Cycles naturels du climat

Introduction

Dans ce chapitre, nous allons nous intéresser à une question importante: dans quelle mesure les phénomènes naturels impactent-ils notre climat ? L’un d’entre-eux est-il susceptible d’expliquer l’augmentation de la température terrestre ?

Un à un, nous allons évaluer nos suspects: les grands phénomènes naturels pouvant avoir un effet sur la température moyenne terrestre. Cela nous permettra de mieux comprendre le climat… Et nous donnera, ou non, de quoi préciser la responsabilité du suspect principal: les activités humaines !

Nous pourrons donc répondre à l’hypothèse selon laquelle le réchauffement climatique existerait, mais serait dû à des cycles naturels plutôt qu’aux activités humaines.

Constat: les températures varient au cours du temps

Le climat Terrestre n’a pas toujours été le même qu’aujourd’hui. Parfois, la Terre a été plus chaude, ou plus froide. L’Europe a pu être couverte de glace, et l’Antarctique lui-même a déjà été recouvert par des forêts ! Les choses sont loin d’avoir toujours été comme aujourd’hui. On le sait notamment grâce à la paléoclimatologie.

Dans le chapitre précédent, nous avons dressé le bilan radiatif de la Terre. Et nous savons donc précisément ce qui stabilise la température de notre planète ! Pour qu’elle change, il faut nécessairement que certains paramètres varient… La quantité d’énergie entrante dans le système par exemple (énergie solaire), l’albédo moyen de la planète, la composition de notre atmosphère…

Court et long terme

Certains de ces paramètres peuvent évoluer, mais sur un trop long terme. Ce n’est pas si long pour notre planète qui a déjà fêté plus de 4 milliards d’années., mais c’est infiniment long à notre échelle ! Certains paramètres mettent des dizaines de milliers d’années à évoluer ! Nous avons bien du mal à ressentir de quelconques changements tant ils sont lents à l’échelle de notre civilisation. Leur responsabilité est absolument négligeable sur le dérèglement climatique actuel. Néanmoins, les étudier est proprement passionnant, et nous le ferons pour le plaisir à la fin de ce chapitre.

Nous allons nous intéresser aux paramètres variant suffisamment rapidement pour que leur effet sur le climat soit observable, à l’échelle du temps humain.

Quels sont-ils ? C’est ce que nous allons voir tout de suite.

Cycles solaires

Grâce à l’observation des tâches solaires, on peut évaluer la puissance des rayonnements électromagnétiques de notre cher astre. Plus les tâches solaires sont nombreuses, plus son rayonnement est fort. Fait amusant: en observant ces tâches solaires, on peut constater que le soleil tourne en quelque sorte sur lui-même. Plus rapidement sur son équateur (25 jours) que sur ses pôles (35 jours): c’est possible puisqu’il n’est pas solide: le soleil n’est qu’une boule de plasma. Son cœur tournerait sur-lui même en une semaine. Fascinant non ?

Des tâches solaires.

On constate que le soleil ne nous envoie pas toujours exactement la même quantité d’énergie ! En fait, de manière cyclique, il rayonne plus ou moins fort, ce qui a pour effet de modifier la quantité d’énergie totale arrivant sur Terre… Dans quelle mesure exactement ? Vraiment très légèrement, de l’ordre de ± 0.07%. Mais comme il s’agit de quantités colossales d’énergie, cela suffit pour que l’on puisse observer un effet concret sur notre climat !

Ces cycles ont une période de 11 ans, ce qui signifie qu’il s’écoule environ 11 années entre deux maximums, ou deux minimums solaires. Ces cycles trouvent eux-mêmes leur place dans des cycles à la période plus importante. Durant le Petit-Âge Glaciaire, plusieurs paramètres de notre climat ont évolué de manière à favoriser un refroidissement. Parmi eux, un minimum solaire: le minimum de Maunder. En France, une grande partie de la population a été décimée par le froid et les famines: en 1709, il pouvait faire jusque -20°C à Paris ! Autre anecdote: à la fin du 18ème siècle, la cavalerie Française a même pu capturer la… Flotte Hollandaise prise dans les glaces, aux Pays-Bas ! Difficilement imaginable aujourd’hui.

