La complexité du système climatique

Cours complet · enseignement scientifique (terminale), chapitre 2 · terminale, enseignement scientifique

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2.1 Introduction : pourquoi le climat est-il un objet difficile ?

Il existe une phrase que l'on entend souvent, dans la rue ou sur les réseaux sociaux, et qui mérite d'être prise au sérieux : « ils ne savent pas prévoir le temps qu'il fera samedi, et ils prétendent savoir le climat de $2100$ ». Elle n'est pas absurde. Elle repose même sur une intuition juste — prévoir est difficile — mais elle confond deux choses radicalement différentes. Répondre à cette phrase, sérieusement, c'est déjà avoir compris l'essentiel de ce chapitre.

Le climat n'est pas la météo à long terme. C'est un autre objet, qui obéit à d'autres lois et se prête à d'autres méthodes. La météorologie décrit un état : la température, le vent, l'humidité, ici et maintenant. La climatologie décrit une statistique : les moyennes, les variabilités, les extrêmes, sur des décennies. On ne saura jamais le temps qu'il fera le $14$ juillet $2070$ ; on peut estimer, avec des barres d'incertitude, la température moyenne de juillet $2070$ .

Mais le climat est difficile pour une seconde raison, plus profonde : c'est un système. Cinq enveloppes de la Terre — l'atmosphère, l'océan (l'hydrosphère), la biosphère, la lithosphère et la cryosphère, c'est-à-dire les glaces — échangent en permanence de l'énergie, de l'eau et du carbone. Modifier l'une modifie les autres, qui en retour modifient la première. Ces boucles s'appellent des rétroactions, et elles font qu'une petite cause peut produire un grand effet — ou l'inverse.

Trois questions organisent ce chapitre.

Que mesure-t-on, et comment sait-on ce qu'était le climat avant les thermomètres ? On verra qu'il existe des archives naturelles : glaces, arbres, pollens, moraines. Et qu'il faut distinguer avec rigueur ce qui est mesuré de ce qui est reconstitué.
Qu'est-ce qui déséquilibre le système ? La réponse tient dans une seule grandeur, le forçage radiatif : la Terre reçoit un peu plus d'énergie qu'elle n'en émet, et ce « un peu » suffit.
Pourquoi le système ne revient-il pas simplement à son état antérieur ? Parce que les rétroactions amplifient, et parce que l'océan, en absorbant l'essentiel de l'énergie, rend le changement irréversible à l'échelle de plusieurs siècles.

iRemarqueCe que ce chapitre suppose acquis

Le bilan radiatif de la Terre et le mécanisme de l'effet de serre ont été étudiés en classe de première. On les rappellera brièvement, mais sans les reconstruire : ils sont ici des outils, non l'objet. De même, le chapitre précédent a établi la composition de l'atmosphère et le rôle des gaz minoritaires ; on s'en servira sans y revenir.

2.2 Climatologie et météorologie : deux objets, deux échelles

Proposition 2.1Ce que chacune étudie

La climatologie étudie les variations du climat local ou global à moyen ou long terme (années, siècles, millénaires, etc.). La météorologie étudie les phénomènes atmosphériques qu'elle prévoit à court terme (jours, semaines).

Définition 2.2Climat

Le climat d'un lieu est l'ensemble des caractéristiques statistiques du temps qu'il y fait — moyennes, variabilité, fréquence des évènements extrêmes — calculées sur une longue durée. L'Organisation météorologique mondiale (OMM) recommande une durée de référence de trente ans ; on parle de normale climatique. La normale en vigueur est celle de la période $1991$ - $2020$ .

Pourquoi trente ans ? Parce que c'est un compromis. Trop court, et la moyenne serait encore dominée par les aléas d'une année à l'autre. Trop long, et l'on mélangerait des périodes de climats différents. Trente ans est assez long pour que le bruit se moyenne, assez court pour que la statistique garde un sens. C'est une convention utile, pas une vérité de la nature — et il faut le savoir.

Les échelles de temps du climat et du temps qu'il fait. La séparation

n'est pas une frontière administrative : elle correspond à un fait physique, la limite de prévisibilité d'une trajectoire atmosphérique individuelle. Ce que l'on perd en déterminisme au-delà de deux semaines, on le retrouve en statistique au-delà de trente ans.</div>

Méthode : Distinguer sur un document des données de climat et des
données de météorologie</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text"> Quatre questions, dans cet ordre, suffisent à trancher.

Sur quelle durée porte la donnée ? Un instant, un jour, une semaine $\Rightarrow$ météorologie. Une moyenne sur des décennies $\Rightarrow$ climatologie.
S'agit-il d'un état ou d'une statistique ? « Il fera $32° C$ demain à Toulouse » est un état ; « la température moyenne de juillet à Toulouse a augmenté de $2° C$ depuis $1960$ » est une statistique.
La donnée est-elle localisée ou globale ? Le climat peut être local ou global ; la météorologie est toujours locale. Une moyenne planétaire est nécessairement climatique — il n'existe pas de « temps qu'il fait » sur la planète entière.
Quel est l'horizon annoncé ? Une prévision au-delà de deux semaines n'est pas une prévision météorologique : c'est une projection climatique, ou une prévision saisonnière probabiliste.

Piège classique : un hiver froid n'est pas un argument contre le réchauffement climatique, pas plus qu'un été caniculaire n'en est une preuve. Ce sont des évènements météorologiques ; seule leur statistique sur plusieurs décennies relève du climat.

Exemple 2.3Six énoncés à classer

« Un orage est attendu ce soir sur le Massif central. » Météo (état, court terme, local).
« Le mois de juin $2023$ a été le plus chaud jamais enregistré à l'échelle du globe. » Climat — c'est un record dans une série statistique globale.
« La température moyenne à Lyon en janvier est de $4° C$ . » Climat (normale locale).
« Il a neigé à Marseille en février. » Météo.
« Le nombre de jours de canicule en France a triplé depuis les années $1960$ . » Climat (statistique d'évènements extrêmes).
« Un anticyclone s'installera la semaine prochaine sur l'Europe de l'Ouest. » Météo.

iRemarquePourquoi on ne prévoit pas le temps au-delà de deux semaines

En $1963$ , le météorologue américain Edward Lorenz découvre par hasard, en relançant une simulation à partir de valeurs arrondies, que deux états initiaux presque identiques conduisent, au bout de quelques semaines simulées, à des états totalement différents. C'est la sensibilité aux conditions initiales, qu'il popularisera par une image restée célèbre : le battement d'ailes d'un papillon au Brésil peut-il déclencher une tornade au Texas ? La conséquence est nette : quelle que soit la puissance des ordinateurs, une erreur initiale — inévitable, puisqu'on ne mesure jamais l'atmosphère partout ni exactement — croît jusqu'à rendre la prévision inutilisable au bout d'une dizaine de jours.

Cette limite ne s'applique pas au climat. Prévoir la trajectoire d'une molécule dans un gaz est impossible ; prévoir la pression du gaz est facile. De même : prévoir la température du $3$ août $2070$ est impossible ; estimer la moyenne de l'été $2070$ ne l'est pas, parce que cette moyenne est gouvernée par un bilan d'énergie, non par une trajectoire.

2.3 Lire les variations du climat à toutes les échelles de temps

2.3.1 Quels indicateurs ?

Proposition 2.4Les indicateurs du climat global et sa variabilité naturelle

La température moyenne de la Terre, calculée à partir de mesures de terrain et depuis l'espace par des satellites, est l'un des indicateurs du climat global. Il en existe d'autres : niveau des océans, étendue des glaces polaires et des glaciers, etc. Le climat de la Terre présente une variabilité naturelle sur différentes échelles de temps. Toutefois, depuis plusieurs centaines de milliers d'années, jamais la concentration du dioxyde de carbone atmosphérique n'a augmenté aussi rapidement qu'actuellement.

