Le climat du futur

Cours complet · enseignement scientifique (terminale), chapitre 3 · terminale, enseignement scientifique

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3.1 Introduction : peut-on connaître un avenir qui n'existe pas encore ?

Les deux chapitres précédents portaient sur le passé et le présent : ce qui s'est produit, ce que l'on mesure. Celui-ci porte sur ce qui n'a pas encore eu lieu. La question est donc d'une nature différente, et il faut la poser franchement : de quel droit un scientifique parle-t-il de l'année $2100$ ?

La réponse tient en trois mots, qui structurent ce chapitre.

Modéliser. On écrit les lois de la physique — les mêmes qui gouvernent une casserole d'eau ou un rayon lumineux — pour chaque petit volume de l'atmosphère et de l'océan, puis on les résout numériquement. Un modèle climatique n'est pas une extrapolation de courbe : c'est une reconstruction du système à partir de ses lois.
Évaluer. Un modèle qui n'a pas été confronté aux faits ne vaut rien. On lui fait rejouer le XX^e siècle, on compare à ce qui a été mesuré, on lui fait rejouer la dernière période glaciaire, on compare aux archives. S'il échoue, on le corrige. C'est cette étape, invisible du public, qui fait toute la valeur du résultat.
Projeter. Alors seulement on lui demande l'avenir — et jamais sous la forme d'une prédiction unique, mais sous la forme de scénarios : si l'humanité émet telle quantité de gaz à effet de serre, alors voici ce qu'il advient. Le « si » n'est pas une coquetterie : il marque la frontière exacte entre ce que la science détermine et ce que les sociétés décident.

Ce chapitre est donc, autant qu'un chapitre de climatologie, un chapitre d'épistémologie — cette partie de la philosophie qui s'interroge sur la manière dont les sciences produisent leurs savoirs. Qu'est-ce qu'un modèle ? Que vaut une simulation ? Comment dire honnêtement ce qu'on ne sait pas ? Le programme de terminale invite explicitement à relier l'enseignement scientifique au programme de philosophie sur ces questions ; c'est ici qu'il faut le faire.

iRemarqueUne mise au point sur le mot « modèle »

Le mot est piégé, car il a trois sens dans la langue courante. Un modèle peut être un exemple à suivre (« un élève modèle ») ; une maquette réduite (« un modèle réduit ») ; ou une représentation théorique d'un phénomène. C'est le troisième sens qui est en jeu ici. Un modèle scientifique est une représentation simplifiée et volontairement incomplète d'un système réel, construite pour répondre à une question précise. Un bon modèle n'est pas un modèle « vrai » : c'est un modèle utile, dont on connaît les limites.

3.2 Qu'est-ce qu'un modèle climatique ?

Proposition 3.1Ce sur quoi reposent les modèles climatiques

Les modèles climatiques s'appuient sur :

la mise en équation des mécanismes essentiels qui agissent sur le système Terre ;
des méthodes numériques de résolution.

Les deux piliers d'un modèle climatique. À gauche, le découpage de

l'atmosphère et de l'océan en mailles : c'est dans chacune d'elles, et à chaque pas de temps, que les équations sont écrites. À droite, les deux opérations qu'un modèle enchaîne — poser les lois, puis les résoudre pas à pas. Rien d'autre n'entre dans un modèle : ni tendance extrapolée, ni intention.</div>

3.2.1 Premier pilier : mettre en équation

Un modèle climatique ne contient aucune loi qui lui soit propre. Il contient les lois de la physique, de la chimie et de la biologie que l'on peut vérifier en laboratoire :

la conservation de la masse : ce qui entre dans une maille en sort, ou s'y accumule ;
la conservation de l'énergie : le premier principe de la thermodynamique, appliqué à chaque volume d'air et d'eau ;
les équations du mouvement des fluides, qui décrivent comment l'air et l'eau se déplacent sous l'effet des forces de pression, de la gravité et de la rotation de la Terre ;
le transfert du rayonnement : comment le rayonnement solaire et le rayonnement infrarouge terrestre traversent, sont absorbés et sont réémis par chaque couche, en fonction de sa composition ;
les changements d'état de l'eau : évaporation, condensation, formation des nuages, précipitations, fonte des glaces ;
les échanges avec les autres enveloppes : l'océan, la végétation, les sols, la cryosphère.

Aucune de ces lois n'a été inventée pour le climat. C'est un point capital, souvent ignoré : un modèle climatique n'est pas un ajustement de courbe à des données passées. Il est bâti à partir de principes physiques indépendants, et c'est pour cela qu'on peut lui demander de décrire un climat qu'il n'a jamais vu.

iRemarqueCe que les mailles ne voient pas : la paramétrisation

Une maille fait typiquement une centaine de kilomètres de côté. Or beaucoup de phénomènes essentiels sont bien plus petits : un cumulus fait quelques kilomètres, une goutte de pluie quelques millimètres, un tourbillon océanique quelques dizaines de kilomètres. Ces phénomènes ne peuvent pas être calculés directement — la puissance de calcul nécessaire serait hors d'atteinte. On les représente donc par des paramétrisations : des formules qui relient l'effet moyen de ces phénomènes aux grandeurs calculées à l'échelle de la maille.

C'est là que réside la principale source d'écart entre les modèles, et c'est là que les climatologues travaillent le plus. Les nuages, en particulier, sont la grande difficulté : selon leur altitude et leur épaisseur, ils refroidissent (en réfléchissant le rayonnement solaire) ou réchauffent (en piégeant l'infrarouge). Savoir comment leur répartition évoluera avec le réchauffement reste la principale inconnue de la discipline. Le dire n'affaiblit pas la conclusion générale : cela en délimite honnêtement la précision.