La capture de la flotte Hollandaise au Helder, en Janvier 1795.

Alors, les cycles solaires peuvent-ils expliquer le dérèglement climatique et la tendance au réchauffement ? Il suffit d’observer les courbes d’activité solaire pour se rendre compte que non. Aucune chance. En fait, depuis 50 ans, la température augmente constamment alors que l’activité solaire… Diminue globalement.

30 années de cycles solaires.

Puisque l’on dispose des données sur les cycles solaires, nous pouvons évaluer son impact sur la température moyenne terrestre: lors des 40 dernières années, ils ont soit fait augmenter, soit fait diminuer la température moyenne, mais de moins d’un dixième de degré… Nous sommes donc très loin du compte. Et nous comprenons rapidement que les cycles solaires ne sont pas responsables du dérèglement climatique.

Le rôle des volcans

Les volcans sont notre suspect suivant. Lorsqu’ils viennent à se mettre en colère, ils peuvent influencer l’ensemble du climat terrestre ! Comment ?

Notons pour commencer que lorsqu’un volcan entre en éruption, il émet du dioxyde de carbone (CO2). Mais en quantité trop faible pour avoir un impact véritable sur le climat terrestre: ces émissions sont dérisoires en comparaison des émissions liées aux activités humaines. Comme vous pouvez l’imaginer, c’est néanmoins loin d’être la seule chose qu’ils propulsent dans l’atmosphère…

Les plus grands panaches volcaniques, pouvant atteindre plusieurs kilomètres de hauteur, entraînent des gaz sulfatiques (SO4) dans la stratosphère (la première couche supérieure de l’atmosphère, que l’on trouve en moyenne autour d’une dizaine de kilomètres de hauteur). Ces gaz favorisent la formation d’aérosols: de fines particules en suspension. Ces derniers peuvent avoir pour propriété de réfléchir une partie du rayonnement solaire… Et donc de diminuer la quantité d’énergie reçue par la Terre ! La présence d’aérosols a pour effet de refroidir notre climat…

Au bout d’un certain temps, ils finissent par retomber. Et en retombant, ils accentuent la formation de nuages (en servant de noyaux de condensation à la vapeur d’eau), qui eux-mêmes renvoient une partie du rayonnement solaire vers l’espace… Le climat est donc refroidi doublement. Ces refroidissements se sont vérifiés dans l’histoire à chaque éruption volcanique de grande ampleur. Ces baisses de températures sont temporaires, et l’anomalie est corrigée dès lorsque les aérosols sont retombés, ce qui est généralement l’affaire d’une ou deux années.

Exemple récent: en 1991, aux Philippines, le Mont Pinatubo est entré en éruption, donnant naissance à un immense panache volcanique. Lequel entraînera une baisse de la température terrestre d’environ 0.5°C… Rien que ça.

Schéma simplifié du mécanisme de refroidissement volcanique.

Le refroidissement climatique induit par les éruptions d’El Chichón et du Pinatubo est évident.

De toutes ces informations, nous pouvons conclure que les volcans ne sont pas notre coupable responsable du réchauffement climatique. Ils ne font que refroidir notre climat, et ce de manière éphémère…

El Niño, la Niña

Notre suspect suivant est plus complexe à décrire que les précédents. Il nécessite quelques bases en météorologie qu’il me sera impossible d’expliquer en quelques lignes. Si vous ne comprenez pas les explications techniques, ce n’est pas très grave: il suffira de comprendre la fin du paragraphe.

Allons à l’essentiel ! Si vous êtes allé à l’école, vous devez savoir que la Terre est composée à 72% d’eau. Les océans et les mers ont aussi une teinte sombre, ce qui signifie qu’ils possèdent un albédo faible et qu’ils absorbent une grande partie du rayonnement électromagnétique solaire. Ils accumulent donc la plupart de l’énergie reçue par la planète ! Nous l’avons expliqué dans ce chapitre.