La température moyenne du globe n'est pas mesurée par un thermomètre géant : c'est une construction. On combine des dizaines de milliers de stations terrestres, des mesures de température de surface de la mer effectuées par des navires et par des bouées dérivantes, et depuis les années $1970$ des mesures satellitaires. On corrige les biais connus (déplacement d'une station, changement d'instrument, urbanisation autour d'un site), on interpole les zones non couvertes, et l'on obtient une série assortie d'une incertitude. Plusieurs équipes indépendantes — au Royaume-Uni, aux États-Unis, au Japon, en Europe — font ce travail séparément, avec des méthodes différentes. Leurs séries concordent. Cette concordance est un argument bien plus fort que n'importe laquelle d'entre elles prise seule.

On ne travaille d'ailleurs pas sur des températures absolues mais sur des anomalies : l'écart à une moyenne de référence. La raison est technique et instructive. La température absolue d'un lieu dépend beaucoup de son altitude et de son environnement immédiat, mal connus ; l'écart à sa propre moyenne, lui, est cohérent sur des centaines de kilomètres. Une anomalie se moyenne donc bien mieux qu'une température.

Définition 2.5Anomalie de température

L'anomalie de température est l'écart entre la température observée et la température moyenne d'une période de référence. Le GIEC utilise généralement la période $1850$ - $1900$ comme référence « préindustrielle ». Une anomalie de $+ 1, 1° C$ ne signifie donc pas qu'il fait $1, 1° C$ , mais qu'il fait $1, 1° C$ de plus qu'entre $1850$ et $1900$ .

Les autres indicateurs sont au moins aussi parlants, et souvent moins contestés parce que moins dépendants d'un traitement statistique : le niveau moyen des océans, mesuré par marégraphes depuis le XIX^e siècle et par altimétrie satellitaire depuis le lancement de TOPEX/Poseidon le $10$ août $1992$ ; l'étendue de la banquise arctique, suivie par satellite depuis $1979$ ; la longueur des glaciers de montagne, dont certains sont documentés par des relevés et des photographies depuis le milieu du XIX^e siècle ; le contenu thermique de l'océan, mesuré depuis les années $2000$ par le réseau international de flotteurs profilants Argo.

2.3.2 Huit cent mille ans : les carottes de glace

Teneur de l'air en dioxyde de carbone (en haut) et écart de

température (en bas) sur les huit cent mille dernières années, d'après les bulles d'air et les isotopes de l'oxygène des carottes de glace de l'Antarctique. Les deux courbes se suivent pas à pas. Le dioxyde de carbone n'a jamais dépassé $300 pp m$ sur toute la période ; la valeur actuelle, $420 pp m$ , sort de l'échelle du graphique.</div>

Une carotte de glace est un cylindre extrait par forage. En profondeur, la glace est de la neige tombée il y a des dizaines ou des centaines de milliers d'années, comprimée. Elle contient deux informations d'une valeur exceptionnelle.

Les bulles d'air.

En se tassant, la neige emprisonne de l'air. Cet air n'a pas changé de composition depuis. On le libère au laboratoire et on l'analyse : c'est une mesure directe de la teneur de l'atmosphère en dioxyde de carbone et en méthane, il y a cent mille ans. Il n'existe pas d'archive plus précieuse ; c'est le seul cas où l'on tient réellement dans la main un échantillon de passé.

Les isotopes de l'oxygène.

La molécule d'eau existe en plusieurs variantes selon l'isotope d'oxygène qu'elle contient ( $^{16}$ O ou $^{18}$ O). La plus légère s'évapore un peu plus facilement et se condense un peu moins facilement. La proportion des deux dans la glace dépend donc de la température qui régnait au moment de la chute de neige. On en tire une reconstitution de la température — mais c'est bien une reconstitution, fondée sur un modèle physique et calibrée sur des observations actuelles, non une mesure.

Le programme européen EPICA a extrait au Dôme C, en Antarctique, une carotte de plus de trois kilomètres couvrant environ $800000$ ans. Deux résultats en sortent, et ils sont capitaux.

Le climat varie naturellement, et beaucoup. On compte huit cycles glaciaire-interglaciaire d'une centaine de milliers d'années chacun, avec des écarts de température globale de l'ordre de $5° C$ (et bien davantage aux pôles) et des variations de dioxyde de carbone entre $180 pp m$ et $300 pp m$ . Personne ne le nie ; c'est même la climatologie qui l'a établi.
Mais le dioxyde de carbone n'a jamais dépassé $300 pp m$ . Sur huit cent mille ans, jamais. Aujourd'hui, il est à environ $420 pp m$ — hors de l'échelle du graphique.

iRemarqueCes cycles ont une cause : les paramètres orbitaux

L'orbite de la Terre n'est pas immuable. Son excentricité varie avec une période d'environ $100000$ ans, l'inclinaison de son axe (l'obliquité) avec une période d'environ $41000$ ans, et la direction de cet axe tourne (précession) en $21000$ à $23000$ ans. Ces variations modifient la répartition de l'énergie solaire reçue selon la latitude et la saison — sans changer notablement le total reçu. Le mathématicien serbe Milutin Milanković en a calculé les effets dans les années $1920$ - $1940$ ; l'hypothèse est restée marginale jusqu'à ce qu'en $1976$ , James Hays, John Imbrie et Nicholas Shackleton retrouvent ces trois périodicités dans des sédiments marins. Leur article s'intitulait « Variations de l'orbite terrestre : le métronome des âges glaciaires ».

C'est un bel exemple de théorie longtemps rejetée puis confirmée par une mesure indépendante. Et c'est aussi une leçon d'humilité pour qui voudrait opposer « causes naturelles » et « cause humaine » : la climatologie a identifié les premières bien avant de conclure à la seconde. Elle sait aujourd'hui que les paramètres orbitaux varient beaucoup trop lentement pour expliquer quoi que ce soit à l'échelle du siècle.

2.3.3 Deux mille ans, puis cent soixante-dix : le zoom

À gauche, deux mille ans reconstitués à partir d'archives

naturelles, avec leur bande d'incertitude. À droite, la période des mesures instrumentales. La courbe de gauche montre une variabilité réelle mais faible ; celle de droite, une montée d'ampleur et de rapidité sans équivalent dans la première. Les années $1998$ et $2012$ servent à l'exercice d'esprit critique du chapitre.</div>

Proposition 2.6Le réchauffement mesuré

Depuis un siècle et demi, on mesure un réchauffement climatique global (environ $+ 1° C$ ).

Le sixième rapport d'évaluation du GIEC, publié en août $2021$ , chiffre ce réchauffement à $+ 1, 09° C$ pour la décennie $2011$ - $2020$ par rapport à la période $1850$ - $1900$ , avec une fourchette de $0, 95$ à $1, 20° C$ . L'Organisation météorologique mondiale a annoncé en janvier $2024$ que l'année $2023$ avait atteint $+ 1, 45° C$ , puis en janvier $2025$ que l'année $2024$ avait atteint $+ 1, 55° C$ — la première année civile au-dessus de $1, 5° C$ .

iRemarqueUne année n'est pas un climat, même quand elle est record

Il faut résister à deux tentations symétriques. La première : conclure d'une année exceptionnellement chaude que le seuil de $1, 5° C$ de l'Accord de Paris est franchi. Ce seuil désigne une moyenne sur environ vingt ans, pas une année isolée ; les années $2023$ et $2024$ ont bénéficié d'un épisode El Niño, phénomène de variabilité naturelle du Pacifique qui redistribue de la chaleur vers l'atmosphère. La seconde tentation, inverse : conclure d'une année plus fraîche que la précédente que le réchauffement s'est arrêté. Une tendance climatique se lit sur des décennies, jamais sur deux points.

2.3.4 Les archives du climat : lire ce que la nature a écrit

Quatre archives naturelles du climat passé, avec leur portée

temporelle. Aucune ne donne directement une température : chacune fournit une grandeur mesurable — une épaisseur, une proportion, une position — que l'on relie à la température par un modèle. C'est ce que l'on appelle un indicateur indirect.</div>

Définition 2.7Indicateur climatique indirect

Un indicateur climatique indirect (on emploie aussi le mot anglais proxy) est une grandeur mesurable aujourd'hui, conservée dans une archive naturelle, dont on sait qu'elle dépendait du climat au moment de sa formation. Un indicateur n'est utilisable que si l'on dispose d'un étalonnage : une relation, établie sur la période récente où l'on a des mesures directes, entre l'indicateur et la grandeur climatique.