3.2.2 Second pilier : résoudre numériquement

Les équations ainsi écrites forment un système que personne ne sait résoudre exactement. On procède donc autrement : on avance dans le temps par petits pas. Connaissant l'état de chaque maille à l'instant $t$ — sa température, sa pression, son humidité, sa vitesse — on calcule ce que les équations imposent pour l'instant $t + Δ t$ , avec $Δ t$ de l'ordre de la demi-heure. Puis on recommence.

Simuler un siècle demande donc environ $1, 7$ million de pas de temps, sur plusieurs millions de mailles. Chaque pas exige des milliers d'opérations arithmétiques par maille. Le calcul total se compte en milliers de milliards de milliards d'opérations, et il mobilise des supercalculateurs pendant des semaines. C'est pourquoi les projections climatiques sont recalculées à l'occasion de chaque grand exercice international, et non en continu.

Définition 3.2Simulation numérique

Une simulation numérique est le calcul, par un ordinateur, de l'évolution d'un système décrit par des équations, obtenue en avançant pas à pas dans le temps. Elle n'est ni une expérience, ni une prédiction : c'est une conséquence calculée des lois qu'on y a mises et des hypothèses qu'on lui a fournies. Si les lois sont justes et les hypothèses réalisées, le résultat le sera aussi.

Exemple 3.3Deux modèles français

La France dispose de deux modèles de climat participant aux exercices internationaux : IPSL-CM6A-LR, développé par l'Institut Pierre-Simon Laplace, et CNRM-CM6-1, développé conjointement par le Centre national de recherches météorologiques de Météo-France et le Cerfacs à Toulouse. Ils sont construits par des équipes différentes, avec des choix de paramétrisation différents ; ils ne donnent pas exactement les mêmes résultats, et c'est précisément ce que l'on attend d'eux.

3.2.3 Ce qu'un modèle n'est pas

Trois confusions méritent d'être levées.

Un modèle n'est pas une extrapolation.

Prolonger une courbe à la règle, c'est supposer que ce qui a été continuera. Un modèle ne suppose rien de tel : il recalcule le système à partir de ses lois. C'est pour cela qu'il peut prévoir un comportement nouveau — par exemple un ralentissement de courant océanique — que la courbe passée ne laissait pas deviner.

Un modèle n'est pas une boîte noire.

Le code des grands modèles climatiques est publié, documenté et réutilisé par d'autres équipes. Les résultats des exercices internationaux sont déposés dans des bases publiques, accessibles à quiconque veut les analyser. Cette transparence n'est pas une faveur : c'est une condition de la démarche scientifique.

Un modèle n'a pas d'opinion.

On lit parfois que « les modèles sont faits pour donner le résultat qu'on veut ». Les modèles reproduisent en réalité beaucoup de choses qu'on ne leur a pas demandées : la mousson indienne, El Niño, les cyclones tropicaux, la structure des courants océaniques. Un programme conçu pour produire un résultat voulu n'aurait aucune raison de reproduire tout cela par surcroît.

3.3 Évaluer un modèle : la confrontation aux faits

Proposition 3.4Comment on valide un modèle

Pour évaluer les modèles, et ainsi les valider ou les faire évoluer, les résultats obtenus sont comparés aux observations de terrain et observations spatiales ainsi qu'à la connaissance des paléoclimats.

Le cycle de validation d'un modèle climatique. Trois juges

indépendants : les mesures faites au sol et en mer, celles faites depuis l'espace, et les climats du passé reconstitués. Ce n'est qu'après avoir passé ces trois épreuves qu'un modèle est autorisé à parler de l'avenir.</div>

3.3.1 Trois juges indépendants

Les observations de terrain.

Stations météorologiques, ballons-sondes, navires, bouées, flotteurs profilants Argo qui plongent jusqu'à deux mille mètres et remontent tous les dix jours. On demande au modèle de reproduire non seulement la température moyenne, mais la structure verticale de l'atmosphère, le cycle des saisons, la répartition des pluies, la circulation des vents.

Les observations spatiales.

Depuis les années $1970$ , les satellites mesurent le rayonnement sortant au sommet de l'atmosphère, l'étendue des glaces, la teneur en vapeur d'eau, la hauteur de la surface des océans. Leur atout est la couverture : ils voient les océans et les déserts, là où il n'y a personne pour mesurer.

Les paléoclimats.

C'est le juge le plus exigeant, et le plus intéressant. On demande au modèle de reconstituer un climat radicalement différent du nôtre : le dernier maximum glaciaire, il y a environ vingt et un mille ans, où la température globale était inférieure d'environ $5° C$ et où d'immenses calottes couvraient l'Amérique du Nord et l'Europe ; ou la période chaude du Pliocène moyen, il y a trois millions d'années, où la teneur en dioxyde de carbone était proche de la valeur actuelle. Si un modèle calé sur le climat d'aujourd'hui reproduit aussi ces climats-là, c'est qu'il n'a pas seulement été ajusté : il a capturé quelque chose de la physique.

iRemarquePourquoi ces trois juges sont indépendants

L'argument n'aurait aucune force si les trois sources de données provenaient du même instrument ou du même raisonnement. Or un thermomètre de station, un radiomètre satellitaire et un rapport isotopique dans une carotte de glace n'ont rien en commun : ni le principe physique, ni les biais, ni les équipes qui les traitent. Un modèle qui satisferait les trois par hasard serait un miracle statistique.

3.3.2 Vérifier après coup : le meilleur test qui soit

Proposition 3.5Ce que les modèles savent faire

Ces modèles, nombreux et indépendants, produisent des projections climatiques. Après avoir anticipé les évolutions des dernières décennies, ils estiment les variations climatiques globales et locales à venir sur des décennies ou des siècles.

La formule du programme — « après avoir anticipé les évolutions des dernières décennies » — désigne l'épreuve la plus décisive qu'une science prédictive puisse subir : une prédiction ancienne, confrontée à ce qui s'est réellement produit depuis. Personne ne peut y tricher, puisque la prédiction est publiée et datée.

