# De l'atmosphère au climat et à la science du système terrestre

Didier Paillard

<figure><img src="image_1.png" /></figure>

## To cite this version:

Didier Paillard. De l'atmosphère au climat et à la science du système terrestre. La Météorologie, 2009, 8 (65), pp.39. 10.4267/2042/27950. hal-03243891

HAL Id: hal-03243891

https://hal.science/hal-03243891

Submitted on 4 Jun 2021

HAL is a multi-disciplinary open access
archive for the deposit and dissemination of sci-
entific research documents, whether they are pub-
lished or not. The documents may come from
teaching and research institutions in France or
abroad, or from public or private research centers.

L'archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
destinée au dépôt et à la diffusion de documents
scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
émanant des établissements d'enseignement et de
recherche français ou étrangers, des laboratoires
publics ou privés.

<figure><img src="image_2.png" /></figure>

Distributed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License
# De l'atmosphère au climat et à la science du système terrestre

## Résumé

Dans le contexte actuel de changement climatique, la science du climat est devenue un objet d'attention pour la société. Pourtant, la notion précise de « climat » n'est en fait pas si bien définie, les contours physiques du « système climatique » étant souvent dépendants de la question scientifique traitée. Il est donc nécessaire d'examiner ce qui se cache derrière le mot « climat » et de passer d'une vision phénoménologique à une vision plus physique. La climatologie est par essence hautement interdisciplinaire et les modélisateurs du climat définissent de plus en plus leur objet en termes de « système terrestre » au lieu de « système climatique ». La science du système terrestre est une discipline émergente qui a l'ambition de décrire, avec une même trame mathématique, l'évolution passée et future de notre planète.

## Abstract

### From atmosphere, to climate, to Earth system science

In the current context of climatic changes, climate science is becoming a focus of attention for society. Still, the very notion of “climate” appears not all that well defined, the physical contours of a “climate system” are often rather dependent on the given scientific question. It is thus necessary to discuss what is hidden behind the word “climate”, and to move from a phenomenological towards a more physically-based view. Climatology is in essence highly interdisciplinary and climate modellers are now increasingly defining their object in terms of an “Earth system” instead of a “climate system”. Earth system science is an emerging discipline that has the ambition to describe, in the same mathematical framework, the past and the future evolution of our planet.

### Didier Paillard

Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement - Centre de Saclay
91191 Gif-sur-Yvette

Ndlr La Météorologie remercie l'auteur, Didier Paillard, pour son aimable auto- organisation à la publication de cet article « From atmosphere, to climate, to Earth system science », traduit de l'anglais par Jacques Siméon, extrait de la revue Interdisciplinary Science Reviews, 2008, Vol. 33, n° 1, 25-35 (11), doi 10.1179/030801808X259943.

## Qu'est-ce que le « climat » ?

Le mot « climat » est d'origine grecque (κλιμα), il se réfère à l'inclinaison des rayons solaires au-dessus de l'horizon. Cela souligne clairement la nature géographique du climat, un mot dont l'étymologie le rapproche beaucoup de la notion actuelle de latitude géographique. De ce fait, la climatologie fut, jusque très récemment, une branche de la géographie. Il faut bien mettre en évidence cet héritage, car beaucoup de difficultés et d'incompréhensions proviennent de ce changement récent de la notion de climat. Ainsi, le climat est traditionnellement défini comme un élément variant spatialement, mais à peu près constant temporellement. Mais alors que voulons-nous dire par des expressions comme « climat planétaire » ou « changement climatique » ? Il nous faut, ou bien les déclarer comme des oxymores, ou bien définir mieux la notion de climat. D'après les manuels techniques (dans notre cas le glossaire du Giec) : « Le climat au sens étroit du terme est habituellement défini comme le “temps moyen” ou, plus rigoureusement, comme la description statistique en termes de moyenne et variabilité des paramètres pertinents sur des périodes s'étageant de l'ordre de plusieurs mois à des milliers ou des millions d'années. La période classique est de trente ans, selon la définition de l'Organisation météorologique mondiale (OMM). Ces

paramètres sont le plus souvent des variables comme la température, les précipitations et le vent. Le climat, dans un sens plus large, est l'état, incluant une description statistique, du système climatique », (Solomon et al., 2007).