Méthode : Identifier des indices de variations climatiques passées

Identifier ce qui est réellement mesuré. Une épaisseur de cerne, une proportion de grains de pollen, un rapport isotopique, la position d'une moraine. Jamais une température.
Identifier la relation avec le climat, et sa nature. Un cerne large indique une bonne année de croissance : chaude et humide en montagne, mais surtout humide en climat sec. Le lien dépend du contexte.
Repérer la résolution temporelle. Un cerne d'arbre donne l'année exacte ; une carotte de glace, quelques années à quelques décennies ; un sédiment marin profond, plusieurs siècles. On ne compare pas des indicateurs de résolutions très différentes sans précaution.
Repérer la portée. Cernes : quelques milliers d'années. Pollens : dizaines de milliers d'années. Glaces : $800000$ ans. Sédiments marins : plusieurs millions d'années.
Croiser les indicateurs. Un seul type d'archive porte les biais de sa propre nature ; leur accord est ce qui fait la solidité d'une reconstitution.
Toujours donner l'incertitude. Une reconstitution sans bande d'incertitude n'est pas un résultat scientifique.

$\leftrightarrow$ Organisation et exploitation de données, lectures graphiques.

Exemple 2.8Lire un diagramme pollinique

Dans une tourbière, les grains de pollen se déposent année après année et se conservent : leur enveloppe résiste à la décomposition. En prélevant une carotte et en comptant, à chaque profondeur, les grains de chaque espèce, on reconstitue la végétation qui entourait la tourbière. Or les espèces ont des exigences climatiques connues : le pin et le bouleau supportent le froid, le chêne et le hêtre demandent des étés plus chauds.

Une carotte de tourbière européenne montre ainsi typiquement, en remontant vers la surface : d'abord des pollens d'herbacées et de bouleau (fin de la dernière glaciation), puis de pin, puis de noisetier et de chêne (réchauffement de l'Holocène), puis l'apparition de pollens de céréales et de plantes des champs — qui ne signalent plus un changement de climat mais l'arrivée de l'agriculture. Le même document raconte donc une histoire climatique et une histoire humaine ; savoir les distinguer fait partie du travail.

Exemple 2.9Le petit âge glaciaire en Europe

Entre le XIV^e et le milieu du XIX^e siècle, l'Europe connaît une période plus froide d'environ $0, 3° C$ en moyenne globale — davantage régionalement. Les indices convergent : avancée documentée des glaciers alpins, qui détruisent des hameaux en Savoie ; gel de la Tamise et des canaux hollandais, représenté par les peintres flamands ; décalage des dates de vendanges consignées dans les registres depuis le XIV^e siècle ; cernes d'arbres étroits.

Les causes en sont discutées et probablement multiples : une activité solaire réduite (le minimum de Maunder, période $1645$ - $1715$ pendant laquelle les astronomes n'observent presque aucune tache solaire), et une succession d'éruptions volcaniques majeures, dont celle du Tambora en avril $1815$ — suivie en Europe et en Amérique du Nord d'une « année sans été » en $1816$ , avec des gelées en juin et des récoltes détruites.

Deux enseignements. D'abord, la variabilité naturelle est réelle et peut être socialement dévastatrice. Ensuite, ses causes sont identifiables : quand un climatologue affirme que le réchauffement actuel n'est pas d'origine solaire ou volcanique, ce n'est pas par principe, c'est parce qu'on sait mesurer l'activité solaire et les éruptions, et qu'elles ne suivent pas la courbe observée.

2.3.5 Ce qui est sans précédent : la vitesse

Le savoir du programme est formulé avec précision : « jamais la concentration du dioxyde de carbone atmosphérique n'a augmenté aussi rapidement qu'actuellement ». Ce n'est pas la valeur qui est inédite depuis toujours — le Crétacé, il y a cent millions d'années, était sans doute bien plus riche en dioxyde de carbone. C'est la vitesse.

Exemple 2.10Comparer deux vitesses

Lors de la dernière déglaciation, la teneur en dioxyde de carbone est passée d'environ $180 pp m$ à environ $280 pp m$ — soit $100 pp m$ — en quelque $7000$ ans. La vitesse moyenne était donc $\frac{100}{7000} \approx 0, 014 pp m / an .$ Depuis $1960$ , la teneur est passée d'environ $317 pp m$ à environ $420 pp m$ en $63$ ans, soit $\frac{103}{63} \approx 1, 6 pp m / an,$ et la vitesse des dernières années dépasse $2 pp m / an$ . Le rapport est de l'ordre de cent. Voilà ce que signifie « sans précédent » : non pas que la Terre n'ait jamais été plus chaude ou plus riche en dioxyde de carbone, mais qu'elle n'a jamais changé aussi vite. Or c'est la vitesse qui détermine la capacité des écosystèmes et des sociétés à s'adapter.

$\leftrightarrow$ Taux de variation, grandeurs quotients.

Méthode : Identifier des tendances d'évolution de la température sur
plusieurs échelles de temps</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text">

Lire l'axe des temps en premier, et repérer l'unité : milliers d'années ? années ? Un même phénomène change complètement d'allure selon l'échelle.
Séparer la tendance du bruit. À l'échelle du siècle, la variation d'une année à l'autre est du bruit ; à l'échelle de la semaine, c'est le signal.
Ne jamais estimer une tendance sur deux points. Choisir deux dates suffit à obtenir n'importe quelle pente. Une tendance se calcule sur toute la série.
Comparer les amplitudes ET les durées. Une variation de $5° C$ en $10000$ ans et une variation de $1° C$ en $150$ ans : la seconde est environ trente fois plus rapide.
Vérifier la référence. Une anomalie n'a de sens que rapportée à une période de référence, qui doit être indiquée.

$\leftrightarrow$ Lectures graphiques, calculs de moyennes, variation absolue et variation relative.

2.4 Le forçage radiatif : ce qui déséquilibre le système

2.4.1 Rappel : le bilan radiatif

Proposition 2.11Réchauffement, forçage radiatif et gaz à effet de serre

Le réchauffement climatique global est la réponse du système climatique à l'augmentation du forçage radiatif (différence entre l'énergie radiative reçue et l'énergie radiative émise) due aux émissions de gaz à effet de serre (GES) dans l'atmosphère : $CO X_{2}$ , $CH X_{4}$ , $N X_{2} O$ et vapeur d'eau, principalement.

À gauche, le bilan radiatif moyen de la Terre en watts par mètre

carré. À droite, le devenir de l'énergie excédentaire accumulée depuis les années $1970$ . L'océan en absorbe plus de neuf dixièmes : c'est lui qui encaisse le réchauffement, et c'est pour cela qu'il ne s'arrêtera pas lorsque les émissions cesseront.</div>

Reprenons le raisonnement en trois temps.

Un.

La Terre reçoit du Soleil, en moyenne sur toute sa surface et sur l'année, une puissance de $340 W / m^{2}$ . Elle en réfléchit directement environ $100 W / m^{2}$ — c'est l'effet des nuages, des glaces et des surfaces claires, que l'on résume par l'albédo. Elle en absorbe donc environ $240 W / m^{2}$ .

Deux.

Tout corps chaud rayonne. Pour que la Terre reste à température constante, elle doit renvoyer vers l'espace, sous forme de rayonnement infrarouge, exactement les $240 W / m^{2}$ qu'elle absorbe. Un calcul de physique élémentaire montre qu'un corps qui émettrait $240 W / m^{2}$ dans le vide aurait une température de $- 18° C$ . Or la surface de la Terre est à $+ 15° C$ . L'écart de $33° C$ est l'effet de serre : les gaz à effet de serre absorbent une partie du rayonnement infrarouge émis par le sol et en réémettent une fraction vers le bas, si bien que la surface reçoit, en plus du Soleil, un rayonnement descendant de l'atmosphère.

