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La Terre, une planète fragile

La Terre selon David A.Hardy.

La climatologie (I)

Ainsi que l'illustration de David A. Hardy présentée à droite le représente bien, la Terre est un présent qui nous est offert, mais un présent dont il faut prendre soin en raison de sa fragilité; une action trop violente ou inconsidérée peut en effet le briser. Telle est la situation dans laquelle se trouve aujourd'hui la Terre et ses habitants : notre biosphère subit la plus importante transformation climatique et environnementale qu'elle ait connue depuis 200 millions d'années. Si nous n'y prenons garde, des évènements incontrôlables se produiront au cours de ce siècle.

Ce constat n'est pas un ultimatum mais une prise de conscience. Si ensemble, avec les hommes de décision nous rétablissons l'équilibre du vaissseau Terre, nous aurons tiré la leçon de cette première alarme de l'ère industrielle. A nous maintenant d'aider dame Nature. C'est l'un des objectifs du développement durable.

Focalisons-nous sur l'un de ses acteurs dont l'impact est le plus important, le climat.

L'étude du climat

Pour étudier les effets du climat sur l'environnement et plus généralement sur la biosphère, nous devons "mettre le climat en équations". Mais comment procéder ? Pour étudier l’évolution des climats et établir des prévisions météorologiques à longs termes, les théoriciens ont divisé l'atmosphère terrestre (et partiellement sa surface ainsi que les océans) en mailles plus ou moins resserrées tant en longitude qu'en altitude en fonction de la puissance des ordinateurs. Les phénomènes thermodynamiques qui se produisent dans chaque cellule sont ensuite globalisés dans chaque maille. Ceci leur permet de travailler sur des modèles opérationnels.

Le principal inconvénient de cette intégration est de simplifier les équations. De plus, l’influence des océans est souvent négligée car la puissance de calcul et la capacité des ordinateurs sont limitées.

Ces modèles incorporent les paramètres physiques standards (température, pression, humidité) ainsi que les équations de Navier-Stockes qui décrivent les mouvements des fluides visqueux. Ces valeurs obéissent bien entendu aux lois classiques de la physique et de la chimie. La solution de ces modèles représente les prévisions météorologiques numériques.

A consulter : The Weather Channel (climatologie par ville)

Forum climatologie sur Météo Belgium

Classification des climats de Köppen, 2001

A gauche, les différents climats de la Terre. Ils dépendent de la quantité de rayonnement solaire, de la circulation des masses d'air, de facteurs géographiques comme la présence de reliefs et des interactions entre les continents, les océans et l'atmosphère. Document Le livre scolaire. A droite, le modèle global GME développé par le centre DWD en Allemagne. Il fut replacé en 2015 par le modèle ICON (Icosahedral Nonhydrostatic) dont la résolution est de 13 km. D'autres modèles travaillant à l'échelle régionale comme Arôme de Météo France atteignent une résolution de 1.3 km.

Mais les prévisions météos et le climat sont deux choses différentes. Les premières visent à prévoir les conditions météos du lendemain ou à quelques jours tandis que la climatologie étudie son évolution à long terme pour dégager des tendances comme par exemple un changement global de régime suite à l'augmentation de l'effet de serre. Les prévisions météos portent leurs effets à court terme et concernent directement les activités humaines tandis que l'étude du climat concerne essentiellement le long terme et intéresse les scientifiques dont les découvertes peuvent influencer certaines décisions politiques, notamment celles touchant les questions d'écologie et d'environnement.

On a tendance à croire que les facteurs écologiques qui dominent le climat sont les feux de forêts et les feux des puits de pétrole tels ceux qui brûlèrent au cours de la Guerre du Golfe au Koweït en 1991 où on estime que plus d'un milliard de barils de pétrole ont brûlé et pollué l'atmosphère. Très spectaculaires, ils dégageaient en effet beaucoup de gaz carbonique et de cendres, au point d'obscurcir totalement l'atmosphère de cette région, mais on constate chaque fois que ces catastrophes n’ont de conséquences que localement.