En fait, cette définition soulève plusieurs questions supplémentaires. Tout d'abord, le climat y est défini comme une description statistique du « temps », mais non comme un véritable système physique. Cela peut convenir pour le calcul du climat à posteriori à partir d'observations, mais ce n'est pas d'un grand secours pour le calcul de son évolution à priori, à partir des principes physiques et chimiques de base. Et ensuite, pourquoi devrions-nous choisir trente ans comme échelle temporelle pertinente ? Et pourquoi les valeurs de surface sont-elles plus pertinentes que celles de l'atmosphère moyenne et supérieure ? Nous touchons là à la nature tout à fait anthropocentrique de la notion de climat. Celui-ci est défini à l'usage des êtres humains, vivant à la surface de la Terre à une échelle de temps multidécennale. Il n'est pas défini pour les oiseaux ou les insectes qui peuvent vivre dans les airs et pour des durées plus courtes, et certainement pas pour les poissons dans l'océan. Bien qu'une telle définition ne soit pas un problème en soi, elle ne nous conduit, ni vers une image objective d'un « système climatique » en termes physiques, ni à une compréhension des forces internes ou externes qui sont susceptibles de l'affecter.
D'ailleurs, si l'on pouvait effective-
ment choisir à son gré la période de la
moyenne climatique dans la gamme
s'étendant de plusieurs mois à des
millions d'années, tel que mentionné
dans la définition ci-dessus, l'idée de
climat perdrait de fait tout intérêt pra-
tique. Cela veut dire que la période de
trente ans (ou au moins une période
comprise entre dix et cent ans) est
absolument centrale dans la définition
physique du climat, non seulement
pour des raisons pratiques, mais aussi
pour décider ce qui est attribué à la
**variabilité climatique** (les variations
plus rapides que l'échelle donnée) ou
au **changement climatique** (les varia-
tions plus lentes). Ce n'est pas seule-
ment un problème sémantique, car un
modèle mathématique idéal du climat
représenterait la **variabilité** d'une
manière purement statistique à la diffé-
rence du **changement** qui le serait
d'une manière dynamique (ou détermi-
niste). Autrement dit, le contenu phy-
sique de notre « modèle climatique
idéal » dépend directement du choix de
l'échelle de temps. Si la durée de
trente ans est purement pratique ou
anthropocentrique, elle est alors proba-
blement hautement arbitraire d'un
point de vue physique. Heureusement,
toutefois, cela peut aussi ne pas être le
cas, et cette échelle temporelle pourrait
être relativement pertinente, comme le
montre la figure 1.

Il est intéressant de constater, sur la
figure 1, que la pente de la courbe de
variabilité dans les longues échelles
temporelles (plus de 1,2 environ) est
plus grande que dans les
courtes (moins de 0,6
environ). Cela peut, tout
à fait directement, être
interprété en termes de
déterminisme plus grand
pour le système « lent »
ou « climatique » que
pour celui « rapide » ou
« météorologique ». Un

tel supplément de déterminisme est
également une caractéristique néces-
saire à une définition solide d'un
« système climatique ». En effet, la
meilleure définition du climat est pro-
bablement celle de l'écrivain de
science-fiction Robert A. Heinlein :
« Le climat est ce que vous attendez, le
temps est ce que vous obtenez. » Cela
met en lumière le fait que nous vou-
lons pouvoir parler du climat à priori,
même si nous reconnaissons que le
temps sera toujours imprévisible, au
moins à longue échéance. Dans un
sens, il y a un fort désir de définir le
climat comme la « partie prévisible »
du temps. Bien que, malheureusement,
ce ne soit pas une bonne définition
pratique, elle aide bien à comprendre
pourquoi la notion de climat a dévié de
son fondement purement géographique
vers une réalité statistique, et pourquoi
elle devrait continuer à le faire pour
évoluer vers une définition plus phy-
sique, fondée sur l'évolution détermi-
niste de certaines parties du système
terrestre.

Cependant, la situation sémantique
n'est pas si évidente et la discussion ci-
dessus est plus un appel pour obtenir
une définition solide que l'établisse-
ment d'un réel consensus. Une diffi-
culté majeure surgit du fait du grand
intervalle entre l'échelle temporelle
journalière du « temps » tel qu'il est
compris de tous et celle du « climat »,
défini comme ci-dessus, échelle tem-
porelle de plusieurs siècles. Comment
caractériser-t-on les échelles entre une
semaine et dix ans ? Ces échelles

sont-elle fortement ou faiblement pré-
visibles ? Il est clair que de telles
échelles sont hautement pertinentes
pour les êtres humains. Elles vont au-
delà de ce que nous attendons couram-
ment de la prévision du temps, mais
sont encore trop courtes pour être
qualifiées « d'échelles climatiques ». Bien que les prévisions saisonnières
en soient encore à leur tout début, on
observe actuellement des efforts soute-
nus de développement en ce domaine
dans la plupart des centres de prévision
météorologique. Un exemple célèbre
est la possibilité de prévoir l'arrivée
d'un événement El Niño, phénomène
de grande échelle qui affecte surtout la
zone pacifique, mais qui a des consé-
quences planétaires. La fiabilité de
ces prévisions est déjà suffisante pour
être utilisable par des secteurs éco-
nomiques majeurs, parmi lesquels
l'agriculture et l'énergie. Mais, ces
prévisions à long terme sont-elles déjà
des prévisions « climatiques » ? Mon
impression est que nous manquons
d'un terme précis pour cette catégorie
de changements saisonniers ou inter-
annuels. Une conséquence est que le
mot « climat », souvent utilisé aussi au
sujet de ces échelles s'étendant du
mois à l'année, perd une partie de sa
signification à long terme ou détermi-
niste. Bien que je n'aie aucune propo-
sition alternative à offrir, je crois que la
climatologie gagnerait beaucoup à cla-
rifier son objet.