Trois.

Augmentons la concentration des gaz à effet de serre. L'atmosphère absorbe davantage d'infrarouge, et en renvoie davantage vers le sol. La puissance radiative reçue par la surface augmente. Le bilan qui était équilibré ne l'est plus : la Terre reçoit un peu plus qu'elle n'émet.

Définition 2.12Forçage radiatif

Le forçage radiatif est la variation, exprimée en watts par mètre carré, du bilan énergétique de la Terre provoquée par une perturbation donnée — ici, l'augmentation des gaz à effet de serre — par rapport à un état de référence, généralement l'année $1750$ . Un forçage positif réchauffe, un forçage négatif refroidit.

Le sixième rapport du GIEC ( $2021$ ) évalue le forçage radiatif anthropique total, entre $1750$ et $2019$ , à environ $2, 7 W / m^{2}$ , dont environ $2, 2 W / m^{2}$ pour le seul dioxyde de carbone. Ce chiffre paraît dérisoire en regard des $340 W / m^{2}$ reçus : moins de $1 %$ . Il ne l'est pas, pour deux raisons. D'abord parce qu'il s'applique en permanence, à chaque seconde, sur toute la surface de la planète. Ensuite parce que l'énergie s'accumule : ce n'est pas une puissance qui chauffe, c'est une énergie, c'est-à-dire une puissance multipliée par une durée.

Exemple 2.13Ce que représente

0, 8 W / m^{2}

Le déséquilibre énergétique actuel de la Terre — la différence entre ce qu'elle reçoit et ce qu'elle émet — est estimé par le GIEC à environ $0, 8 W / m^{2}$ . Multiplions par la surface de la Terre, $5, 1 \times 1 0^{14} m^{2}$ : $P = 0, 8 \times 5, 1 \times 1 0^{14} \approx 4 \times 1 0^{14} W .$ Quatre cents térawatts. À titre de comparaison, la puissance moyenne consommée par l'humanité tous usages confondus est de l'ordre de $2 \times 1 0^{13} W$ : le déséquilibre climatique représente environ vingt fois la consommation énergétique mondiale, en permanence. Cette énergie ne disparaît pas ; elle est stockée, principalement dans l'océan.

2.4.2 Quels gaz, et pourquoi eux ?

En haut, le rayonnement infrarouge émis par la surface de la Terre,

maximal vers $10 μ m$ . En bas, les domaines d'absorption des principaux gaz à effet de serre. La zone grisée est la fenêtre atmosphérique : entre $8$ et $13 μ m$ , presque rien n'absorbe et le rayonnement s'échappe. Un gaz ne compte que s'il absorbe là où la Terre émet — et d'autant plus qu'il est abondant.</div>

Méthode : Déterminer la capacité d'un gaz à influencer l'effet de serre

Deux facteurs, et il faut les combiner.

Le spectre d'absorption. Le gaz absorbe-t-il dans le domaine où la Terre émet, c'est-à-dire l'infrarouge entre $4$ et $50 μ m$ , avec un maximum vers $10 μ m$ ? Le diazote et le dioxygène, qui forment $99 %$ de l'air, n'absorbent pratiquement pas dans ce domaine : ce ne sont pas des gaz à effet de serre.
Où se situe la bande d'absorption ? Une bande située dans la fenêtre atmosphérique ( $8$ à $13 μ m$ ) est bien plus efficace qu'une bande située là où la vapeur d'eau absorbe déjà tout : dans ce dernier cas, le rayonnement est de toute façon arrêté, et ajouter un absorbeur ne change presque rien.
L'abondance. Un gaz très efficace mais présent à $0, 001 pp m$ ne peut pas compter beaucoup. Un gaz peu efficace mais présent à $420 pp m$ peut dominer.
Multiplier les deux. L'influence est le produit efficacité $\times$ abondance. C'est pourquoi le dioxyde de carbone, moins efficace molécule par molécule que le méthane, contribue davantage : il est deux cents fois plus abondant.
Ne pas oublier la durée de vie. Le méthane disparaît de l'atmosphère en une douzaine d'années ; une partie du dioxyde de carbone émis aujourd'hui y sera encore dans mille ans. Réduire les émissions de méthane produit un effet rapide ; réduire celles de dioxyde de carbone est indispensable mais lent.

$\leftrightarrow$ Lectures graphiques, pourcentages.

Exemple 2.14Pourquoi le diazote n'est pas un gaz à effet de serre

Une molécule n'absorbe le rayonnement infrarouge que si sa vibration modifie la répartition des charges électriques en son sein. Une molécule composée de deux atomes identiques, comme $N X_{2}$ ou $O X_{2}$ , est parfaitement symétrique : elle vibre, mais sa vibration ne crée aucun déséquilibre électrique, et elle est donc transparente à l'infrarouge. Les molécules à trois atomes ou plus — $H X_{2} O$ , $CO X_{2}$ , $CH X_{4}$ , $N X_{2} O$ , $O X_{3}$ — possèdent au contraire des modes de vibration dissymétriques : elles absorbent. Voilà pourquoi $99 %$ de l'atmosphère ne joue aucun rôle dans l'effet de serre, et pourquoi le pour cent restant fait toute la différence entre la Terre et une boule de glace.

iRemarqueLa vapeur d'eau, gaz à effet de serre et rétroaction

La vapeur d'eau est, de loin, le premier gaz à effet de serre de l'atmosphère : elle contribue à peu près pour moitié à l'effet de serre naturel. Faut-il en conclure que le dioxyde de carbone ne compte pas ? Non, et la raison est subtile. La quantité de vapeur d'eau dans l'air n'est pas pilotée par les émissions humaines : elle est fixée par la température, car l'air ne peut contenir qu'une quantité limitée de vapeur, croissante avec la température (environ $7 %$ de plus par degré). L'eau émise par une usine retombe en pluie en quelques jours.

La vapeur d'eau n'est donc pas un forçage : c'est une rétroaction. Elle ne déclenche rien, mais elle amplifie tout ce qui réchauffe. Le dioxyde de carbone, lui, s'accumule indépendamment de la température : c'est lui qui commande. Confondre les deux rôles est l'une des erreurs les plus répandues dans les discussions sur le climat.

2.4.3 Où va l'énergie supplémentaire ?

Proposition 2.15Le mécanisme, pas à pas

Lorsque la concentration des GES augmente, l'atmosphère absorbe davantage le rayonnement thermique infrarouge émis par la surface de la Terre. Il en résulte une augmentation de la puissance radiative reçue par la surface terrestre de l'atmosphère. Cette puissance additionnelle entraîne une perturbation de l'équilibre radiatif qui existait à l'ère préindustrielle.

Proposition 2.16Le devenir de l'énergie

L'énergie supplémentaire associée est essentiellement stockée par les océans, mais également par l'air et les sols, ce qui se traduit par une augmentation de la température moyenne à la surface de la Terre et la montée du niveau des océans.

Environ $91 %$ de l'excédent d'énergie est stocké dans l'océan, $5 %$ dans les continents, $3 %$ sert à faire fondre les glaces et $1 %$ seulement chauffe l'atmosphère. La température de l'air, sur laquelle porte tout le débat public, mesure donc le centième du phénomène.

Cette répartition explique deux faits qui étonnent souvent.

Pourquoi l'atmosphère se réchauffe-t-elle si peu, si l'énergie est

si grande ? Parce que l'atmosphère est légère. Sa masse est de $5, 1 \times 1 0^{18} k g$ , celle de l'océan de $1, 4 \times 1 0^{21} k g$ — deux cent soixante fois plus. Et la capacité thermique massique de l'eau est quatre fois celle de l'air. Au total, l'océan peut stocker environ mille fois plus d'énergie que l'atmosphère pour la même élévation de température. Chauffer tout l'océan de $1° C$ demanderait plus d'énergie que l'humanité n'en a jamais produit.

Pourquoi le réchauffement ne s'arrêtera-t-il pas le jour où les

émissions cesseront ? Parce que l'océan est en retard. La chaleur qu'il a absorbée est en train de descendre lentement vers les profondeurs, et la surface continuera de s'ajuster pendant des décennies. On parle d'inertie thermique. Un four que l'on éteint reste chaud.