Exemple 3.6Trois prédictions vérifiables

$1967$ : Manabe et Wetherald. Leur modèle donne, pour un doublement de la teneur en dioxyde de carbone, un réchauffement d'environ $2° C$ à la surface. Les modèles actuels, cinquante fois plus complexes, donnent une meilleure estimation de $3° C$ , avec une fourchette probable de $2, 5$ à $4° C$ . Le résultat de $1967$ est du bon ordre de grandeur.

$1979$ : le rapport Charney. Il conclut à une fourchette de $1, 5$ à $4, 5° C$ pour le doublement. Quarante ans et plusieurs générations de supercalculateurs plus tard, la fourchette a été resserrée mais non déplacée. Une prédiction qui résiste à quarante ans de progrès instrumental n'est pas une prédiction fragile.

$1981$ : Hansen et ses collègues. Ils publient dans la revue Science une projection du réchauffement à venir et annoncent que le signal deviendrait distinguable du bruit naturel « vers la fin du XX^e siècle ». C'est ce qui s'est produit. Les comparaisons publiées depuis, qui confrontent systématiquement les projections anciennes aux observations, concluent que la plupart des modèles publiés entre $1970$ et $2007$ ont correctement estimé le réchauffement, une fois pris en compte l'écart entre les émissions supposées et les émissions réelles.

iRemarqueUne précaution de méthode indispensable

Comparer une projection ancienne aux observations exige de séparer deux choses : l'erreur physique du modèle et l'erreur de scénario. Un modèle de $1990$ qui avait supposé des émissions plus fortes que celles réellement observées prévoyait logiquement un réchauffement plus fort ; ce n'est pas une erreur du modèle. On corrige donc en rejouant le modèle avec les émissions réellement constatées. Sans cette correction, on comparerait des choses incomparables — et c'est exactement ce que font certains textes qui prétendent que « les modèles se sont trompés ».

3.3.3 Pourquoi plusieurs modèles plutôt qu'un seul ?

Le programme insiste : les modèles sont « nombreux et indépendants ». Une question naturelle se pose alors : pourquoi les scientifiques ne s'accordent-ils pas sur un modèle unique, le meilleur ?

Trois raisons, et elles sont instructives.

Il n'existe pas de « meilleur » modèle absolu. Tel modèle représente mieux la mousson, tel autre les glaces de mer, tel autre les nuages bas. Choisir un modèle unique reviendrait à choisir quelle erreur on accepte de faire partout.
La dispersion des modèles est une information. Quand des modèles construits séparément, par des équipes différentes, avec des choix techniques différents, s'accordent sur un résultat, ce résultat est robuste ; quand ils divergent, cela signale un point mal compris. Un modèle unique cacherait cette information au lieu de la produire.
L'indépendance est une garantie contre l'erreur commune. Un bogue, une approximation abusive, un biais de conception passeraient inaperçus dans un modèle unique. Ils sautent aux yeux quand un modèle est seul à donner un résultat.

C'est la raison d'être des grands exercices internationaux de comparaison, où plus d'une cinquantaine de groupes de recherche font tourner leurs modèles sur exactement les mêmes scénarios, avec les mêmes conventions, afin que les résultats soient comparables. Les rapports du GIEC s'appuient sur ces ensembles, jamais sur un modèle isolé.

Méthode : Mettre en évidence le rôle des différents paramètres de
l'évolution climatique</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text"> Que l'on utilise un logiciel de simulation ou que l'on lise des graphiques produits par un modèle, la démarche est la même : faire varier un paramètre à la fois.

Identifier la simulation de référence, celle à laquelle on comparera tout le reste.
Ne modifier qu'un paramètre : la teneur en dioxyde de carbone, l'activité solaire, l'albédo, les aérosols volcaniques.
Relever l'écart par rapport à la référence, à une date donnée, et le chiffrer.
Recommencer avec un autre paramètre, et comparer les écarts : c'est ce classement qui identifie le paramètre dominant.
Tester la combinaison, car les effets ne s'additionnent pas toujours simplement.
Conclure sur le paramètre dominant, en donnant l'ordre de grandeur de son effet, et non seulement son nom.

Le principe est celui de toute expérimentation, transposé dans l'ordinateur : on ne peut attribuer un effet à une cause que si l'on a fait varier cette cause seule. Là où le physicien change une seule pièce de son montage, le climatologue change une seule ligne de son fichier de paramètres.

$\leftrightarrow$ Lectures graphiques ; corrélation et causalité.

3.4 Attribuer : pourquoi conclure à l'activité humaine ?

Proposition 3.7La conclusion de l'analyse scientifique

L'analyse scientifique combinant observations, éléments théoriques et modélisations numériques permet aujourd'hui de conclure que l'augmentation de température moyenne depuis le début de l'ère industrielle est liée à l'activité humaine : le dioxyde de carbone produit par la combustion de substances carbonées fossiles, l'artificialisation des sols, la calcination des carbonates, le méthane issu de fuites de gaz naturel ou de pétrole, ou produit par la fermentation dans les décharges et certaines activités agricoles.

L'argument décisif de l'attribution. Les mêmes modèles sont

lancés deux fois : une fois avec les seules causes naturelles (variations solaires et éruptions volcaniques), une fois en y ajoutant les émissions humaines. Seule la seconde famille de simulations reproduit les observations. Les creux de la courbe verte correspondent à de grandes éruptions volcaniques, qui refroidissent temporairement la planète — preuve que le modèle réagit bien aux causes naturelles quand elles agissent.</div>

3.4.1 L'expérience impossible, faite dans l'ordinateur

Pour établir qu'une cause produit un effet, un expérimentateur supprime la cause et vérifie que l'effet disparaît. Sur le climat, l'expérience est impossible : nous n'avons pas de seconde Terre sur laquelle nous n'aurions rien émis.

