols. Ceux-ci peuvent avoir un double effet refroidissant : un effet direct de diffusion de la lumière solaire et un effet direct d'action sur les nuages, en augmentant le nombre de noyaux de condensation, en diminuant la taille des gouttes nuageuses et en diminuant la précipitation de l'eau nuageuse. Mais la prise en compte des aérosols permet de réconcilier le comportement des modèles et celui du système climatique pour la période récente, même si les incertitudes considérables sur le forçage des aérosols interdisent une conclusion définitive. En particulier le réchauffement plus faible (en moyenne) de l'Hémisphère Nord trouve un explication simple car les aérosols sont principalement émis dans les régions industrielles, et ils ne sont pas transportés sur de longues distances. Notons cependant un point essentiel : les aérosols ne s'accumulent pas dans l'atmosphère, à la différence des gaz à effet de serre, et leur effet à long terme devrait être faible face à l'effet de serre, qui doit constituer la perturbation dominante du climat du siècle prochain.

Perspectives

Les années récentes ont confirmé la cohérence globale de notre compréhension du système climatique. Une prédiction détaillée des évolutions futures du système climatique est cependant hors d'atteinte pour le moment du fait de la complexité des processus mis en jeu.

Ceci ne doit pas être perçu comme un facteur rassurant : le climat a montré dans le passé, surtout au niveau de sa composante océanique, sa non-linéarité, qui se traduit par une capacité à répondre par des grandes modifications à de petites perturbations.

La modélisation détaillée du système climatique permettra une estimation plus précise des risques encourus. Elle permettra aussi d'accompagner un changement climatique éventuel, en affinant la qualité des modélisations au fur et à mesure des évolutions constatées.

POUR EN SAVOIR PLUS

Robert Sadouny.
Le climat de la Terre. Série Dominos, Flammarion, 1994.

J.C. Duplessy et P. Moerl.
Gras temps sur la planète. Point Seuil, 1992.

S. Joussaume.
Climat, d'hier à demain. CNRS Éditions. 1993.

A. Berger.
Le climat de la Terre, un passé
pour quel avenir?
De Bœck Université, 1992.

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