Méthode : Interpréter un document donnant la variation d'un indicateur
climatique en fonction du temps</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text">

Identifier l'indicateur et son unité : température ( $^{\circ} C$ ), niveau de la mer ( $mm$ ), étendue de glace ( $1 0^{6} k m^{2}$ ), nombre de jours de canicule, longueur d'un glacier ( $m$ )…
Repérer si l'on trace une valeur ou une anomalie, et par rapport à quelle référence.
Décrire la tendance sur toute la période, en donnant un taux : « le niveau de la mer s'élève d'environ $3, 4 mm$ par an depuis $1993$ ».
Chercher un changement de pente. Les indicateurs climatiques s'accélèrent souvent : le niveau de la mer montait de $1, 3 mm$ par an au début du XX^e siècle, il monte aujourd'hui trois fois plus vite.
Ne pas confondre variabilité et tendance. Une année de banquise plus étendue que la précédente n'annule pas une baisse de $13 %$ par décennie.
Interroger la mesure elle-même : depuis quand ? avec quel instrument ? quelle couverture géographique ? Une rupture dans une série peut venir d'un changement d'instrument, pas du climat.

$\leftrightarrow$ Lectures graphiques, taux de variation.

Exemple 2.17Trois indicateurs, trois lectures

Niveau moyen des océans. Il s'est élevé d'environ $20 c m$ entre $1901$ et $2018$ selon le GIEC. Mais le rythme s'est accéléré : environ $1, 3 mm$ par an sur $1901$ - $1971$ , $1, 9 mm$ par an sur $1971$ - $2006$ , $3, 7 mm$ par an sur $2006$ - $2018$ . Trois taux, une même grandeur : c'est l'accélération qui est le résultat, pas le total.

Banquise arctique. L'étendue minimale, atteinte chaque année en septembre, diminue d'environ $13 %$ par décennie depuis le début des mesures satellitaires en $1979$ . Le minimum record a été observé le $16$ septembre $2012$ , avec $3, 41$ millions de kilomètres carrés. Attention : la banquise antarctique n'a pas suivi la même évolution, pour des raisons liées aux vents et aux courants de l'océan Austral ; un indicateur régional n'est pas un indicateur global.

Glaciers de montagne. La Mer de Glace, à Chamonix, a reculé de plusieurs kilomètres et perdu plus de cent mètres d'épaisseur depuis le milieu du XIX^e siècle : les gravures et photographies anciennes en fournissent un témoignage direct, et les escaliers que doivent descendre les visiteurs depuis la gare du Montenvers s'allongent de décennie en décennie. C'est l'indicateur le plus visible à l'œil nu — et l'un des plus universels, puisque le recul concerne la quasi-totalité des glaciers du monde.

Méthode : Analyser conjointement la teneur en $CO X_{2}$ et la
température moyenne</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text">

Vérifier que les deux courbes sont sur la même échelle de temps avant de les comparer.
Décrire séparément, puis comparer les formes : les deux courbes montent-elles ensemble ? avec un décalage ?
Chiffrer. $CO X_{2}$ : de $280 pp m$ à $420 pp m$ , soit $+ 50 %$ . Température : $+ 1, 1° C$ .
Ne pas conclure à la causalité par la seule ressemblance. Deux courbes parallèles peuvent avoir une cause commune, ou n'avoir aucun rapport. La causalité ne s'établit que par un mécanisme — ici, la physique du rayonnement infrarouge, connue depuis le XIX^e siècle et vérifiable en laboratoire.
Attention au sens de la causalité dans les paléoclimats. Sur les carottes de glace, la température monte souvent quelques siècles avant le $CO X_{2}$ : c'est le forçage orbital qui réchauffe d'abord, l'océan qui relâche ensuite son dioxyde de carbone, lequel amplifie le réchauffement. Le $CO X_{2}$ y est donc une rétroaction, alors qu'il est aujourd'hui un forçage. Le même gaz, deux rôles selon la situation — et c'est ce décalage que certains présentent, à tort, comme une réfutation.

$\leftrightarrow$ Corrélation et causalité, pourcentages, variation absolue et relative.

2.5 Les rétroactions : ce qui amplifie et ce qui freine

2.5.1 Une notion centrale

Définition 2.18Rétroaction

Une rétroaction est une boucle par laquelle l'effet d'une perturbation agit en retour sur sa propre cause. Elle est dite positive (ou amplificatrice) lorsqu'elle renforce la perturbation initiale, négative (ou stabilisatrice) lorsqu'elle l'atténue.

Attention au vocabulaire : « positive » ne veut pas dire « favorable ». Une rétroaction positive sur le climat aggrave le réchauffement.

Proposition 2.19Les trois rétroactions positives à connaître

L'évolution de la température terrestre moyenne résulte de plusieurs effets amplificateurs (rétroaction positive), dont :

l'augmentation de la concentration en vapeur d'eau (gaz à effet de serre) dans l'atmosphère ;
la décroissance de la surface couverte par les glaces et la diminution de l'albédo terrestre ;
le dégel partiel du permafrost provoquant une libération de GES dans l'atmosphère.

Les principales boucles de rétroaction du système climatique. Chaque

flèche partant de la température représente une action, chaque flèche y revenant l'effet en retour. Le signe indique si la boucle amplifie ( $+$ ) ou freine ( $-$ ). Sur le climat actuel, les rétroactions positives l'emportent nettement.</div>

La vapeur d'eau.

L'air plus chaud peut contenir plus de vapeur d'eau — environ $7 %$ de plus par degré. Or la vapeur d'eau est un gaz à effet de serre. Un réchauffement initial dû au dioxyde de carbone augmente donc la vapeur d'eau, qui à son tour réchauffe. C'est la rétroaction positive la plus puissante du système : elle double à peu près l'effet du dioxyde de carbone seul.

L'albédo.

La neige fraîche renvoie $80$ à $90 %$ du rayonnement solaire qu'elle reçoit ; l'océan libre de glace n'en renvoie que $6$ à $10 %$ . Quand la banquise recule, une surface très réfléchissante est remplacée par une surface très absorbante : la région absorbe davantage d'énergie, se réchauffe, et la glace recule encore. Cette boucle explique en grande partie pourquoi l'Arctique se réchauffe environ trois fois plus vite que la moyenne du globe — un phénomène appelé amplification arctique.

Définition 2.20Albédo

L'albédo d'une surface est la fraction du rayonnement solaire qu'elle renvoie. C'est un nombre sans unité, compris entre $0$ (surface parfaitement absorbante) et $1$ (surface parfaitement réfléchissante). Quelques valeurs : neige fraîche $0, 80$ à $0, 90$ ; glace de mer $0, 50$ à $0, 70$ ; désert de sable $0, 30$ à $0, 40$ ; forêt $0, 10$ à $0, 15$ ; océan $0, 06$ à $0, 10$ . L'albédo moyen de la Terre vaut environ $0, 30$ .

Le pergélisol.

Le pergélisol (ou permafrost) est un sol gelé en permanence depuis au moins deux années consécutives ; il couvre une grande partie de la Sibérie, de l'Alaska et du nord du Canada. Il contient de la matière organique non décomposée, accumulée depuis des dizaines de milliers d'années : on estime le stock de carbone du pergélisol à environ $1500$ gigatonnes, soit près de deux fois le carbone contenu dans toute l'atmosphère. En dégelant, ce sol permet aux micro-organismes de reprendre leur activité et de libérer du dioxyde de carbone et du méthane. Ces gaz réchauffent, ce qui fait dégeler davantage.

iRemarqueUne rétroaction n'est pas une prophétie

On lit parfois que le dégel du pergélisol conduirait fatalement à un emballement irréversible du climat. La prudence s'impose. Le mécanisme est établi, son ampleur est incertaine : la vitesse du dégel, la fraction de carbone effectivement libérée, la répartition entre dioxyde de carbone et méthane font l'objet de recherches actives et les estimations varient d'un facteur important. Le GIEC intègre cette rétroaction dans ses projections en l'assortissant d'une large incertitude, et considère qu'un emballement incontrôlable au XXI^e siècle est peu probable — sans l'exclure au-delà. Dire « c'est incertain » n'est pas dire « ce n'est rien » ; c'est dire ce que l'on sait, et jusqu'où.

