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Causes des changements climatiques
(Résumé de la conférence donnée le 22 janvier 2007)
Alain Foucault

Le système climatique est une machine thermique dont les éléments utilisent de l'énergie. La première question à se poser est donc : d'où vient cette énergie ? Une proportion nous vient d'en haut : c'est le rayonnement solaire. Une surface d'un mètre carré située en haut de l'atmosphère et tournée vers le soleil reçoit une puissance de 1366 watts. C'est ce que l'on nomme la constante solaire. Cela fait en moyenne, par mètre carré de surface terrestre, le quart de cette valeur (rapport de la section d'une sphère à sa surface), soit 342 watts. L'énergie qui nous vient du bas, l'énergie géothermique, dont la source est la désintégration d'éléments radioactifs (uranium et thorium) n'est, en moyenne par mètre carré, que de 0,5 watt, soit 700 fois moins. C'est donc plutôt vers le soleil qu'il faut se tourner en matière climatique. Cependant, dans ce domaine, l'énergie géothermique ne doit pas être négligée : c'est elle, en effet, qui fait mouvoir les plaques lithosphériques dont la lente promenade à la surface du globe modifie non seulement leur position par rapport aux zones de climat, mais aussi la répartition des continents et des océans ce qui n'est pas sans incidence sur le climat mondial. C'est aussi elle qui est à l'origine du volcanisme dont les émissions de gaz et de poussières entraînent des changements dans la composition de l'atmosphère, changement aujourd'hui mineurs mais qui semblent avoir eu, dans le passé géologique, une influence déterminante.

Ces énergies jouent sur le système climatique. On peut simplifier le fonctionnement de ce système en le réduisant à ses quatre éléments principaux : l'atmosphère, l'océan, la biosphère et la terre solide. Dans la réalité, le jeu de ces éléments est extrêmement compliqué, ce qui en rend la modélisation (et donc les prévisions de son évolution) très difficiles. Il faut en tous cas retenir que les temps de réactions de ces éléments (leurs constantes de temps) sont très diverses : il est clair, par exemple, que l'injection d'un gaz dans l'atmosphère aura des effets plus rapide sur sa composition que la croissance d'une forêt qui exigera des dizaines d'années.

Ces principes étant posés, on voit que les causes des changements climatiques peuvent ainsi se trouver 1) dans toute modification dans l'intensité ou la répartition des énergies reçues ; 2) dans toute modification de l'utilisation de cette énergie par le système climatique. Cette constatation donne le plan de l'exposé qui suit qui, cependant, ne traitera que les points suivant : l'intensité du rayonnement solaire, sa répartition à le surface de la terre, le rôle de la composition de l'atmosphère.

L'intensité du rayonnement solaire peut varier. Cela est vrai si l'on envisage le long terme car notre soleil, qui est une étoile, a subi le sort qui leur est commun et donc a eu, au début de la formation du système solaire, un éclat plus faible qu'aujourd'hui. Mais cette histoire exigerait un développement qui ne peut trouver sa place ici. En revanche, il semble nécessaire de parler d'un sujet souvent évoqué qui est relatif au variations undécennales de l'activité solaire, visiblement marquées par les variations périodiques d'abondance des taches solaires.

Bien que connues depuis très longtemps, l'observation systématique des taches solaires ne date que de 1610, grâce à l'usage de la lunette astronomique, d'abord par Galilée et Thomas Harriot. Mais quarante ans plus tard, malgré les efforts des astronomes, il n'a pratiquement plus été possible d'en voir jusqu'au début du 18^ème siècle. Elles sont revenues ensuite, avec abondance, et on a pu montrer que cette abondance variait considérablement à un rythme moyen de 11 ans.

Quels sont les effets de ces variations ? Durant les périodes de taches solaires, l'activité de cet astre est renforcée. Cependant, l'accroissement de l'intensité du rayonnement solaire est très faible, de l'ordre de 0,1 %. En revanche, on note un renforcement du champ magnétique solaire, lequel a un effet de « bouclier » contre les rayons cosmiques parvenant sur terre. Ce « rayonnement » cosmique est un flux de particules de haute énergie en provenance du cosmos et du soleil. Il est composé pour 89 % de protons (noyaux d'hydrogène, Z=1), pour 10 % de particules alpha (noyaux d'hélium, Z=2), et pour 1% d'autres noyaux et d'électrons. Ces particules étant chargées électriquement, elle sont sont déviées par le champ magnétique solaire. La corrélation (négative) entre l'activité solaire et ce flux de particules a été vérifiée avec une très grande précision depuis que l'on utilise, pour ces mesures, des satellites artificiels.