Les modèles la rendent possible — dans l'ordinateur. On lance le même modèle deux fois. Dans la première série de simulations, on ne lui fournit que les causes naturelles : les variations de l'activité solaire, mesurées, et les éruptions volcaniques, datées. Dans la seconde, on ajoute les émissions humaines de gaz à effet de serre et d'aérosols, elles aussi estimées à partir des statistiques de production.

Le résultat est net, et il ne dépend pas du modèle employé : les simulations « naturelles seules » restent plates depuis $1850$ — elles se refroidissent même légèrement — tandis que celles qui incluent l'activité humaine suivent les observations. La cause supprimée, l'effet disparaît.

iRemarqueCe que la figure prouve, et ce qu'elle ne prouve pas

Elle ne prouve pas que le modèle est parfait. Elle prouve que, dans un modèle qui reproduit correctement le climat observé, on ne peut pas obtenir le réchauffement du dernier demi-siècle sans y mettre les émissions humaines. Et comme la même conclusion sort d'une cinquantaine de modèles indépendants, elle ne dépend plus d'un choix technique particulier.

Il faut y ajouter des indices que la figure ne montre pas, et qui pointent tous dans la même direction : la stratosphère se refroidit pendant que la troposphère se réchauffe — signature attendue d'un effet de serre accru, et non d'un Soleil plus intense, qui réchaufferait les deux ; le réchauffement est plus fort la nuit que le jour ; et la composition isotopique du carbone atmosphérique change dans le sens exact qu'implique l'ajout de carbone fossile. On appelle cet ensemble un faisceau de preuves. Aucune n'est décisive seule ; ensemble, elles ne laissent pas d'échappatoire.

3.4.2 Ce que fait exactement l'activité humaine

Le savoir du programme énumère avec précision les sources. Elles méritent d'être détaillées, car elles ne se réduisent pas à « brûler du pétrole ».

Source

Mécanisme

Combustion de substances carbonées fossiles

Charbon, pétrole, gaz naturel : le carbone stocké depuis des dizaines à des

centaines de millions d'années est oxydé en $CO X_{2}$ en quelques secondes. C'est de très loin la première source.</td></tr><tr style=""><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Artificialisation des sols</td><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Déforestation, urbanisation, retournement des prairies : le carbone de la biomasse et des sols est libéré, et le puits que constituait la végétation disparaît.</td></tr><tr style=""><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Calcination des carbonates</td><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Fabrication du ciment et de la chaux : $CaCO X_{3} \to CaO + CO X_{2}$ , réaction qui libère du dioxyde de carbone indépendamment du combustible utilisé pour chauffer le four.</td></tr><tr style=""><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Fuites de gaz naturel et de pétrole</td><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Le gaz naturel est essentiellement du méthane : toute fuite à l'extraction, au transport ou à la distribution en libère directement dans l'atmosphère.</td></tr><tr style=""><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Fermentation dans les décharges</td><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">La matière organique enfouie se décompose en l'absence de dioxygène et produit du méthane.</td></tr><tr style="border-bottom:1.5px solid #2E2C26"><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Certaines activités agricoles</td><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Rizières inondées et digestion des ruminants produisent du méthane ; les engrais azotés produisent du protoxyde d'azote $N X_{2} O$ .</td></tr></table></div>

Exemple 3.8Le cas du ciment : une chimie inévitable

Le ciment est fabriqué en chauffant du calcaire à environ $1450° C$ pour obtenir du clinker. La réaction chimique en jeu est la décarbonatation : $CaCO X_{3} ⟶ CaO + CO X_{2} .$ Chaque tonne de clinker produite libère environ une demi-tonne de dioxyde de carbone par cette seule réaction, à laquelle s'ajoutent les émissions du combustible qui chauffe le four. Au total, la production de ciment représente de l'ordre de $7 %$ des émissions mondiales de dioxyde de carbone.

Ce cas est intéressant parce qu'il montre une limite des solutions « énergétiques ». On pourrait chauffer le four à l'électricité décarbonée : la moitié des émissions subsisterait, car elle vient de la chimie du calcaire, non de la combustion. Décarboner le ciment exige donc de changer de matériau ou de capter le dioxyde de carbone à la sortie du four. C'est ce qu'on appelle un secteur difficile à abattre.

3.4.3 Corrélation, causalité et modèles

Trois manières dont deux grandeurs peuvent varier ensemble. La

corrélation ne distingue pas ces trois cas : seule la connaissance d'un mécanisme, ou une expérience qui supprime la cause supposée, permet de trancher. Dans le cas du climat, cette expérience est faite dans l'ordinateur.</div>

Définition 3.9Corrélation, causalité

Deux grandeurs sont corrélées lorsque leurs variations sont liées statistiquement : quand l'une augmente, l'autre augmente (corrélation positive) ou diminue (corrélation négative). Il y a causalité lorsque la variation de l'une produit la variation de l'autre par un mécanisme identifié.

Toute causalité produit une corrélation ; l'inverse est faux. Une corrélation peut résulter d'une cause commune aux deux grandeurs, ou d'une simple coïncidence — d'autant plus facile à trouver que l'on examine davantage de paires de séries.

Méthode : Exploiter les résultats d'un modèle pour justifier qu'une
corrélation traduit un lien de cause à effet</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text">

Constater la corrélation, et la chiffrer : sur quelle période, avec quelle force, dans quel sens ?
Énoncer un mécanisme physique reliant les deux grandeurs, et vérifier qu'il est indépendamment établi. Ici : les gaz à effet de serre absorbent l'infrarouge, ce qui se mesure en laboratoire depuis $1859$ .
Vérifier la chronologie : la cause supposée précède-t-elle l'effet ?
Faire l'expérience de suppression. Retirer la cause supposée du modèle et constater que l'effet ne se produit plus. C'est l'étape décisive, et c'est ce que montre la figure d'attribution.
Chercher les explications concurrentes et les tester. Le Soleil ? Son activité est mesurée et n'augmente pas depuis les années $1960$ . Les volcans ? Ils refroidissent. Les cycles orbitaux ? Ils agissent sur des dizaines de milliers d'années.
Chercher des signatures spécifiques, c'est-à-dire des effets que seule l'hypothèse retenue prédit — comme le refroidissement de la stratosphère.