Méthode : Identifier les relations de causalité, actions et rétroactions

Écrire la chaîne de causes sous forme de flèches, chacune affectée d'un sens de variation : « température $↗$ $\Rightarrow$ glace $↘$ $\Rightarrow$ albédo $↘$ $\Rightarrow$ énergie absorbée $↗$ $\Rightarrow$ température $↗$ ».
Vérifier que la chaîne se referme sur son point de départ : c'est ce qui fait une rétroaction, et non un simple enchaînement.
Déterminer le signe. Si la variable de départ revient dans le même sens, la rétroaction est positive ; dans le sens contraire, elle est négative. Compter les inversions le long de la boucle : un nombre pair d'inversions donne une rétroaction positive.
Distinguer forçage et rétroaction. Un forçage est imposé de l'extérieur du système (émissions humaines, éruption volcanique, variation solaire) ; une rétroaction est une réponse interne. La vapeur d'eau est une rétroaction, le dioxyde de carbone d'origine fossile est un forçage.
Ne pas conclure d'une corrélation à une causalité sans mécanisme physique explicite.

$\leftrightarrow$ Logique.

2.5.2 L'océan : un amortisseur, à quel prix ?

Proposition 2.21Le rôle de l'océan

L'océan a un rôle amortisseur en absorbant à sa surface une fraction importante de l'apport additionnel d'énergie. Cela conduit à une élévation du niveau de la mer causée par la dilatation thermique de l'eau. À celle-ci s'ajoute la fusion des glaces continentales. Cette accumulation d'énergie dans les océans rend le changement climatique irréversible à des échelles de temps de plusieurs siècles. L'océan joue également un rôle d'amortisseur en absorbant une partie du $CO X_{2}$ émis par les activités humaines.

L'océan nous rend trois services et nous présente trois factures.

Le service

La facture

Il absorbe environ

91 %

de l'excédent d'énergie : sans lui,

l'atmosphère se serait réchauffée bien davantage.</td><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Cette énergie ne disparaît pas. Elle dilate l'eau, ce qui fait monter le niveau de la mer, et elle est restituée lentement pendant des siècles : le changement devient irréversible à notre échelle.</td></tr><tr style=""><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Il absorbe environ un quart du dioxyde de carbone émis par les activités humaines, ce qui limite d'autant l'effet de serre additionnel.</td><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Le dioxyde de carbone dissous acidifie l'eau : le pH de surface est passé d'environ $8, 2$ à $8, 1$ depuis l'ère préindustrielle, soit une augmentation d'environ $30 %$ de l'acidité. Les organismes à coquille ou à squelette calcaire en souffrent.</td></tr><tr style="border-bottom:1.5px solid #2E2C26"><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Il redistribue la chaleur des tropiques vers les pôles par ses courants, ce qui adoucit les climats côtiers.</td><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Ces courants dépendent de contrastes de température et de salinité que le réchauffement et la fonte des glaces modifient.</td></tr></table></div>

iRemarque« Irréversible » : ce que le mot signifie ici

Le programme emploie le mot avec précision : « irréversible à des échelles de temps de plusieurs siècles ». Cela ne veut pas dire que rien ne peut plus être fait — au contraire, chaque dixième de degré évité compte. Cela veut dire que même en arrêtant toutes les émissions demain, la température ne redescendrait pas rapidement à son niveau préindustriel : l'océan continuerait de restituer sa chaleur, le niveau de la mer continuerait de monter pendant des siècles, et le dioxyde de carbone déjà émis resterait longtemps dans l'atmosphère. Une partie du changement est acquise. C'est précisément pourquoi l'adaptation est devenue un enjeu au même titre que l'atténuation.

2.5.3 Glaces de mer et glaces continentales : Archimède

Deux glaces, deux effets. À gauche, la banquise : elle flotte,

elle déplace déjà son propre poids d'eau, sa fonte ne change pas le niveau. À droite, une calotte posée sur un continent : son eau n'appartient pas encore à l'océan, sa fonte l'y ajoute et le niveau monte. La confusion entre les deux est l'une des plus fréquentes.</div>

Méthode : Expliquer la différence d'incidence entre la fusion des glaces
continentales et celle des glaces de mer</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text"> Le raisonnement tient en trois pas.

Localiser la glace. Repose-t-elle sur un socle rocheux (calotte du Groenland, de l'Antarctique, glaciers de montagne) ou flotte-t-elle sur l'eau (banquise, plateformes glaciaires) ?
Appliquer le principe d'Archimède à la glace flottante. Un corps qui flotte déplace un volume d'eau dont le poids égale le sien. Sa masse est donc déjà comptée dans le niveau de la mer. En fondant, cette glace donne exactement le volume d'eau qu'elle déplaçait : le niveau ne change pas.
Conclure pour la glace posée. Son eau n'était pas dans l'océan. En fondant, elle s'y ajoute et fait monter le niveau de $Δ h = V_{eau} / S_{oc e ˊ an}$ .

Deux nuances honnêtes, à mentionner sans en faire un attendu : la banquise est formée d'eau douce alors qu'elle flotte sur de l'eau salée, plus dense, ce qui produit un effet de second ordre (une élévation d'environ $3 %$ de celle qu'aurait donnée la même masse de glace continentale) ; et la disparition de la banquise a d'énormes conséquences sur l'albédo et sur les écosystèmes, même sans effet sur le niveau. Ne pas confondre « sans effet sur le niveau de la mer » et « sans conséquence ».

$\leftrightarrow$ Géométrie : calculs d'aires et de volumes.

Exemple 2.22Deux calottes, deux ordres de grandeur

La calotte du Groenland contient environ $2, 9$ millions de kilomètres cubes de glace. La masse volumique de la glace vaut $917 k g / m^{3}$ , celle de l'eau $1000 k g / m^{3}$ : le volume d'eau correspondant est donc $V_{eau} = 2, 9 \times 1 0^{6} \times \frac{917}{1000} \approx 2, 7 \times 1 0^{6} k m^{3} = 2, 7 \times 1 0^{15} m^{3} .$ Rapporté à la surface des océans, $3, 6 \times 1 0^{14} m^{2}$ : $Δ h = \frac{2 , 7 \times 1 0 ^{15}}{3 , 6 \times 1 0 ^{14}} \approx 7, 4 m .$ La calotte antarctique, bien plus volumineuse, représenterait environ $58 m$ . Ces chiffres décrivent une fonte totale, qui prendrait des millénaires ; ils ne sont pas une projection pour ce siècle. Ils donnent l'échelle de ce qui est en jeu, et expliquent pourquoi les climatologues surveillent avec tant d'attention la stabilité de quelques glaciers antarctiques.

2.5.4 La dilatation thermique de l'océan

Définition 2.23Dilatation thermique

Un corps chauffé se dilate : son volume augmente à masse constante. Pour un liquide, on écrit $Δ V = α V_{0} Δ T,$ où $α$ est le coefficient de dilatation volumique, exprimé en $K^{- 1}$ . Pour l'eau de mer, $α$ dépend de la température et de la pression ; on retiendra l'ordre de grandeur $α \approx 2 \times 1 0^{- 4} K^{- 1}$ pour les eaux de surface.

Méthode : Estimer la variation du volume de l'océan associée à une
variation de température</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text">

Modéliser l'océan par un pavé de surface $S$ et de hauteur $h$ : $V_{0} = S \times h$ .
Appliquer la dilatation : $Δ V = α V_{0} Δ T$ .
Convertir en élévation. La surface de l'océan étant fixée par les côtes, toute la dilatation se traduit en hauteur : $Δ h = \frac{Δ V}{S} = α h Δ T .$ La surface disparaît du résultat : l'élévation ne dépend que de l'épaisseur chauffée et de l'échauffement, pas de l'étendue de l'océan. C'est le point qui surprend et qu'il faut avoir compris.
Vérifier la cohérence physique : quelle épaisseur est réellement chauffée ? En un siècle, la chaleur n'a pénétré que les premières centaines de mètres. Utiliser $h = 3700 m$ , profondeur moyenne, surestimerait grandement l'effet.