Si la phénoménologie du climat est évidemment fondée sur les variables atmosphériques telles que température, précipitations, vent, etc., ses contours physiques sont flous. Un moyen facile d'illustrer cela est d'observer les progrès des modèles climatiques au cours des trente dernières années. Dans les années 1970, un modèle climatique était simplement un modèle atmosphérique dans lequel les conditions de surface et la composition chimique sont prescrites et dont les résultats sont interprétés en termes statistiques. À première vue, cela semble un bon point de départ, mais l'approche a de sévères limitations. Des conditions prescrites comme la température et l'humidité du sol sont en fait fortement dépendantes

Figure 1 - Spectre de puissance des températures dans les hautes latitudes (courbes du haut) et les basses latitudes (courbes du bas), d'après Huybers et Curry (2006). Il y a une claire rupture dans la pente de ces spectres pour des échelles proches du siècle. Cela peut refléter des processus physiques différents agissant sur les échelles plus courtes et plus longues que le siècle et donc servir de base à une définition physique du climat. Notons qu'un siècle n'est pas fondamentalement différent de la période classique de trente ans.

<figure><img src="image_3.png" /></figure>
de l'état de l'atmosphère et devraient être calculées par le modèle et non prescrites à priori. Dans les années 1980, les modèles atmosphériques eurent un schéma de surface continenteal beaucoup plus cohérent, mais fonctionnèrent encore avec des propriétés océaniques prescrites, ce qui limitait considérablement toute étude d'un climat « différent », à moins de supposer à priori les caractéristiques d'un océan « différent » et l'imposer alors à l'atmosphère. Dans les années 1990, un important pas en avant fut fait à travers le couplage de modèles atmosphériques et océaniques. Ces modèles dits « couplés » furent probablement les premiers à mériter réellement le nom de « modèles climatiques ». Et encore, avec une telle configuration, de nombreuses conditions de surface sont encore prescrites à partir d'observations ou de suppositions à priori, tout particulièrement sur la couverture végétale et la composition chimique de l'atmosphère.

Beaucoup de progrès ont été faits et les premiers modèles couplés, physiques et biogéochimiques sont maintenant presque disponibles, mais il y a encore amplement matière à les améliorer et l'on n'a pas fini d'y ajouter d'autres composantes... Les modèles de calotte de glace (Groenland et Antarctique) sont encore absents ; la dynamique écologique n'est pas vraiment satisfaisante dans les modèles de végétation ; les aérosols et les espèces chimiques à courte durée de vie ne sont pas bien représentés et ainsi de suite. Ainsi, des « modèles du système terrestre » (ESM pour Earth System Models) sont actuellement construits en ajoutant de nouvelles composantes afin d'obtenir ce que l'on considérera comme des modèles représentatifs de l'état de l'art. Ces constructions intellectuelles et numériques connaissent une expansion très rapide et il est possible que l'on se dirige vers une crise de croissance. Si ces modèles du système terrestre ont un potentiel de prévision plus grand que leurs prédécesseurs, c'est aussi parce qu'ils incluent, en plus de la dynamique de « courte échéance » présente dans l'atmosphère, les longues échéances existant dans les dynamiques de l'océan ou la végétation. Le principal objectif scientifique est clairement de prévoir où le réchauffement planétaire actuel risque de nous conduire. C'est un problème à l'échelle du siècle (ou plus) qui exige que les composantes plus lentes du système terrestre soient également prise en compte. En effet, les changements

de concentration des gaz à effet de serre vont changer le climat stricto sensu, c'est-à-dire l'état moyen de l'atmosphère. Mais ces changements vont aussi affecter l'essentiel de la surface terrestre, par exemple végétation et calottes glaciaires, qui provoqueront à leur tour d'autres changements au climat stricto sensu. Autrement dit, il est maintenant clair qu'une définition physique solide du système climatique doit inclure la plupart (sinon tous) des aspects de la surface terrestre. De plus, notre capacité à prévoir des changements à long terme ou « climatiques » dépend probablement autant de la compréhension de ces nouvelles composantes à long terme du système que de celle de l'atmosphère elle-même. Il est clair que la notion de système climatique physique a été complètement transformée au cours des années récentes. D'ailleurs, cette nécessité d'inclure les composantes à longue échelle temporelle, comme l'océan profond, les calottes de glace et la végétation, provient aussi de la découverte de la liaison entre les plus importants changements rapides du passé et la réorganisation de ces systèmes plus lents, ainsi que nous le verrons ci-dessous. Inutile de dire que l'interdisciplinarité est plus que jamais au cœur des sciences du climat.