$\leftrightarrow$ Corrélation et causalité ; logique.

Exemple 3.10Un contre-exemple utile

Le nombre de noyades dans les piscines et les ventes de glaces varient ensemble au cours de l'année : la corrélation est forte. Personne n'en conclut que manger une glace fait se noyer. La raison est évidente ici : les deux ont une cause commune, la chaleur estivale. L'exemple est amusant, mais il n'est pas anodin — il rappelle que ce n'est jamais la statistique qui tranche, c'est la connaissance du mécanisme. Le rôle des modèles climatiques est exactement de fournir cette connaissance-là.

3.5 Projeter : les scénarios et ce qu'ils annoncent

3.5.1 Un scénario n'est pas une prévision

Définition 3.11Scénario, projection, prévision

Une prévision annonce ce qui va se produire : « il pleuvra demain ». Un scénario est une hypothèse cohérente sur l'évolution des activités humaines : population, économie, technologies, politiques, et donc émissions. Une projection est ce que les modèles calculent sous un scénario donné : « si les émissions suivent telle trajectoire, alors le réchauffement atteindra telle valeur ».

Une projection est donc une phrase conditionnelle. Elle n'annonce pas l'avenir : elle dit ce que l'avenir sera selon la route que l'on prendra. Confondre les deux est l'erreur la plus commune dans la lecture des rapports du GIEC.

Proposition 3.12Ce que les modèles s'accordent à prévoir

Les modèles s'accordent à prévoir avec une forte probabilité d'occurrence :

une augmentation de $1, 5$ à $5° C$ de la température moyenne avant la fin du XXI^e siècle ;
une élévation du niveau moyen des océans entre le début et la fin du XXI^e siècle pouvant atteindre le mètre ;
des modifications des régimes de pluie et des évènements météorologiques extrêmes ;
une acidification des océans ;
des incidences majeures sur les écosystèmes terrestres et marins.

3.5.2 Les cinq scénarios de référence

Réchauffement projeté par rapport à la période

1850

1900

selon cinq scénarios d'émissions. La courbe grise, jusqu'en $2020$ , est observée ; le reste est projeté. Les plages colorées donnent la fourchette très probable pour les deux scénarios extrêmes : la largeur de la plage mesure ce que la science ne sait pas encore, l'écart entre les courbes mesure ce que les sociétés décideront.</div>

Le sixième rapport du GIEC, publié en $2021$ pour sa partie scientifique, s'appuie sur cinq scénarios de référence, désignés par le sigle SSP suivi de deux nombres. Le premier chiffre décrit le type de trajectoire socio-économique, le second le forçage radiatif atteint en $2100$ , exprimé en watts par mètre carré.

Scénario	Hypothèse sur les émissions	Réchauffement	Fourchette
		en $2081$ - $2100$	très probable
SSP1-1.9	Émissions nulles vers $2050$ , puis négatives	$1, 4° C$	$1, 0$ à $1, 8$
SSP1-2.6	Émissions nulles après $2050$	$1, 8° C$	$1, 3$ à $2, 4$
SSP2-4.5	Émissions stables jusque vers $2050$ , puis en baisse	$2, 7° C$	$2, 1$ à $3, 5$
SSP3-7.0	Émissions doublées vers $2100$	$3, 6° C$	$2, 8$ à $4, 6$
SSP5-8.5	Émissions doublées vers $2050$	$4, 4° C$	$3, 3$ à $5, 7$

Trois lectures s'imposent.

L'éventail total va de $1, 0$ à $5, 7° C$

, ce qui recouvre exactement la fourchette annoncée par le programme. Un facteur cinq sépare le meilleur cas du pire.

Jusque vers $2040$ , les cinq courbes sont presque confondues.

Ce n'est pas un défaut des modèles : c'est l'inertie du système. Le réchauffement des vingt prochaines années est déjà largement déterminé par les gaz déjà émis. Ce que nous déciderons aujourd'hui se lira surtout dans la seconde moitié du siècle — d'où la difficulté politique du sujet, qui demande d'agir maintenant pour un effet différé.

Seul le scénario le plus vertueux ramène la température sous

$1, 5° C$ à la fin du siècle , et encore après l'avoir dépassée temporairement. L'objectif de l'Accord de Paris, adopté le $12$ décembre $2015$ et entré en vigueur le $4$ novembre $2016$ , était de contenir le réchauffement « nettement en dessous de $2° C$ » et de poursuivre les efforts pour le limiter à $1, 5° C$ .

3.5.3 Le budget carbone : traduire un objectif en arithmétique

Définition 3.13Budget carbone

Le budget carbone associé à un objectif de température est la quantité totale de dioxyde de carbone que l'humanité peut encore émettre en gardant une probabilité donnée de ne pas dépasser cet objectif. Il repose sur un résultat remarquable des modèles : le réchauffement final est à peu près proportionnel au cumul des émissions, et non au débit annuel.

Le budget carbone restant, traduit en délai. La barre foncée

suppose des émissions maintenues à leur niveau actuel ; la barre claire suppose une décroissance régulière jusqu'à zéro, qui double le délai pour un même budget. Ce doublement n'est pas un résultat de physique : c'est l'aire d'un triangle comparée à celle d'un rectangle.</div>

Ce résultat de proportionnalité a une conséquence importante et souvent mal comprise : ce qui compte est le total émis, pas la date à laquelle on l'émet. Repousser l'effort ne diminue donc pas la contrainte, il la concentre : plus on attend, plus la baisse devra être brutale.