$\leftrightarrow$ Calcul littéral, géométrie, grandeurs quotients.

Exemple 2.24Un calcul d'ordre de grandeur

Supposons que les $700 m$ supérieurs de l'océan se soient réchauffés de $0, 4° C$ depuis un siècle. Alors $Δ h = α h Δ T = 2 \times 1 0^{- 4} \times 700 \times 0, 4 = 0, 056 m,$ soit environ $5, 6 c m$ . Le GIEC attribue à la dilatation thermique une part importante de l'élévation observée du niveau de la mer au XX^e siècle, l'autre part venant de la fonte des glaciers de montagne et des calottes. L'ordre de grandeur obtenu par ce calcul très grossier est cohérent avec les observations : c'est ce genre de vérification qui donne confiance dans une chaîne de raisonnement.

2.5.5 Une rétroaction négative : les organismes chlorophylliens

Proposition 2.25Le puits biologique de carbone

À court terme, les organismes chlorophylliens constituent un puits de $CO X_{2}$ , ce qui a donc un effet de rétroaction négative (stabilisatrice).

Le mécanisme est simple : une atmosphère plus riche en dioxyde de carbone favorise la photosynthèse, donc la croissance des végétaux terrestres et du phytoplancton, qui en absorbent davantage. On estime que la végétation continentale absorbe environ $30 %$ des émissions humaines et l'océan environ $25 %$ ; un peu moins de la moitié seulement reste dans l'atmosphère. Sans ces deux puits, la teneur en dioxyde de carbone serait bien plus élevée qu'elle ne l'est.

Trois limites, cependant, qui expliquent les mots « à court terme ».

L'effet sature. La croissance des plantes est aussi limitée par l'eau, l'azote, le phosphore, la lumière. Au-delà d'un certain point, ajouter du dioxyde de carbone n'accélère plus rien.
Le carbone stocké peut repartir. Un arbre n'est pas un coffre-fort : incendie, sécheresse, coupe, décomposition renvoient le carbone dans l'atmosphère. Les grands incendies de forêt, plus fréquents avec le réchauffement, transforment localement un puits en source.
La rétroaction négative est plus faible que les positives. C'est un fait quantitatif, pas une opinion : le bilan global des rétroactions du système climatique est nettement amplificateur.

2.6 Histoire des sciences : comment la climatologie s'est construite

$1824$ — Fourier pose la question. Joseph Fourier s'étonne : la Terre, à sa distance du Soleil, devrait être bien plus froide qu'elle ne l'est. Il propose que l'atmosphère laisse passer la lumière visible mais retienne une partie de la « chaleur obscure » — ce que nous appelons l'infrarouge. Il compare l'atmosphère aux vitres d'un coffre à couvercle de verre imaginé par Horace-Bénédict de Saussure. L'analogie de la serre est née là ; elle est physiquement inexacte, mais l'idée de fond est juste.

$1856$ — Eunice Foote mesure. L'Américaine Eunice Newton Foote expose au soleil des cylindres de verre remplis de différents gaz et compare leur échauffement. Celui qui contient du dioxyde de carbone chauffe le plus, et reste chaud le plus longtemps. Elle écrit qu'une atmosphère plus riche en ce gaz donnerait à la Terre une température plus élevée. Son article est présenté à l'Association américaine pour l'avancement des sciences — mais lu par un homme, les femmes n'étant pas admises à parler. Son travail fut longtemps oublié et n'a été redécouvert qu'au XXI^e siècle.

$1859$ - $1861$ — Tyndall quantifie. John Tyndall construit à Londres un spectrophotomètre et mesure l'absorption du rayonnement infrarouge par les gaz. Il établit que l'azote et l'oxygène sont transparents, tandis que la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone et le méthane absorbent fortement. C'est la première mesure rigoureuse de ce qui deviendra la base physique de l'effet de serre.

$1896$ — Arrhenius calcule. Le Suédois Svante Arrhenius entreprend, à la main, le calcul de l'effet d'un doublement du dioxyde de carbone atmosphérique. Il aboutit à un réchauffement de $5$ à $6° C$ — une valeur trop forte au regard des estimations actuelles, mais du bon ordre de grandeur, obtenue sans ordinateur et avec des données d'absorption rudimentaires. Arrhenius, vivant en Suède, y voyait plutôt une bonne nouvelle.

$1938$ — Callendar relie. L'ingénieur britannique Guy Callendar rassemble les mesures de température de $147$ stations et les met en regard de l'augmentation du dioxyde de carbone due à la combustion du charbon. Il conclut à un réchauffement en cours d'origine humaine. La communauté scientifique reste sceptique : les mesures de dioxyde de carbone de l'époque sont dispersées et peu fiables.

$1958$ — Keeling mesure enfin proprement. Charles David Keeling installe au sommet du Mauna Loa, à Hawaï, loin de toute source locale, un analyseur de dioxyde de carbone d'une précision inédite. La série qu'il inaugure n'a jamais été interrompue depuis : elle montre une oscillation saisonnière — la respiration de la végétation de l'hémisphère nord — superposée à une croissance régulière. C'est probablement la courbe la plus importante des sciences de l'environnement.

$1967$ — Manabe et Wetherald simulent. Syukuro Manabe et Richard Wetherald publient le premier modèle qui traite correctement, ensemble, le transfert du rayonnement et la convection de l'atmosphère. Ils prévoient qu'un doublement du dioxyde de carbone réchaufferait la surface d'environ $2° C$ . En $1969$ , Manabe présente le premier modèle couplant l'atmosphère et l'océan.

$1976$ — Hasselmann sépare le signal du bruit. Klaus Hasselmann montre que le climat peut être décrit comme la réponse lente d'un système à inertie (l'océan) soumis à des perturbations rapides et aléatoires (l'atmosphère). Il développe ensuite les méthodes dites d'empreintes digitales, qui permettent de reconnaître dans les observations la signature propre à chaque cause — solaire, volcanique, anthropique. Sans ces méthodes, l'attribution du réchauffement resterait une conjecture.

$1979$ — Le rapport Charney. Une commission de l'Académie des sciences des États-Unis, présidée par Jule Charney, conclut qu'un doublement du dioxyde de carbone entraînerait un réchauffement de $1, 5$ à $4, 5° C$ . Cette fourchette est restée pratiquement inchangée pendant quarante ans, ce qui a parfois été présenté comme un échec de la science ; c'est en réalité un signe de robustesse — le résultat ne dépendait pas des progrès des ordinateurs.

$1988$ — Le GIEC est créé par l'Organisation météorologique mondiale et le Programme des Nations unies pour l'environnement. Il ne fait pas de recherche : il évalue et synthétise la littérature scientifique publiée, sous le contrôle des États. Son sixième rapport d'évaluation a été publié entre $2021$ et $2023$ .

$2021$ — Le prix Nobel de physique est attribué pour moitié à Syukuro Manabe et Klaus Hasselmann « pour la modélisation physique du climat de la Terre, la quantification de sa variabilité et la prédiction fiable du réchauffement climatique », l'autre moitié revenant à Giorgio Parisi pour ses travaux sur les systèmes complexes désordonnés. C'est la première fois qu'un Nobel de physique récompense la climatologie ; il consacre l'idée que comprendre un système complexe est une question de physique fondamentale.

iRemarqueDeux siècles pour une certitude

De Fourier à Manabe, il s'écoule presque deux cents ans. À chaque étape, il a fallu un instrument nouveau (le spectrophotomètre de Tyndall, l'analyseur de Keeling, l'ordinateur de Manabe), une idée nouvelle, et le plus souvent un scepticisme durable. Le savoir climatique n'a pas été « décrété » : il a été arraché, mesure après mesure. C'est cela qu'il faut avoir en tête quand on entend dire que « les scientifiques se sont mis d'accord ».