## Des avancées récentes

Plutôt que de détailler des résultats spécifiques, je voudrais mettre en évidence diverses découvertes qui ont modifié la perception du terme « changement climatique ». En effet, jusque récemment, on pensait faussement que le climat, étant défini comme un concept de long terme, ne devait changer que plutôt lentement ou graduellement. En prenant en compte la distinction ci-dessus entre les composantes physiques « lentes » et « rapides » du système terrestre, on supposait habituellement que les éléments variant lentement à la surface de la Terre, comme l'extension des calottes de glace ou la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, induiraient des changements graduels de la température et du climat de la Terre. Je crois que cela a partiellement à voir avec une compréhension du climat qui tend à lui donner le plus de constance possible. De ce fait, les scientifiques s'attendaient à ce que les températures n'aient changé, dans le

passé, qu'assez lentement, par exemple en liaison avec la variation des paramètres de l'orbite terrestre, qui favorisaient la constitution ou la fonte de calottes de glace dans les régions polaires, conduisant donc aux changements glaciaires-interglaciaires. La prévalence de cette idée était telle que, il y a encore dix ans, certains paléoclimatologues refusaient d'effectuer des études à haute résolution : pourquoi auraient-ils dû suréchantillonner un signal intrinsèquement lisse ?

Bien que des variations climatiques aient été identifiées pour la première fois au Groenland dans les années 1970 par les pionniers des calottes glaciaires Dansgaard et Oeschger (Johnsen et al., 1972), elles ne furent largement acceptées par la communauté scientifique qu'au cours des années 1990 (Bond et al., 1993). Même maintenant, une explication physique satisfaisante de tels basculements climatiques rapides reste à trouver, bien qu'ils aient été constatés en de multiples endroits à l'aide de nombreux outils différents. Les enregistrements les plus détaillés sont toujours ceux effectués au Groenland et le réchauffement associé à ces événements dits de Dansgaard-Oeschger s'est accompli en quelques décennies. Sur une telle durée, à l'échelle humaine, l'accroissement annuel de température a pu atteindre jusqu'à 16 °C. En fait, certaines variables associées à la circulation atmosphérique semblent basculer d'un état « froid » vers un état « chaud » d'une année à l'autre. Ces changements ont des contreparties dans l'ensemble du monde, avec toutefois des amplitudes sans doute moindres : ils sont de nature planétaire et certainement pas restreints à la zone groenlandaise. Il faut aussi mentionner que ces événements se sont produits principalement pendant les périodes glaciaires, en particulier lors de la dernière, et que nos ancêtres Homo sapiens neanderthalensis et Homo sapiens sapiens ont traversé ces changements drastiques durant leur existence. Il est donc probable que ces brusques changements climatiques ont eu des conséquences directes sur les sociétés humaines et leur évolution (Sepulchre et al., 2007).

De tels changements abrupts à grande échelle n'étaient absolument pas attendus par les paléoclimatologues, qui avaient pour habitude de mesurer le temps en milliers d'années. Par contraste, les pères fondateurs de la géologie, au dix-neuvième siècle,
étaient avides d'expliquer le passé comme une succession de catastrophes. Mais les géologues du vingtième siècle, pour de nombreuses bonnes raisons, choisirent de développer une approche graduelle : l'évolution passée de la Terre serait expliquée par l'application continue des mêmes lois de la nature que nous voyons en action aujourd'hui, et non en invoquant des événements catastrophiques. Ces préceptes furent en fait utilisés aussi, tacitement, par les climatologues.

Comment est-il possible de concilier le fait que le climat est probablement forcé par les composantes « lentes » du système terrestre avec la constatation de changements brusques ? On peut répondre simplement en supposant la présence de seuils dans de nombreuses parties du système terrestre. Au sujet des événements de Dansgaard-Oeschger, notre compréhension à ce jour est qu'ils sont associés à des interruptions dans les zones de convection océanique de l'Atlantique nord, ce qui peut potentiellement modifier le transport de chaleur interhémisphérique sur la Terre entière. Le climat dans ces zones peut dériver lentement pendant des siècles ou des millénaires sans changement majeur, mais, au-delà d'un seuil critique, les régions de formation d'eau profonde dans l'Atlantique nord se réorganisent brusquement en quelques décennies, provoquant des changements planétaires dans la circulation océanique et le transport de chaleur. Et le climat de la Terre en subit alors les conséquences. Bien qu'il y ait encore débat sur les détails, il existe un assez large consensus sur ce scénario explicatif des événements de Dansgaard-Oeschger. Il y a vingt ans, l'océan, en raison de son énorme capacité calorifique, était considéré par la plupart des scientifiques comme un vaste tampon pour les changements climatiques potentiels. Loin d'être vu comme un fauteur de trouble, l'océan était supposé être un régulateur du climat. Grâce à ces découvertes, cette idée s'est plus ou moins renversée aujourd'hui (Paillard et Labeyrie, 1994). Il faut donc nécessairement se préoccuper du futur de la circulation océanique au cours du prochain siècle et au-delà. Au cours des dix dernières années, les résultats des modèles océan-atmosphère confirment pour l'essentiel ces préoccupations paléoclimatologiques. En effet, presque tous les modèles prévoient une réduction, voire une coupure complète, de la circulation thermohaline dans l'Atlantique nord (Solomon et al.,

2007). Il est donc tout à fait possible que nous avancions vers un « seuil climatique » tout proche.