Exemple 3.14Deux budgets, deux délais

Le sixième rapport du GIEC évalue, à partir de $2020$ , le budget restant à environ $500$ gigatonnes de dioxyde de carbone pour une chance sur deux de rester sous $1, 5° C$ , et à environ $1350$ gigatonnes pour le même objectif à $2° C$ . Les émissions mondiales sont de l'ordre de $40$ gigatonnes par an.

À émissions constantes, le premier budget serait épuisé en $500/40 \approx 12$ ans, le second en $1350/40 \approx 34$ ans. Si au contraire les émissions décroissent régulièrement jusqu'à zéro, la quantité cumulée est l'aire d'un triangle au lieu de celle d'un rectangle : pour le même budget, la durée est doublée, soit $25$ ans et $68$ ans. C'est de l'arithmétique élémentaire, mais elle décrit exactement ce qui est en jeu dans les négociations internationales.

3.5.4 Les autres conséquences annoncées

Élévation projetée du niveau de la mer en

2100

par rapport à la

période $1995$ - $2014$ , selon les cinq scénarios. Deux informations distinctes se lisent sur ce graphique : la position des barres, qui dépend de nos décisions, et leur largeur, qui mesure ce que la science ne sait pas encore.</div>

Le niveau des océans.

Toutes les projections donnent une élévation comprise entre $28 c m$ et un peu plus d'un mètre à l'horizon $2100$ , ce qui recouvre la formulation du programme. Deux remarques importantes. D'abord, aucun scénario ne donne moins de $28 c m$ : une part de l'élévation est déjà engagée, quoi que l'on fasse. Ensuite, ces fourchettes excluent les scénarios de déstabilisation rapide de la calotte antarctique occidentale, jugés peu probables mais pas impossibles, et qui conduiraient à des valeurs supérieures. Le GIEC les traite à part, précisément parce qu'on ne sait pas leur attribuer une probabilité.

Les régimes de pluie et les extrêmes.

Le mécanisme de base est simple : un air plus chaud contient plus de vapeur d'eau, environ $7 %$ de plus par degré. Il en résulte des précipitations plus intenses lorsqu'il pleut, et une évaporation plus forte des sols lorsqu'il ne pleut pas. Les projections indiquent donc à la fois une aggravation des épisodes de pluie extrême et une aggravation des sécheresses, selon les régions et les saisons — ce qui n'est nullement contradictoire. Les canicules sont le type d'évènement extrême pour lequel le lien avec le réchauffement est le mieux établi.

L'acidification des océans.

Ce n'est pas une conséquence du réchauffement mais du dioxyde de carbone lui-même, indépendamment de la température. Dissous dans l'eau, il forme de l'acide carbonique et libère des ions $H X_{3} O X^{+}$ : le pH de surface est passé d'environ $8, 2$ à $8, 1$ depuis l'ère préindustrielle et pourrait perdre encore $0, 3$ unité d'ici $2100$ dans le scénario le plus émetteur. Les organismes construisant une coquille ou un squelette calcaire — coraux, mollusques, ptéropodes, certains planctons — voient leur calcification entravée.

Les écosystèmes.

Les aires de répartition se déplacent vers les pôles et vers les altitudes plus élevées ; les cycles saisonniers se décalent, ce qui peut désynchroniser une espèce et sa ressource ; les récifs coralliens, soumis à la fois au réchauffement et à l'acidification, sont parmi les écosystèmes les plus menacés. Les conséquences pour les sociétés humaines — agriculture, ressources en eau, santé, habitabilité de certaines régions — font l'objet du deuxième groupe de travail du GIEC et seront reprises au chapitre $6$ .

3.6 L'incertitude en science : la dire sans la trahir

3.6.1 Trois incertitudes qu'il ne faut pas confondre

Les trois sources d'incertitude d'une projection climatique et leur

poids selon l'horizon. À court terme, la variabilité naturelle domine ; à long terme, c'est le scénario d'émissions — c'est-à-dire nos décisions. La part proprement scientifique, la réponse du système, reste au milieu et se réduit lentement.</div>

La variabilité interne. Le système climatique fluctue tout seul : El Niño, oscillations de l'Atlantique nord, variations de la circulation océanique. Cette incertitude est irréductible — elle tient à la sensibilité aux conditions initiales — mais elle se moyenne : dominante pour une décennie, négligeable pour un siècle.
La réponse du système. De combien la Terre se réchauffe-t-elle pour un forçage donné ? C'est la sensibilité climatique, dont la meilleure estimation est $3° C$ pour un doublement de la teneur en dioxyde de carbone, avec une fourchette probable de $2, 5$ à $4° C$ . C'est là que porte le travail scientifique, et la fourchette s'est resserrée au fil des rapports.
Le scénario d'émissions. Combien l'humanité émettra-t-elle ? Aucune science ne peut le dire, parce que cela ne relève pas d'une loi de la nature mais de choix — politiques, économiques, individuels. C'est pourquoi le GIEC ne choisit pas de scénario : il les calcule tous et laisse le choix aux sociétés.

iRemarqueUne confusion à ne jamais commettre

Quand un rapport annonce « de $1, 0$ à $5, 7° C$ », il ne dit pas « nous ne savons pas ». Il dit deux choses différentes, empilées dans le même intervalle : l'écart entre les scénarios est une question de choix de société, l'épaisseur de chaque fourchette est une question de science en cours. Le premier ne se réduira pas par la recherche ; le second, oui.

Confondre les deux permet deux erreurs symétriques. Celle qui dit « la science ne sait rien, la fourchette est immense » : elle attribue à l'ignorance ce qui relève de la liberté humaine. Et celle qui dit « la science a décidé qu'il fallait faire ceci » : elle attribue à la science une compétence qu'elle n'a pas. La science dit ce qui arrive si l'on fait ceci ou cela. Le choix appartient aux citoyens.