Sachant cela, on ne saurait être étonné du fait que les océans puissent jouer un rôle climatique. Les océans interagissent avec l’atmosphère, en échangeant avec elle de l’énergie. Ces échanges ont de grandes conséquences sur la température, les vents… Des courants océaniques comme le Gulf Stream sont capables de réchauffer l’Europe entière, et expliquent pourquoi il y fait si doux en comparaison du Canada ou de l’intérieur de la Sibérie, pourtant voisines en latitude !

Dans l’océan Pacifique Sud, existe une zone où les eaux de surface sont particulièrement chaudes. El Niño est le phénomène caractérisant cette anomalie positive de température. Lorsque le contraire se produit (déficit thermique important), c’est le phénomène de la Niña. On regroupe ces deux phénomènes sous le nom de ENSO (El Niño Southern Oscillation).

En temps normale, une cellule anticyclonique (boucle convective de Walker) pousse les eaux chaudes de cette zone en direction de l’Australie (les alizées, le vent, pousse tout simplement l’eau en donnant naissance à la houle). La nature ayant horreur du vide, cela a pour effet de faire remonter les eaux profondes, plus froides, vers les côtes Péruviennes. Par le jeu des phénomènes de convection du Pacifique Ouest, et de subsidence du Pacifique-Est, on obtient des eaux plus chaudes à l’Ouest qu’à l’Est de cet océan.

Lorsque la cellule anticyclonique faiblit, cela perturbe l’ensemble de ce système et les eaux chaudes du Pacifique Ouest viennent envahir l’Est du bassin. Ces eaux chaudes en surface contiennent beaucoup d’énergie, qui est en partie cédée à l’air de surface… Notre atmosphère ! De quoi réchauffer la température de surface terrestre… Il s’agit d’un épisode d’El Niño. Lorsque le contraire se produit… C’est La Niña.

Impact de l’ENSO sur le climat.

Si vous n’avez pas compris les détails du phénomène, ce n’est pas très grave. L’essentiel, c’est de comprendre qu’il s’agit là d’une oscillation ! D’où le “O” de ENSO. C’est à dire que ces phénomènes ne réchauffent pas spécialement le climat, ni ne le refroidissent. Ils sont généralement alternés, et ne peuvent donc pas expliquer une hausse continue de la température terrestre… Ils peuvent simplement expliquer une petite hausse éphémère, généralement suivie d’une baisse, et inversement.

L’ENSO n’est donc pas notre coupable non plus. Il existe d’autres oscillations comme la NAO, mais de moindre envergure. Elles partagent la caractéristique d’être des oscillations, et ne peuvent donc pas plus expliquer une tendance à un réchauffement climatique ! Mais à quoi pourrait bien ressembler la courbe de température terrestre si ces phénomènes n’existaient pas ?

La température si ces phénomènes n’existaient pas.

Nous connaissons bien les 3 phénomènes que nous venons de décrire. Assez pour mesurer leur impact sur le climat avec une précision appréciable ! Et donc… Nous pouvons simuler ce que serait la courbe de température si ces phénomènes n’avaient pas lieu. Ci-dessous, vous pouvez observer le résultat. La courbe de température ne cesserait pas de grimper, et le ferait même de manière plus régulière…

Sur la courbe Raw Data, correspondant à la courbe de température réelle, on peut observer qu’un fort El Niño a renforcé l’effet du réchauffement climatique en 1983, ou encore en 1997-1998. La Niña a pu au contraire atténuer son effet en 2008 ! Les éruptions volcaniques de 1982 et 1991 ont contribué elles aussi à atténuer la hausse.

L’activité solaire plus faible à partir de 2003 a aussi contribué à limiter le réchauffement… Nous pouvons rapidement en conclure que ces phénomènes naturels, qui sont ceux ayant le plus d’impact sur notre climat, et ceux dont l’effet est assez rapide pour être perceptible à l’échelle de la société humaine, ne peuvent pas être tenues pour responsables du réchauffement climatique.