Un autre aspect intéressant de la variabilité passée concerne la stabilité des calottes de glace et la découverte des événements de Heinrich. Ces événements sont de vastes débâcles d'icebergs qui se sont produites de façon répétée pendant la dernière période glaciaire et ont été enregistrées dans les sédiments marins nord-atlantiques entre 40° N et 55° N. Au cours de ces événements, des icebergs provenant d'Amérique du Nord ont atteint le détroit de Gibraltar. Des estimations précises du volume de glace en jeu sont certes difficiles, mais il est raisonnable de supposer que la quantité d'icebergs produite a pu faire monter le niveau global de la mer de plusieurs mètres en moins de deux siècles (Roche et al., 2004). Un événement encore plus spectaculaire a été le « meltwater pulse » (débâcle d'eau de fonte) pendant la dernière déglaciation. D'après les enregistrements à partir de terrasses coralliennes, l'élévation du niveau de la mer a pu atteindre jusqu'à vingt-cinq mètres en moins de cinq cents ans (Bard et al., 1996). Si cela est confirmé, un tel changement brusque de niveau de la mer ressemble plus à un événement catastrophique qu'à un changement graduel. Les modèles actuels de cryosphère sont incapables d'expliquer de telles observations paléoclimatiques, probablement en partie parce qu'ils ont été construits sur la supposition tacite que les calottes de glace n'évoluent que très lentement sous l'influence du forçage de paramètres externes variant eux-mêmes lentement – les caractéristiques de l'orbite terrestre ou la concentration de gaz à effet de serre – selon la théorie classique des âges glaciaires.

Il faut noter que de récentes données satellitaires sur le Groenland et l'Antarctique contredisent également la thèse gradualiste. Les changements qui sont en train de se produire dans la couverture glaciaire actuelle semblent avoir lieu plus vite que prévu. En effet, la vitesse de décharge des glaciers groenlandais s'est accrue d'un facteur deux en quelques années (Rignot et Karagaratnam, 2006). Une accélération considérable semble se produire également dans les glaciers antarctiques (Rignot et al., 2008). Si ces flots de glace plus rapides persistent au cours des années et des décennies à venir, la montée du niveau de la mer à la fin du vingt et unième siècle

dépassera sans doute considérablement les quelques centimètres estimés antérieurement et cités dans le quatrième rapport du Giec (Solomon et al., 2007). Encore une fois, le fait que la couverture glaciaire soit en général une des composantes « lentes » du système terrestre ne préjuge pas de possibles franchissements de seuils et de brusques changements lorsque des niveaux critiques sont atteints. Tout comme pour les brusques changements de la circulation thermohaline qui sont vraisemblablement à l'origine de la rapide variabilité climatique constatée dans les enregistrements paléoclimatiques, de brusques changements de niveau de la mer sont possibles dans certaines circonstances, comme attesté par des enregistrements passés ou par les preuves paléo-océanographiques de débâcles massives d'icebergs.

D'autres sources de changements brusques dans le système climatique sont également très probables, un bon exemple en sont les changements dans la végétation. Dans la zone subsaharienne, par exemple, la désertification a été très rapide au cours des récentes décennies. Il y a plusieurs milliers d'années, cette région était beaucoup plus verte et fertile et justifiait le nom de « Sahara vert » qui lui a été donné pour souligner la différence par rapport à la situation présente. Le lac Tchad était vingt à trente fois plus étendu qu'aujourd'hui, et on lui a donc donné le nom de lac Méga-Tchad. Dans la région du Tassili, dans le sud de l'Algérie, on trouve de l'art pariétal qui dépeint du bétail et des hippopotames dans des lieux qui sont de nos jours dépourvus de toute végétation. Nous ne savons pas exactement à quelle vitesse le Sahara vert a été remplacé par un sol à moitié ou complètement désertique, mais certaines indications suggèrent que cela a pu arriver très vite. En effet, il y a un fort couplage entre végétation et précipitations dans ces zones semi-désertiques. Quand la végétation commence à régresser, les précipitations en font autant car une grande part de l'eau est recyclée entre végétation et atmosphère, la végétation agissant comme réservoir. Il est donc facile de franchir un seuil critique de précipitations en dessous duquel ce recyclage n'est plus suffisant pour maintenir la végétation, ce qui, à son tour, va encore réduire les précipitations. Lorsque le seuil est franchi, ce mécanisme amplificateur amène à un changement brusque, à la fois dans les précipitations et la végétation. De tels phénomènes sont sous
<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 2 - La bifurcation nœud-col est la source la plus simple de transitions climatiques brusques. Sur le graphique de gauche, une variation continue de la variable y induit une variation continue de x. À droite, ce n’est plus le cas au-delà d’un certain seuil. Par exemple, en partant des plus grandes valeurs de y et en faisant décroître y de façon continue, x décroît de façon continue jusqu’à la valeur du seuil y1. Si y décroît encore, la solution x doit faire un saut de la courbe du haut à la courbe du bas et la variation de x est discontinue. Il en est de même si y croît et dépasse la valeur de seuil y2.</figcaption></figure>

étroite surveillance en ce moment, par-
ticulièrement au sujet du sort de la
forêt humide amazonienne au cours du
prochain siècle. En effet, la plupart des
modèles climatiques actuels prévoient
sa disparition. Cependant, cette conclu-
sion peut être prématurée, vu le carac-
tère encore grossier des modèles
actuels de végétation.