Le fait de la disparition des taches solaires entre les années 1650 et 1700 environ (période dite « minimum de Maunder ») a été mis en relation, par beaucoup, avec une période de froid, attestée notamment en Europe à peu près aux mêmes dates et couramment désignée sous le nom de « Petit âge glaciaire ». On l'a caractérisé non seulement par une extension des glaciers de montagne (ce qui lui a donné son nom), mais aussi par divers phénomènes mentionnés dans les archives (fleuves pris par les glaces, vin qui gèle et qu'on découpe à la hache, récoltes médiocres entraînant des famines).

Si l'on se réfère à une courbe de température pour l'hémisphère nord, calculée d'après divers proxies climatiques et récemment publiée (Jones et Mann, 2004), on constate effectivement qu'à une période relativement chaude (ou plutôt tiède) appelée optimum climatique médiéval, succède une période plus froide montrant, en fait, trois minimums, vers 1500, vers 1650, vers 1830. Il faut bien dire que la comparaison avec la courbe d'abondance des taches solaire déçoit, en ce sens que le minimum de Maunder ne tombe pas en face d'un de ces minimums, même avec la meilleure volonté. Par ailleurs, les courbes de températures, non plus calculées mais mesurées (comme la plus longue connue, depuis presque 1650, provenant du centre de l'Angleterre) ne montrent guère de corrélations celles de l'abondance des taches solaires. A ce stade, on ne retire pas l'impression que les variations undécennales de l'activité solaire aient une quelconque influence sur les climats, ou bien, s'il y en a une, qu'elle est masquée par d'autres variations. Cela n'étonne pas si l'on considère la faible valeur des variations du rayonnement solaire. On peut mettre à l'actif de cette conclusion la très grande quantité de travaux sur ce sujet qui ne semblent pas avoir abouti à des conclusions tranchées. Une exception doit cependant être faite en faveur de travaux qui semblent bien avoir mis en évidence des variations de température stratosphériques en liaison avec l'activité solaire : mais ces couches atmosphériques ne représentent qu'une masse très faible par rapport à l'ensemble de l'atmosphère.

Le débat, cependant parait loin d'être clos. Il existe un moyen de mettre en évidence les variations de l'activité solaire pour des périodes bien antérieures à Galilée. On se sert, pour cela, du carbone 14. On sait que cet isotope radioactif est utilisé pour dater le bois jusqu'aux environs de 40 000 ans. Il est produit en haute atmosphère à partir de l'azote 14 par les chocs de neutrons qui y remplacent un proton, ces neutrons étant eux-mêmes engendrés par le rayonnement cosmique. Le carbone 14 étant assimilé par les arbres, il constitue un chronomètre car il perd la moitié de sa masse en 5700 ans environ. Mais il se trouve que la production de carbone 14 dans l'atmosphère varie au cours du temps, puisque l'intensité des rayons cosmiques varie elle-même et, comme nous l'avons vu, en fonction de l'activité solaire. Il y a donc des anomalies dans l'âge mesuré dans les bois anciens, anomalies qui peut être évaluée puisqu'il suffit pour cela de se référer au calendrier précis à l'année près que nous donne la dendrochronologie (cernes des troncs d'arbres), calendrier qui, nous l'avons vu la semaine dernière, remonte à plus de 11 000 ans. Si on prend une courbe de ces anomalies, par exemple à partir de l'an 900, on repère bien l'optimum médiéval et l'âge glaciaire. En mettant en face la courbe de température de Jones et Mann, évoquée plus haut, on constate des ressemblances, surtout si on lisse cette courbe avec une moyenne mobile de 50 ans, ce qui la rend statistiquement plus comparable à la courbe d'anomalies du carbone 14. Ressemblance, mais pas identité. Troublante, mais à confirmer. Car quel serait le mécanisme physique qui pourrait expliquer cet éventuel contrôle climatique, si les variations de l'intensité du rayonnement solaire ne sont pas retenues ?

Parmi plusieurs idées lancées, l'une a récemment été soutenue : le rayonnement cosmique aurait la propriété d'agir sur la nébulosité, par l'intermédiaire de la création de centres de condensation des gouttelettes d'eau. Davantage de nébulosité signifierait moins de rayonnement parvenant au sol, donc refroidissement. On a publié des courbes indiquant une corrélation entre couverture nuageuse et rayonnement cosmique, mais sur des durées si courtes qu'on peut se permettre de douter. Bien sûr on a besoin de davantage de renseignements.

Cette discussion sur l'effet de l'activité solaire de rythme undécennal ou séculaire marqué par les taches solaires pourrait être prolongée presque indéfiniment et il faut conclure. Il est certain que cette activité engendre une modulation de l'intensité du rayonnement cosmique arrivant sur terre (par l'effet du champ magnétique solaire) ce qui modifie la production de radiocarbone en haute atmosphère. Mais sur le climat, rien de bien significatif au moins en ce qui concerne le cycle de 11 ans (sous réserve d'effets dans la stratosphère et, peut-être, sur la nébulosité). Sur de plus longues périodes, le doute plane encore davantage. On peut être séduit par des corrélations, mais elles demandent à être confirmées et à être, si elles existent, expliquées par des phénomènes physiques attestés.