3.6.2 Le vocabulaire calibré : dire le probable avec des mots

Le GIEC a adopté un vocabulaire dont chaque terme correspond à un intervalle de probabilité fixé à l'avance. Ce n'est pas de la précaution rhétorique : c'est la condition pour que des milliers de pages écrites par des centaines d'auteurs soient lisibles de la même manière.

Terme employé	Probabilité
quasiment certain	$99$ à $100 %$
très probable	$90$ à $100 %$
probable	$66$ à $100 %$
à peu près aussi probable qu'improbable	$33$ à $66 %$
improbable	$0$ à $33 %$
très improbable	$0$ à $10 %$
exceptionnellement improbable	$0$ à $1 %$

À quoi s'ajoute une échelle de confiance — très faible, faible, moyenne, élevée, très élevée — qui exprime, elle, la qualité et la concordance des éléments disponibles. Les deux échelles sont indépendantes : on peut être très confiant dans une estimation peu précise, et peu confiant dans un chiffre apparemment précis.

Exemple 3.15Traduire trois phrases du GIEC

« Il est sans équivoque que l'influence humaine a réchauffé l'atmosphère, l'océan et les terres. » L'expression « sans équivoque » est plus forte que « quasiment certain » : c'est le degré maximal, réservé à ce qui n'est plus discuté.

« Il est très probable que les vagues de chaleur soient devenues plus fréquentes et plus intenses sur la plupart des régions terrestres depuis $1950$ . » Traduction : au moins $90 %$ de probabilité.

« Un effondrement de la circulation méridienne de retournement de l'Atlantique avant $2100$ est très improbable. » Traduction : moins de $10 %$ de probabilité — ce qui n'est pas zéro, et c'est bien pourquoi le phénomène est surveillé. Écrire « très improbable » n'est pas écrire « impossible ».

iRemarquePourquoi l'incertitude n'est pas une excuse pour ne rien faire

Un raisonnement circule : « puisque les scientifiques ne sont pas certains, il serait déraisonnable d'agir ». Il ne résiste pas à l'examen.

D'abord, l'incertitude joue dans les deux sens. Si la sensibilité climatique est comprise entre $2, 5$ et $4° C$ , il est aussi possible qu'elle soit haute que basse — et les conséquences sont bien plus graves du côté haut. En situation d'incertitude, on protège du pire, on ne parie pas sur le meilleur : c'est ainsi que raisonne toute assurance.

Ensuite, aucune décision humaine n'est jamais prise en certitude. On installe des détecteurs de fumée sans être certain d'un incendie. Exiger une certitude absolue avant d'agir n'est pas une exigence scientifique : c'est un moyen efficace de ne jamais agir.

Enfin, l'incertitude ne porte pas sur le diagnostic. Que le réchauffement soit en cours et d'origine humaine n'est plus incertain. Ce qui l'est, c'est l'ampleur exacte et la répartition régionale des conséquences.

3.6.3 Ce que la science dit, ce que la société choisit

C'est la distinction la plus importante de ce chapitre, et la plus difficile à tenir.

Relève de la science

Relève des choix collectifs

Le dioxyde de carbone absorbe l'infrarouge.

Faut-il taxer les émissions ?

Les émissions humaines sont la cause dominante du réchauffement observé.

Quelle part de l'effort revient à chaque pays ?

Si les émissions cumulées atteignent tel niveau, le réchauffement atteindra tel

autre.</td><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Quel niveau de réchauffement accepte-t-on ?</td></tr><tr style=""><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Le niveau de la mer montera d'au moins $28 c m$ d'ici $2100$ .</td><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Faut-il construire des digues, déplacer des habitants, ou laisser faire ?</td></tr><tr style="border-bottom:1.5px solid #2E2C26"><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Une centrale nucléaire émet peu de dioxyde de carbone par kilowattheure et produit des déchets à vie longue.</td><td style="text-align:left;padding:8px 12px;color:#34332D;vertical-align:top">Faut-il en construire ?</td></tr></table></div>

Un scientifique qui déclare « il faut fermer les centrales à charbon » sort de sa compétence — non parce que la conclusion serait fausse, mais parce qu'elle mêle un fait et une valeur. Il peut légitimement dire : « fermer les centrales à charbon réduirait les émissions de tant, avec telles conséquences pour l'emploi et la sécurité d'approvisionnement ». Le « il faut » appartient au débat démocratique, informé par ces faits.

Symétriquement, un citoyen qui déclare « je ne crois pas au réchauffement » confond une opinion et un fait. On ne croit pas plus au réchauffement climatique qu'on ne croit à la gravitation : on peut examiner les preuves, les discuter, en demander d'autres. Croire ou ne pas croire n'est pas ici la bonne catégorie.

3.7 Histoire des sciences : qui produit le savoir climatique ?

Le savoir climatique n'est pas produit par une personne ni par un laboratoire : il l'est par une organisation internationale à trois étages, née progressivement au XX^e siècle.

Mesurer : l'Organisation météorologique mondiale.

Fondée en $1950$ et devenue agence spécialisée des Nations unies l'année suivante, elle succède à une organisation internationale créée dès $1873$ — la coopération météorologique est l'une des plus anciennes qui soient, pour une raison évidente : les nuages ne s'arrêtent pas aux frontières. Elle coordonne les réseaux d'observation, fixe les normes de mesure et garantit que les données de tous les pays soient comparables. Sans cette normalisation, il n'existerait aucune série mondiale de température.

Chercher : les programmes mondiaux de recherche.

Le Programme mondial de recherche sur le climat, lancé en $1980$ , organise la coopération entre laboratoires : c'est dans ce cadre que sont définis les exercices de comparaison des modèles, avec des protocoles communs qui rendent les simulations de tous les groupes confrontables. Les modèles français, britanniques, américains, chinois, japonais y tournent sur exactement les mêmes scénarios.

Évaluer : le GIEC.