Beaucoup de ces changements brusques
récemment découverts partagent une
structure mathématique commune,
appelée bifurcation nœud-col dans le
langage des systèmes dynamiques ou de
la théorie des catastrophes. C'est en fait
le moyen le plus simple d'induire des
transitions ou des discontinuités en uti-
lisant comme base un système d'équa-
tions continues telles que les lois de la
physique. Cela peut être illustré par un
simple polynôme du troisième degré,
y = x³ + λx. Si λ est positif, y est toujours
une fonction croissante de x et il est
possible de définir la fonction inverse
x(y) comme la racine unique de l'équa-
tion du troisième degré. Mais si λ est
négatif, y est généralement croissant,
mais décroît dans une portion limitée.
En conséquence, la fonction n'est plus
univoque et il y a alors trois fonctions
inverses x(y) qui peuvent être définies
sur une certaine partie, comme cela est
montré dans la figure 2. Il y a deux
valeurs de seuil y₁ et y₂ qui délimitent le
domaine où ces solutions cubiques exist-
tent. Si y représente un paramètre exté-
rieur qui induit un changement et si x
est la réponse du système, nous pou-
vons comprendre pourquoi la réponse x
peut changer brusquement, même si le
forçage y varie continûment et si les lois
fondamentales sont continues.

Si d'autres types de bifurcation sont
possibles, ce cas simple permet déjà de
comprendre l'idée sous-jacente à ce

que le Giec a appelé les « surprises climatiques ». Il n'y a en effet aucune garantie que le système climatique se comporte « gentiment » si les concentrations de gaz à effet de serre anthropiques croissent de plus en plus. Au contraire, il est tout à fait possible que des changements brusques aient lieu, à une échelle locale ou même planétaire. Des progrès considérables ont été faits grâce aux observations satellitaires, aux mesures de terrain et aux simulations précises de l'état actuel de l'atmosphère et de l'océan. Tout cela a aidé à caractériser le chemin « lisse » que notre climat présent est en train de suivre sous l'influence du forçage anthropique. Cependant, c'est avant tout par l'étude des climats passés que des figures plus complexes ont émergé, avec des frontières qui doivent être évitées si nous ne voulons pas entraîner notre planète vers des terri toires inexplorés.

Développements
futurs

Les sciences du climat se sont déve-
loppées rapidement au cours de la der-
nière décennie et vont certainement
continuer sur leur lancée durant les
années qui viennent. Les développe-
ments futurs peuvent suivre plusieurs
directions nouvelles dont je vais don-
ner un aperçu pour conclure. Les cli-
matologues scientifiques ont établi un
lien causal clair entre le climat plané-
taire présent et le forçage anthropique,
comme les deux derniers Rapports
d'évaluation du Giec le mettent en évi-
dence. Cette démonstration est proba-
blement assez convaincante pour que
la société commence à prendre de

sérieuses initiatives pour réduire les
émissions de gaz à effet de serre. Il y a
maintenant une très forte demande de
projections plus locales détaillant les
impacts climatiques sur les ressources
en eau, l'agriculture et d'autres sec-
teurs économiques. De telles études
vont sans aucun doute faire florès dans
le futur et, une fois encore, l'interdisci-
plinarité sera la clé requise pour les
réaliser. Plusieurs défis sont associés à
ces développements.

D'abord, le travail en interdisciplinarité est toujours un défi en soi. Dans le domaine des sciences de la Terre, cet exercice est devenu assez habituel, car les scientifiques doivent utiliser des concepts issus de la physique pour étudier la dynamique de l'atmosphère ou des océans, des concepts de la chimie pour étudier leurs compositions chimiques, des concepts de la biologie pour étudier les interactions physiques et chimiques entre la végétation ou le phytoplancton avec le reste du système climatique. Pourtant, si nous voulons nous attaquer à la question des impacts du changement climatique, d'autres collaborations sont indispensables, en particulier avec les sciences économiques et sociales. C'est probablement l'un des défis les plus difficiles à venir, car la division entre les sciences naturelles et humaines est bien large et profondément enracinée. Il faudra probablement attendre une nouvelle génération de jeunes scientifiques, capables de rassembler les discours des deux communautés sur de tels problèmes et d'utiliser les concepts des deux parties pour créer une science plus intégrée des impacts du changement climatique.