Abordons maintenant le deuxième point de notre exposé qui concerne les variations de la répartition du rayonnement solaire à la surface du globe. Ces variations qui sont le fait des variation périodiques des paramètres du mouvement de la Terre, on été suspectées depuis longtemps, notamment par Joseph Alphonse Adhémar, depuis 1842, par James Croll, en 1875 et par Milutin Milankovitch en 1920. C'est surtout le nom de ce dernier qu'on a retenu pour désigner cette théorie. Les variations de l'orbite terrestre au cours du temps sont contrôlées par trois paramètres qui présentent des variations périodiques du fait des attractions réciproques qu'exercent entre elles les planètes et la lune. Ces paramètres sont la précession des équinoxes (période d'environ 21 000 ans dans le référentiel orbital), l'obliquité de l'axe de rotation de la terre par rapport à l'écliptique (période d'environ 41 000 ans), l'excentricité (c'est-à-dire l'aplatissement) de l'ellipse que dessine l'orbite terrestre (périodes de 100 000 et 400 000 ans). Sans entrer dans les détails, on montre que la répartition de l'insolation à la surface du globe varie dans le temps en fonction de ces paramètres. Insistons sur le fait que la quantité totale de rayonnement reçue sur terre ne varie pas et que, notamment, elle ne dépend pas de la distance de la terre au soleil, ces variations de distance étant exactement compensées par des variations de la vitesse de déplacement de notre globe.

En définitive, on peut calculer très précisément les courbes montrant les variations d'insolation en fonction du temps pour tous les points de la planète. Milankovitchavait déclaré que la situation où cette insolation était faible en été dans l'hémisphère nord était de nature à engendrer une glaciation car la neige qui était tombée sur l'Europe du Nord et l'Amérique du Nord ne fondait pas entièrement et s'accumulait pour donner de la glace. Il voyait dans ce mécanisme l'explication de la répétition des glaciations quaternaires.

Depuis Milankovitch, on a accumulé des quantités de données qu'il ne possédait pas, notamment par les sondages dans les glaces polaires. On peut dire aujourd'hui que ses idées ont été entièrement confirmées, même si bien des détails de ces contrôles climatiques nous échappent. Il a certes fallu expliquer pourquoi les courbes montrant les variations climatiques ne coïncidaient pas avec les courbes exprimant les courbes de l'insolation. La réponse d'ensemble est simple : c'est que l'insolation joue sur le système climatique dont chaque élément possède ses constantes de temps et qui non seulement dépendent les uns des autres, mais sont aussi l'objet de diverses rétroactions. En particulier, en ce qui concerne les temps quaternaires, le rôle des masses de glaces joue un rôle fondamental. On conçoit en effet que, quelles que soient les variations de l'insolation, un glacier ne puisse se former ou disparaître du jour au lendemain. De fait, leurs constantes de temps sont de plusieurs milliers d'années, ce qui entraîne des déphasages entre les fréquences du signal d'entrée (insolation) et du signal de sortie (glaciation) comme l'ont bien montré Imbrie et Imbrie dès 1980.

Dans ce domaine, la cause est entendue et l'on peut conclure que les paramètres de l'orbite terrestre exercent un contrôle sur les climats (compte tenu des réactions du Système Terre) et que ce contrôle explique en particulier le rythme des successions des glaciations quaternaires (environ 100 000 ans). Ces mêmes processus ont évidemment joué dans un passé plus lointain.

Abordons maintenant le troisième point de l'exposé, celui concernant les variations climatiques trouvant leurs causes dans les variations de la composition de l'atmosphère. Celles-ci peuvent être naturelles (en particulier le volcanisme) ou artificielles (engendrées par les activités humaines, usage des combustibles fossiles, agriculture, etc.).

Mais il faut d'abord parler de l'effet de serre et, pour cela avoir quelques notions sur les lois du rayonnement. Chauffé, un corps émet un rayonnement (aux caractéristiques simples si c'est le « corps noir » qui absorbe tout le rayonnement qu'il reçoit). Le maximum d'intensité de ce rayonnement (Lmax) dépend de la température T du corps selon la relation simple dite loi de Wien : Lmax(en micromètres) =2885/T (en kelvins). Le soleil, au moins sa partie externe qui nous éclaire (la photosphère) est portée à une température de quelque 6000 K et nous envoie un rayonnement qui se situe surtout dans la lumière visible (à 0,48 micromètre si l'on en croit la formule), un peu dans l'ultraviolet, un peu dans l'infrarouge. Ce rayonnement est absorbé par la terre qui se réchauffe, au environs de 15°C (soit 288 K) et, par la même loi physique, émet un rayonnement à 10 micromètres, c'est-à-dire de l'infrarouge. Parvenu à ce point, voyons ce qui se passe dans une serre. Le rayonnement solaire traverse ses vitres, chauffe le sol qui émet de l'infrarouge. Cet infrarouge va rayonner mais, malheureusement pour lui, les vitres de la serre ne sont pas aussi transparentes à sa longueur d'onde que pour la lumière visible. Il va donc être en partie renvoyé dans la serre et contribuer réchauffer encore le sol. La température va ainsi s'élever beaucoup plus qu'en l'absence de vitres, et elle ne cessera de le faire que lorsqu'elle sera suffisante pour que la quantité d'énergie qui sorte soit égale à celle qui entre.