2.7 Esprit critique : que vaut le climato-scepticisme ?

Le programme demande explicitement de traiter cette question, et de la traiter comme du contenu — pas comme une digression. La bonne manière de le faire n'est pas de disqualifier a priori, mais d'examiner les arguments. Certains mettent en jeu de vraies questions scientifiques ; d'autres reposent sur des procédés d'argumentation identifiables et réfutables.

Argument entendu

Ce que la science en dit

« Le climat a toujours changé. »

Exact, et c'est la climatologie qui l'a établi (carottes de glace, cycles de

Milanković). Mais l'existence de causes naturelles n'exclut pas une cause supplémentaire — comme l'existence de morts naturelles n'exclut pas les accidents. Or les causes naturelles connues (soleil, volcans, orbite) sont mesurées, et aucune ne suit la courbe observée depuis $1970$ .</td></tr><tr style=""><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">« Le réchauffement s'est arrêté entre $1998$ et $2012$ . »</td><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Choix biaisé du point de départ : $1998$ fut une année exceptionnellement chaude à cause d'El Niño. Sur la même période, le contenu thermique de l'océan a continué d'augmenter régulièrement : l'énergie ne s'était pas arrêtée, elle avait changé de compartiment. Depuis $2014$ , chaque année ou presque bat un record.</td></tr><tr style=""><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">« La vapeur d'eau est le principal gaz à effet de serre. »</td><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Exact, mais sa quantité est commandée par la température, pas par les émissions : c'est une rétroaction, pas un forçage. Elle amplifie ce que le dioxyde de carbone déclenche.</td></tr><tr style=""><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">« Les modèles se sont toujours trompés. »</td><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Vérifiable, et vérifié : les projections publiées entre $1970$ et $2007$ ont été confrontées aux observations, et la plupart se sont révélées justes à l'incertitude près. C'est même l'argument le plus fort en faveur des modèles.</td></tr><tr style="border-bottom:1.5px solid #2E2C26"><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">« Il n'y a pas de consensus. »</td><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Les recensements systématiques de la littérature scientifique publiée trouvent, selon les études, entre $97 %$ et plus de $99 %$ d'articles concluant à l'origine humaine du réchauffement. Un consensus n'est pas une preuve, mais son absence supposée n'est pas un fait.</td></tr></table></div>

iRemarqueDoute scientifique et doute fabriqué

Le doute est le moteur de la science : un chercheur qui montrerait que le réchauffement n'est pas anthropique ferait la carrière la plus brillante de son siècle. Il faut donc distinguer soigneusement deux choses.

Le débat scientifique porte sur des questions réelles et ouvertes : la valeur exacte de la sensibilité climatique, le rôle des nuages, l'ampleur de la rétroaction du pergélisol, la stabilité des calottes. Ces débats se tiennent dans des revues, avec des données, et les rapports du GIEC les exposent eux-mêmes.

Le doute fabriqué n'a pas cette forme. Il ne propose pas d'explication alternative testable ; il attaque les personnes, exige une certitude absolue que nulle science ne fournit, sélectionne les données favorables et change d'argument dès que le précédent est réfuté. On sait aujourd'hui, par des documents internes rendus publics lors de procédures judiciaires, que des industriels du tabac puis des combustibles fossiles ont financé des campagnes explicitement destinées à produire ce doute — « le doute est notre produit », écrivait en $1969$ un dirigeant de l'industrie du tabac dans un mémorandum devenu célèbre.

Le meilleur critère pratique n'est donc pas de savoir qui parle, mais de poser trois questions : quelle donnée soutient cette affirmation ? quelle observation la réfuterait ? l'auteur en tient-il compte ?

2.8 Bilan

Ce qu'il faut savoir

La climatologie étudie les variations du climat, local ou global, à moyen et long terme ; la météorologie étudie les phénomènes atmosphériques qu'elle prévoit à court terme.
La température moyenne de la Terre, calculée à partir de mesures de terrain et de mesures satellitaires, est l'un des indicateurs du climat global ; il en existe d'autres (niveau des océans, étendue des glaces polaires et des glaciers). Le climat présente une variabilité naturelle sur plusieurs échelles de temps ; mais depuis plusieurs centaines de milliers d'années, jamais le dioxyde de carbone n'a augmenté aussi rapidement.
Le réchauffement global mesuré depuis un siècle et demi, environ $+ 1° C$ , est la réponse du système à l'augmentation du forçage radiatif due aux gaz à effet de serre : $CO X_{2}$ , $CH X_{4}$ , $N X_{2} O$ et vapeur d'eau.
Une concentration accrue de gaz à effet de serre fait absorber davantage d'infrarouge à l'atmosphère ; la surface reçoit donc une puissance radiative supplémentaire, qui perturbe l'équilibre radiatif préindustriel.
Cette énergie est stockée essentiellement par les océans, mais aussi par l'air et les sols : d'où l'augmentation de la température moyenne et la montée du niveau des océans.
Plusieurs rétroactions positives amplifient le réchauffement : vapeur d'eau, diminution de l'albédo par recul des glaces, dégel du pergélisol.
L'océan amortit, en absorbant l'énergie — d'où la dilatation thermique, à laquelle s'ajoute la fusion des glaces continentales — et en absorbant une partie du $CO X_{2}$ . Cette accumulation rend le changement irréversible à l'échelle de plusieurs siècles.
À court terme, les organismes chlorophylliens constituent un puits de $CO X_{2}$ : c'est une rétroaction négative, stabilisatrice.

Ce qu'il faut savoir faire

Distinguer, sur un document, des données de climat et des données de météorologie.
Identifier des tendances d'évolution de la température sur plusieurs échelles de temps à partir de graphiques.
Identifier des indices de variations climatiques passées : pollens, cernes d'arbres, carottes de glace, moraines.
Déterminer la capacité d'un gaz à influencer l'effet de serre à partir de son spectre d'absorption et de son abondance.
Interpréter un document donnant la variation d'un indicateur climatique en fonction du temps.
Analyser conjointement la variation de la teneur en $CO X_{2}$ et celle de la température moyenne, sans confondre corrélation et causalité.
Identifier les relations de causalité — actions et rétroactions — qui agissent sur la dynamique du système climatique, et donner leur signe.
Expliquer la différence d'incidence entre la fusion des glaces continentales et celle des glaces de mer.
Estimer la variation du volume de l'océan associée à une variation de température donnée, par $Δ h = α h Δ T$ .

Cinq nombres à retenir

$420 pp m$ de dioxyde de carbone contre $280 pp m$ avant l'ère industrielle. $+ 1, 1° C$ de réchauffement global. $2, 7 W / m^{2}$ de forçage radiatif anthropique. $91 %$ de l'énergie excédentaire stockée dans l'océan. $300 pp m$ : le maximum jamais atteint en huit cent mille ans, aujourd'hui dépassé de moitié.

Ce que ce chapitre dit de la science elle-même

Le climat est le cas d'école d'un savoir construit sans expérience possible : on ne dispose pas d'une seconde Terre témoin, sur laquelle on n'aurait rien émis. Faute d'expérience, la climatologie a fait autre chose — elle a multiplié les approches indépendantes. Des thermomètres et des satellites. Des glaces, des arbres, des pollens, des coraux. Des lois physiques mesurables en laboratoire. Et des modèles numériques que l'on confronte au passé avant de leur demander l'avenir. Quand toutes ces voies, qui n'ont rien en commun, donnent le même résultat, la conclusion devient très difficile à contourner.

Ce chapitre montre aussi qu'un système complexe ne se comprend pas en additionnant ses parties : ce sont les boucles qui font sa dynamique. Une même grandeur, le dioxyde de carbone, y joue un rôle de forçage aujourd'hui et jouait un rôle de rétroaction lors des glaciations ; la vapeur d'eau, premier gaz à effet de serre, ne commande rien. Comprendre un système, ce n'est pas connaître ses éléments : c'est savoir qui agit sur qui, et dans quel sens.

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