Sans leur existence, la courbe progresserait tout de même de manière quasi-linéaire, ce qui laisse imaginer l’existence d’un autre responsable à cette tendance au réchauffement ! Comme vous pouvez le deviner, l’origine est anthropique (dû à l’humain et ses activités), et c’est ce que nous allons voir au prochain chapitre…

Après filtrage de ces 3 grands phénomènes naturels, la hausse des températures est rendue encore plus évidente.

A très long terme: les glaciations

Depuis plusieurs millions d’années, se succèdent sur Terre des périodes glaciaires et interglaciaires. Depuis le quaternaire (les 800.000 dernières années environ), les périodes glaciaires durent près de 100.000 ans, tandis que les périodes interglaciaires, plus clémentes, ne durent que de 10.000 à 20.000 ans. Avec des changements si lents, pas étonnants que nos sociétés humaines ne puissent pas en mesurer l’impact ! Si l’Europe connaît des températures clémentes, c’est que nous nous trouvons dans une période interglaciaire.

Lors d’une période glaciaire, la température terrestre est beaucoup, beaucoup plus froide. Au point que toute l’Europe, l’Amérique du Nord soient prises par les glaces ! L’Angleterre n’est ainsi qu’une île gelée lors des périodes glaciaires… La quantité d’eau présente sur Terre ne variant jamais, cette quantité de glace présente sur les continents influence aussi le niveau des océans. En pleine période glaciaire, ils se trouvent… 120 mètres plus bas ! On peut donc traverser la Manche à pieds !

Comment expliquer ces variations ? Il y a forcément des choses qui jouent sur la quantité d’énergie reçue par la Terre, ou celle qu’elle renvoie vers l’espace ? Voyons cela.

Voici à quoi ressemblait la planète lors des glaciations quaternaires.

Paramètres de Milanković

Les paramètres de Milanković sont des paramètres astronomiques qui engendrent des variations cycliques du climat terrestre. Voyons les un à un !

Excentricité: Il s’agit de la forme de l’orbite terrestre, qui varie au cours du temps. Elle oscille entre une forme circulaire, et celle d’une ellipse, en environ 100.000 ans. Cela implique que parfois, la Terre se trouve plus ou moins loin du soleil ! Et donc, elle reçoit plus ou moins d’énergie… Cela a également un effet sur la durée des saisons: les hivers et automnes sont actuellement plus courts de quelques jours que les étés et printemps. Dans les 10.000 prochaines années, cela s’inversera progressivement.

Obliquité: Cette fois, il s’agit de l’angle d’inclinaison de la Terre. Actuellement, la Terre est inclinée de 23°26′. Mais cela varie entre 22°2′ et 24°30’… Tous les 41.000 ans ! Plus la Terre est inclinée, plus la différence d’énergie reçue par les pôles en été et en hiver est grande. Avec un petit angle d’inclinaison, les glaces n’ont pas le temps de fondre entièrement en été, et cela favorise un âge glaciaire.

Précession: La Terre tourne sur elle même. L’axe de la rotation de la Terre ne pointe pourtant pas toujours dans la même direction ! La direction de cet axe varie durant un cycle de 27.760 ans. En fonction de ce paramètre, la quantité d’énergie reçue par la Terre ne varie pas, mais la répartition de celle-ci varie énormément ! Encore une fois, cela peut favoriser un âge glaciaire sur les pôles reçoivent peu d’énergie.

Parmi tous ces paramètres, ceux ayant le plus d’influence sur le climat ne sont pas ceux agissant sur la quantité d’énergie totale reçue par la Terre… Mais ceux modifiant la manière dont cette énergie est répartie sur sa surface ! Mais comment un simple changement de répartition peut-il avoir un tel effet sur le climat, au point d’enclencher un âge glaciaire ou d’y mettre fin ?

Quand la machine s’emballe

Imaginez que la Terre se trouve dans une ère glaciaire. L’hémisphère Nord est couvert de glace jusque la France: une glace possédant un fort albédo, réfléchissant donc la majeure partie du rayonnement reçu par le soleil vers l’espace. Progressivement, en quelques dizaines de milliers d’années, un ou plusieurs des paramètres de Milanković changent. L’obliquité et la précession évoluent de manière à ce que l’hémisphère Nord reçoive désormais plus d’énergie solaire que l’hémisphère Sud. 