Créé en $1988$ par l'Organisation météorologique mondiale et le Programme des Nations unies pour l'environnement, le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat ne fait aucune recherche et ne produit aucune donnée. Son travail est d'évaluer la littérature scientifique publiée : des centaines d'auteurs bénévoles, choisis par les États, lisent et synthétisent des dizaines de milliers d'articles. Chaque chapitre passe par plusieurs cycles de relecture ouverte, et les commentaires — plusieurs dizaines de milliers par rapport — sont publiés avec les réponses des auteurs. Le résumé à l'intention des décideurs est en outre approuvé ligne à ligne par les représentants des États, ce qui garantit qu'aucun gouvernement ne pourra ensuite dire qu'il ne savait pas. Le sixième rapport d'évaluation a été publié entre août $2021$ et mars $2023$ .

Décider : la Convention et les COP.

La Convention-cadre des Nations unies sur les changements climatiques est adoptée au Sommet de la Terre de Rio en $1992$ . Ses parties se réunissent chaque année en Conférence des Parties — les fameuses COP. Le protocole de Kyoto est adopté à la COP3 en $1997$ , l'Accord de Paris à la COP21 le $12$ décembre $2015$ .

iRemarqueUn dispositif critiquable, et critiqué

Ce dispositif n'est pas parfait, et il est légitime de discuter ses défauts : la lenteur des négociations, l'absence de sanctions, la sous-représentation des chercheurs des pays du Sud dans les auteurs du GIEC, l'influence des États sur la rédaction des résumés. Mais il faut distinguer deux critiques. Reprocher au processus diplomatique son inefficacité est une critique politique, souvent fondée. Reprocher au processus scientifique son manque de rigueur en est une autre, qui doit alors s'appuyer sur des éléments précis — un article mal cité, une donnée mal traitée — et non sur une intention supposée.

L'approbation politique du résumé, en particulier, est souvent présentée comme une preuve de politisation. Elle mérite un examen plus attentif : les États ne peuvent pas modifier les chapitres scientifiques sous-jacents, et l'expérience montre que leur intervention tend plutôt à affaiblir les formulations qu'à les durcir. Le résumé du GIEC est donc, en général, la version la plus prudente de ce que dit la littérature.

3.8 Bilan

Ce qu'il faut savoir

Un modèle climatique repose sur deux piliers : la mise en équation des mécanismes essentiels agissant sur le système Terre, et des méthodes numériques de résolution.
Pour évaluer un modèle — le valider ou le faire évoluer — on compare ses résultats aux observations de terrain, aux observations spatiales et à la connaissance des paléoclimats.
Ces modèles, nombreux et indépendants, produisent des projections climatiques ; après avoir correctement anticipé les évolutions des dernières décennies, ils estiment les variations climatiques globales et locales à venir sur des décennies ou des siècles.
L'analyse combinant observations, éléments théoriques et modélisations permet de conclure que l'augmentation de température depuis le début de l'ère industrielle est liée à l'activité humaine : dioxyde de carbone issu de la combustion de substances carbonées fossiles, artificialisation des sols, calcination des carbonates ; méthane issu des fuites de gaz naturel ou de pétrole, de la fermentation dans les décharges et de certaines activités agricoles.
Les modèles s'accordent à prévoir, avec une forte probabilité d'occurrence : un réchauffement de $1, 5$ à $5° C$ avant la fin du siècle ; une élévation du niveau des océans pouvant atteindre le mètre ; des modifications des régimes de pluie et des évènements extrêmes ; une acidification des océans ; des incidences majeures sur les écosystèmes terrestres et marins.

Ce qu'il faut savoir faire

Mettre en évidence le rôle des différents paramètres de l'évolution climatique, en exploitant un logiciel de simulation ou par la lecture de graphiques : faire varier un paramètre à la fois et comparer à une simulation de référence.
Exploiter les résultats d'un modèle climatique pour justifier que certaines corrélations sont explicables par des liens de cause à effet : le modèle privé de la cause supposée ne reproduit plus l'effet observé.
Lire un faisceau de projections en distinguant ce qui dépend du scénario — donc des choix humains — de ce qui dépend de l'état des connaissances.
Traduire le vocabulaire calibré des probabilités employé par le GIEC.

Quatre repères à retenir

$1, 5$ à $5, 7° C$ : l'éventail des projections pour $2100$ . $3° C$ : la meilleure estimation de la sensibilité climatique pour un doublement du dioxyde de carbone. $500$ gigatonnes de $CO X_{2}$ : le budget restant à partir de $2020$ pour une chance sur deux de tenir $1, 5° C$ . $28 c m$ : l'élévation minimale du niveau de la mer en $2100$ , quoi que l'on fasse.

Ce que ce chapitre dit de la science elle-même

Il n'existe pas de seconde Terre. C'est cette impossibilité qui a obligé la climatologie à inventer sa méthode : construire un système d'équations à partir de lois vérifiées ailleurs, le faire tourner sur des climats connus pour vérifier qu'il ne ment pas, puis seulement lui demander l'avenir. L'expérience que la nature refuse, l'ordinateur la fournit — à condition de l'avoir d'abord soumis à la nature.

Ce chapitre montre aussi ce qu'est une science honnête devant l'incertitude. Elle ne la cache pas, elle la mesure : des fourchettes, un vocabulaire calibré, une distinction explicite entre ce qui relève des connaissances et ce qui relève des choix. Et elle accepte le test le plus rude qui soit : publier une prédiction datée, puis attendre quarante ans de voir si elle tient.

Reste le point qu'aucun modèle ne calculera jamais. Les projections dessinent plusieurs avenirs, tous physiquement possibles. Celui qui adviendra ne sera pas choisi par les équations : il sera choisi par des sociétés. La science éclaire la décision ; elle ne la prend pas. Comprendre cette frontière, c'est peut-être le savoir le plus utile que ce chapitre puisse transmettre à un citoyen.

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