Il y a déjà des progrès en cours au sujet des impacts sur les écosystèmes naturels et agricoles. Mais ils sont essentiellement
limités à des études tout à fait spécifiques ou locales. Ainsi, les modèles de végétation disponibles réalisent une simulation mécanique des échanges à travers le système sol-plante-eau-atmosphère. Il est donc possible d'entreprendre des études traitant des conséquences des changements environnementaux sur la physiologie des plantes décrites dans les modèles. Mais, encore une fois, ces modèles sont jeunes et incomplets. Ils ne tiennent pas compte de tout le spectre de processus physiologiques agissant dans la plante en connexion avec son environnement, mais seulement des processus de base, comme la photosynthèse et la respiration, les besoins en eau, carbone et nitrites. Cependant, ces modèles peuvent d'ores et déjà être utilisés pour des études d'impact, avec la possibilité d'adaptations à des spécificités locales, comme le type de plante, la nature du sol, l'hydrologie locale, etc. Clairement, prévoir les récoltes futures est une question économique importante. Un territoire beaucoup moins connu est le territoire écologique. En particulier, jusqu'à quel point la biodiversité est-elle une variable critique ?

Les modèles de végétation actuels ne prennent pas en compte la complexité des interactions écologiques. À la base, ils supposent qu'il est possible de définir une sorte de comportement fonctionnel moyen de l'écosystème en termes d'énergie, de flux d'eau et de carbone. Mais il est clair que les systèmes réels peuvent subir des changements par bien d'autres mécanismes importants et connus, par exemple la compétition écologique entre espèces différentes, les migrations dans le contexte de changements environnementaux, la résilience (ou l'absence de résilience) vis-à-vis d'événements sporadiques tels que les maladies ou les infections de parasites. Il est de plus en plus largement reconnu que la diversité des espèces végétales et animales est un élément critique dans la stabilité des écosystèmes. L'érosion de la biodiversité peut donc avoir des implications significatives qui ne peuvent être envisagées par nos modèles de système terrestre. Il sera clairement essentiel de travailler à développer de tels concepts dans les futurs modèles.

Une autre difficulté de tels exercices concerne les échelles spatiales et temporelles. En effet, les projections climatiques ne sont possibles qu'à de grandes échelles spatio-temporelles. On peut fournir des scénarios futurs robustes pour des variables climatiques

moyennées à l'échelle régionale, comme la température ou les précipitations. Mais, des valeurs locales et extrêmes seraient beaucoup plus pertinentes pour évaluer les risques potentiels. Jusqu'à maintenant, les modèles physiques utilisés pour prévoir le climat planétaire ou régional ne sont pas suffisamment efficaces pour fournir une telle information. En réduisant la taille des grilles numériques et en ajoutant de nouveaux processus physiques dans les modèles d'échelle fine, des chercheurs espèrent aboutir à une prévision déterministe. D'autres explorent des procédures de nature plus statistique. En effet, les modèles régionaux sont très gourmands en ressources informatiques. Ils peuvent fournir des ensembles d'évolutions du temps local détaillées jour par jour. Mais il serait hautement désirable d'obtenir des modèles de climat « local » capables de prévoir la distribution statistique des variables climatiques sans calculer explicitement l'évolution temporelle des réalisations individuelles. Malheureusement, nous sommes actuellement incapables d'inférer de tels modèles climatiques idéaux à partir des lois de la physique et, malheureusement, il n'y a pratiquement pas de recherche fondamentale dans cette direction. Il nous reste donc l'option de construire des modèles statistiques du climat local qui puissent prendre en compte, et prévoir, à la fois, les moyennes et les valeurs extrêmes. Ces modèles ont de nombreux avantages sur les modèles physiques traditionnels : ils sont plus économes en temps de calcul, ils sont adaptables à de nombreux situations différentes, ils peuvent plus facilement jouer avec les incertitudes des données et des suppositions de départ en projetant leur influence dans le résultat final. Il est clair que les statistiques sont déjà bien impliquées dans beaucoup d'autres exercices d'évaluation de risques. De plus, il y a actuellement de nouveaux développements très prometteurs dans le domaine des statistiques qui peuvent être appliqués aux problèmes climatologiques de descente d'échelle et d'extrêmes. Ils vont probablement contribuer aux évaluations des impacts du réchauffement planétaire sur de nombreux éléments de notre environnement naturel et socio-économique.

Qu'en est-il du climat global ? Comme mentionné auparavant, nous ne sommes qu'aux premiers stades de développement des modèles du système terrestre. De plus, on a maintenant compris que le système climatique se

comporte de façon brutale en certaines circonstances et il faudra évidemment poursuivre l'exploration de tels phénomènes, en particulier par des études paléoclimatiques, afin de documenter aussi complètement que possible la diversité de la dynamique du système terrestre. Mais, il y a un tel besoin de prévision des impacts climatiques qui sont susceptibles de se produire dans les décennies à venir, que, chez beaucoup de scientifiques, il existe une crainte que des questions fondamentales au sujet du système terrestre ou du climat global soient occultées. Espérons que ce ne sera pas le cas, vu les nombreuses avancées prometteuses qui ne semblent pas si inaccessibles.

