La complexité du système climatique

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L'effet de serre : l'atmosphère laisse passer le rayonnement solaire et renvoie une partie de l'infrarouge émis par la Terre.

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.

Méthode : Distinguer sur un document des données de climat et des données de météorologie

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.

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.

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.

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.

Exercices du chapitre

Climat ou météorologie ? corrigé
Deux vitesses corrigé
Quel gaz compte le plus ? corrigé
Ce que représente un déséquilibre de $0, 8$ W/m $^{2}$ corrigé
La rétroaction de l'albédo corrigé
Dilatation thermique de l'océan corrigé

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