Sur la terre, il en va de même, ou du moins on peut prendre cette analogie car il existe dans l'atmosphère des gaz qui ont un certain pouvoir d'absorption en ce qui concerne les rayons infrarouges. Ce sont des gaz dits à effet de serre, parmi lesquels on peut citer la vapeur d'eau (qui est un gaz transparent, à ne pas confondre avec brouillards ou nuages), le gaz carbonique (ou dioxyde de carbone), le méthane, les oxydes d'azote et l'ozone dont on sait qu'il a aussi la capacité d'absorber des rayonnements ultraviolets.

Ainsi, en définitive, chauffée par le soleil, la Terre émet un rayonnement infrarouge. Ce rayonnement infrarouge est en partie bloqué dans l'atmosphère par les gaz à effet de serre. La température de la surface terrestre va s'élever jusqu'à ce que l'équilibre thermique soit établi, c'est-à-dire jusqu'à ce qu'il y ait autant d'énergie sortante qu'entrante. Une des conséquence principale de l'effet de serre sur terre est que sa température moyenne de surface, qui serait de -18°C sans effet de serre, est en réalité, grâce à cet effet de serre de +15°C. Il est clair que si l'on modifie la composition de l'atmosphère, l'intensité de l'effet de serre sera changée, donc la température (et d'autres paramètres climatiques qui en dépendent, précipitations, vents, etc.).

Des changements peuvent intervenir naturellement, du fait du volcanisme, lequel peut d'ailleurs avoir des effets contradictoires selon qu'il injecte dans l'atmosphère des gaz à effet de serre, induisant un réchauffement, ou des produits divers absorbant la lumière et engendrant un refroidissement. Les grandes éruptions récentes (Tambora, Indonésie, 1815, Krakatoa, Iles de la Sonde, 1883, El Chinchon, Mexique, avril 1982, Pinatubo, Philippines, juin 1991) ont été suivi de refroidissements. Pour le dernier, on a pu chiffrer ce refroidissement à 0,6°C. Mais il est très possible que, dans le passé, les grandes éruptions ayant donné des immenses plateaux basaltiques, qu'en langage géologique on nomme trapps, en reprenant le nom de ceux qui occupent des surfaces considérables dans l'ouest de l'Inde, aient injecté dans l'atmosphère des quantités de gaz à effet de serre. C'est en tous cas l'avis de ceux qui voient dans ces éruptions l'explication (donc climatique) des grandes extinctions de faunes que les enregistrements géologiques nous montrent en particulier à 5 moments critiques de l'histoire de la Terre depuis 500 millions d'années. A chacun de ces moments, la moitié, ou davantage, des genres vivants ont en effet disparu. Les arguments de ces chercheurs sont solides même si, au moins dans le cas des disparitions de la fin de la période du Crétacé, qui a vu disparaître notamment les dinosaures, l'hypothèse concurrente de la chute sur terre d'une immense météorite est soutenue par beaucoup. D'ailleurs ces deux phénomènes pourraient avoir joué de façon contemporaine.

Mais, il faut bien aussi évoquer les modifications de l'atmosphère qui sont de notre fait. Il est maintenant admis, grâce aux mesures faites dans les carottes de glaces ou directement dans l'atmosphère, que, depuis la fin du 18^ème siècle, les proportions, dans l'atmosphère, de certains gaz à effet de serre, en particulier le méthane et le dioxyde de carbone ont augmenté. Ainsi, pendant cette période, la concentration de ce dernier gaz est passé de 280 ppp (partie par millions, ou millionièmes) à 380 ppm soit une augmentation de 35 %. Les origines de ces augmentations sont connues. Concernant le dioxyde de carbone c'est, très majoritairement l'usage des combustibles fossiles : charbon, pétrole, gaz naturel. Concernant le méthane, c'est l'agriculture et l'élevage.

Quel sera notre sort en relation avec ces changements climatiques ? et quelle a été le nôtre par le passé lorsque les changements climatiques n'étaient pas de notre fait ? C'est ce que nous verrons dans le prochain cours.