En particulier, nous nous approchons sûrement d'une théorie plus complète des changements climatiques du quaternaire, grâce aux progrès récents de la paléoclimatologie et de la modélisation climatique. Un tel aboutissement serait le premier grand succès de modélisation de changements réels du système terrestre, incluant les changements associés dans l'extension des calottes glaciaires, le niveau de la mer, la couverture végétale et les réorganisations du cycle du carbone. Cela est d'autant plus intéressant que la construction d'un cadre cohérent pour ces changements nous permettrait de mettre en relief plusieurs questions critiques sur le futur de notre planète. En effet, ce cadre servirait de référence pour les modèles de climat ou du système terrestre. Il nous permettrait aussi d'étudier de façon plus détaillée comment les écosystèmes naturels se sont adaptés dans le passé à de tels changements. Là encore, cela fournirait une estimation de la performance, sur un cas réel, des procédures actuellement développées, par exemple les techniques de descente d'échelle, les outils statistiques d'événements extrêmes ou les modèles écologiques. Et l'on peut également appliquer ce principe à propos de l'évolution des sociétés humaines dans le contexte de changements environnementaux locaux et planétaires. Malgré la difficulté d'extrapoler à des évolutions de la société future, établir une trame solide de l'évolution conjointe du climat, de l'environnement et de la société fournirait certainement d'utiles indications sur notre situation présente et future.

Les climats quaternaires ont l'avantage considérable d'être bien documentés à travers des enregistrements géologiques dans l'océan, les calottes glaciaires et l'ensemble des continents. De plus, la
chronologie de cette période est tout à
fait bien avérée. C'est pourquoi des
progrès significatifs ont été possibles et
seront possibles dans le futur. Cette
période a d'ailleurs connu des change-
ments brusques et importants qui
fournissent une large gamme de change-
ments possibles dans l'environnement.
Mais réduire le champ d'investigation
à ces derniers millions d'années n'est
probablement pas suffisant. En effet,
nous nous approchons actuellement
d'une crise planétaire qui pourrait
partager beaucoup de caractéristiques

avec ce que les scientifiques appellent
transitions géologiques, comme la
transition paléocène-éocène, il y a cin-
quante-cinq millions d'années, qui fut
probablement causée par des gaz à effet
de serre induisant un réchauffement
planétaire. Ces crises passées ont tou-
jours provoqué une sorte de fascination
chez les scientifiques. Pourtant, les
outils scientifiques disponibles jusqu'à
présent ont toujours été limités à l'étude
des fossiles, et des conclusions sans
équivoque sont parfois difficiles à tirer.
Là aussi, le défi représenté par le chan-

gement climatique actuel est de suggé-
rer la façon dont la Terre peut changer,
dans tous ses aspects, dans le futur. Les
outils de modélisation actuellement en
construction sont bien sûr hautement
sophistiqués, mais ils manquent souvent
d'une validation par le réel qui évalue-
rait leurs performances. Cela est notam-
ment le cas lorsque des prévisions
concernent des changements ou des
perturbations de grande échelle dans les
écosystèmes. Est-il possible que la
paléontologie devienne la science du
futur ?

Bibliographie

Bard E., B. Hamelin, M. Arnold, L. Montaggioni, G. Cabioch, G. Faure et F. Rougerie, 1996 : Deglacial sea-level record from Tahiti corals and the timing of global meltwater discharge. *Nature*, **382**, 241-244.

Bond G., W. Broecker, S. Johnsen, J. McManus, L. Labeyrie, J. Jouzel et G. Bonani, 1993 : Correlations between climate records from North Atlantic sediments and Greenland ice. *Nature*, **365**, 143-147.

Huybers P. et W. Curry, 2006 : Links between annual, Milankovitch and continuum temperature variability. *Nature*, **441**, 329-332.

Johnsen S. J., W. Dansgaard, H. B. Clausen et C. C. Langway, 1972 : Oxygen isotope profiles through the Antarctic and Greenland ice sheets. *Nature*, **235**, 429-434.

Paillard D. et L. Labeyrie, 1994 : Role of the thermohaline circulation in the abrupt climate warming after Heinrich events. *Nature*, **372**, 162-164.

Rignot E. et R. Kanagaratnam, 2006 : Changes in the velocity structure of the Greenland ice sheet. *Science*, **311**, 986-990.

Rignot E., J. L. Bamber, M. R. Van den Broeke, C. Davis, Y. Li, W. J. Van de Berg et E. Van Meijgaard, 2008 : Recent Antarctic ice mass loss from radar interferometry and regional climate modelling. *Nature Geoscience*, **1**, 106-110.

Roche D., D. Paillard et E. Cortijo, 2004 : Constraints on the duration and freshwater release of Heinrich event 4 through isotope modelling. *Nature*, **432**, 379-382.

Sepulchre P., G. Ramstein, M. Kageyama, M. Vanhaeren, G. Krinner, M. F. Sánchez-Goñi et F. d'Errico, 2007 : H4 abrupt event and late Neanderthal presence in Iberia. *Earth and Planetary Science Letters*, **258**, 283-292.

Solomon S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K. B. Averyt, M. Tignor et H. L. Miller, 2007 (ed.) : *Climate Change 2007: The Physical Science Basis*. New York, NY/Cambridge, Cambridge University Press (Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change).