Que se passe t-il ? Et bien les glaces, recevant plus d’énergie qu’auparavant, se mettent à fondre légèrement, en commençant par celles les plus au Sud de l’hémisphère Nord. Leur disparition laisse place à de la roche, ou à de l’eau dans l’océan, beaucoup plus sombres. Ces surfaces ont un albédo plus faible que la glace, et renvoient moins d’énergie vers l’espace. Elles en absorbent donc plus, ce qui a pour conséquence d’élever leur température. Et donc… Cette élévation de température accroit la fonte des glaces. Qui elle-même va causer une diminution de l’albédo, qui causera une augmentation de la température, accroissant la fonte des glaces…

Cette boucle ne s’arrêtera que lorsqu’il n’y aura plus de glaces à faire fondre, ou lorsque d’autres phénomènes/changements de paramètres ayant l’effet inverse prendront le dessus. Ce genre de mécanisme s’appelle une boucle de rétroaction. Une boucle de rétroaction est un phénomène agissant sur sa cause, comme c’est le cas dans cet exemple. Elle est positive lorsque le phénomène renforce sa cause, et négative lorsqu’il l’affaiblit.

Il existe bien d’autres exemples de boucles de rétroaction positives. Ainsi dans l’exemple précédent, on aurait pu ajouter que l’augmentation de la température terrestre entraîne une augmentation de la température des océans. En se réchauffant, ils perdent en capacité à stocker du C02, et en relâchent donc dans l’atmosphère… Le C02 étant un gaz à effet de serre, comme nous l’avons vu dans le chapitre précédent, l’augmentation de sa concentration dans l’atmosphère entraîne une augmentation de la température terrestre et donc… Océanique. Et ainsi de suite.

Schema descriptif des deux boucles de rétroaction positives évoquées.

Ainsi, une perturbation initiale peut entraîner une réaction en chaîne de boucles de rétroaction positives. Ce sont ces mécanismes que nos activités humaines ont mis en marche en modifiant légèrement la composition de notre atmosphère. Le problème… C’est que les évolutions des paramètres que nous avons précédemment évoquées se font sur plusieurs dizaines de milliers d’années. Le climat change donc, mais ces changements sont suffisamment lents pour permettre aux êtres vivants sur Terre d’évoluer et de s’y adapter.

Le rythme du dérèglement climatique actuel n’a strictement rien à voir: il est ahurissant et sans précédent. Aucune espèce n’a le temps de s’y adapter, pas même l’être humain. Cela participe, avec nos autres activités polluantes, à la sixième extinction de masse.

Si nous venons de constater que les phénomènes naturels ne pouvaient pas expliquer le dérèglement climatique actuel, nous n’avons pas encore prouvé qu’il était dû aux activités humaines. Dans le prochain chapitre, nous aborderons le cycle du carbone. Avec ça, nous aurons enfin les outils permettant d’expliquer l’impact des activités humaines sur le climat. Et serons donc fixés sur l’origine anthropique du dérèglement climatique !

Ce qu’il faut en retenir

• De nombreux phénomènes naturels impactent notre climat, mais tous ne sont pas assez rapides pour produire des changements assez rapides pour être observés à l’échelle de la société humaine.
• Aucun des phénomènes ayant un impact sur le climat à court terme ne peut expliquer la tendance au réchauffement climatique actuel
• Si ces phénomènes n’existaient pas, la hausse de température qu’aurait connue la planète aurait été la même, mais aurait été encore plus régulière
• Des paramètres astronomiques, les paramètres de Milanković, entraînent de grands changements dans le climat terrestre (glaciations) à très long terme
  
• Les variations de ces paramètres entraînent des boucles de rétroaction positives, principales responsables des glaciations et sorties de glaciations.
• Ce sont ces même boucles de rétroaction positives que nos activités humaines ont enclenché en modifiant la composition de l’atmosphère. La machine climatique s’emballe.

N’hésitez pas à poser des questions si vous en avez en commentaires de cet article !