Malgré leur côté spectaculaire, les incendies d'hydrocarbures sont des phénomènes locaux qui créent peu voire aucun effet climatique comparés aux éruptions volcaniques. A gauche, l'incendie des puits de pétrole au Koweit par l'armée de Saddam Hussein au cours de la Guerre du Golfe en février 1991. Il y avait par endroit tellement de fumées d'hydrocarbures, qu'en plein midi il faisait aussi sombre qu'en pleine nuit ! La reconstruction de l'économie Kowétienne après l'incendie des 640 puits de pétrole coûta environ 22 milliards de dollars US, le quart du prix de la Guerre du Golfe (sans parler du million de victimes Irakiennes). Au centre et à droite, le plus grand incendie qu'ait connu l'Europe en temps de paix, celui du dépôt de carburant de Buncefield (où se trouve notamment le terminal d'Esso, BP, Shell, Texaco, etc) situé près de Hemel Hempstead à 40 km au nord de Londres. Les deux images ont été prises le 11 décembre 2005, celle de droite à 13h35 locale par le satellite Terra. Sur l'image originale la résolution est de 250 m/pixel (417m/pixel sur l'agrandissement présenté). L'incendie enflamma 20 cuves et dura 3 jours avec un risque latent d'explosion des autres citernes. La détonation fut entendue environ 20 minutes plus tard sur la côte belge. Les vents de nord-ouest soufflèrent d'abord le nuage d'hydrocarbures vers le continent, mais il se dissipa rapidement au-dessus de l'Atlantique le 13 décembre. On ne rapporte aucune intoxication ou décès mais 43 personnes furent légèrement blessées. L'incendie de Buncefield suspendit l'activité de près de 400 entreprises implantées dans la zone industrielle, un coup dure à l'approche de Noël. Documents Sgt Rés.Gary Kieffer/US Army, AFP et NASA Earth Observatory.

A l’inverse, les fumées qui s’échappent de nos usines et les fumées d’échappements que nous rejetons jour après jour dans l’atmosphère ont des effets plus sournois car ils modifient le climat en profondeur. Et contrairement aux apparences, à part les usines, ce ne sont pas les voitures, les camions ou les avions qui polluent le plus mais les navires de croisières et surtout les porte-conteneurs géants dont la flotte est en expansion. On y reviendra à propos de l'après-Kyoto.

L'influence (très faible) des volcans sur le climat

Tous les rejets de fumées dans l'atmosphère ne produisent pas nécessairement d'effets climatiques. Ainsi, bien que très spectaculaires, les incendie de forêts, des puits de pétrole ou des dépôts de carburant ne produisent aucun effet sur le climat. En revanche, les éruptions des volcans gris (éjectant des cendres plutôt que de la lave) peuvent ravager des millions d’hectares en quelques minutes ou en quelques semaines et influencer le climat à différents degrés. Malheureusement nous ne disposons d'aucun moyen pour interrompre leur activité et ne pouvons que subir leurs effets au fil des millénaires.

Panache de fumée émis par le volcan Eyjafjallajoekull en Islande le 28 mai 2010. Cette fumée cloua au sol durant 5 jours tous les avions au départ et à destination de l'Europe (cf.le blog). Document ESA.

L'éruption d'un volcan gris comme celui du Pinatubo en 1991 projeta des cendres et des poussières jusqu'à 40 km d'altitude, des coulées pyroclastiques portées à 800°C dévalèrent de ses pentes et il entraîna finalement la mort de 847 personnes.

Les volcans gris en particulier influencent le climat durant des mois voire des années car ils déversent dans l'atmosphère des milliards de mégatonnes de cendres et des poussières très légères qui mettent des années à retomber tandis que les microscopiques gouttelettes d'eau en suspension dans les nuages réfléchissent la lumière solaire, provoquant un refroidissant des basses couches et de la surface terrestre. Mais ce changement climatique est peu important et temporaire.

Suite à l'éruption du Pinatubo en 1991, les climatologues considèrent qu’il fallut environ 5 ans pour que les cendres volcaniques retombent sur le sol. Pendant ce temps la température moyenne du globe chutant de 0.5°C. Aux latitudes élevées la chute moyenne de la température globale atteignit 1.5°C[1].

Il est certain que dans le passé la Terre connut périodiquement ce type de catastrophes et des bien plus graves encore, telle l'éruption du Santorin, du Toba, du Yellowstone ou pire, l'impact de Chicxulub. Heureusement, elle sut retrouver son équilibre mais non sans subir la perte de millions d’espèces vivantes et en remodelant sa surface.

Selon le volcanologue italien Dario Tedesco de l'Université de Naples Second (Naples II), le Nyiragongo (3470 m) qui est le plus grand volcan de la planète avec un cratère de 1 km de diamètre abritant un lac de lave émet autant de dioxyde de carbone que les 450 volcans actifs réunis, ce qui représente également l'équivalent de toutes les émissions de dioxyde de carbone des industries européennes ! Ce volcan est donc non seulement le plus grand pollueur naturel et un influenceur du climat, mais un tueur en puissance.

Quant à prétendre comme les climatosceptiques que les volcans sont les principaux émetteurs potentiels de gaz carbonique et donc qu'ils participent majoritairement au réchauffement du climat, cette théorie est fausse. Une étude publiée en 2019 dans le cadre du projet "Deep Carbon Observatory" (Deep Carbon.net) a montré qu'entre 2005 et 2017 l'Homme produisit entre 40 et 100 fois plus de gaz carbonique que tous les volcans terrestres en activité (cf. A.Aiuppa et al., 2019). Les émissions volcaniques de CO2 ne représentent qu'environ 0.3 Gt/an soit à peine 0.8% comparés aux 39 Gt/an produites par l'Homme en une année !

Le cycle des glaciations

Les périodes de glaciations ont également lourdement affecté l'évolution du climat et des créatures qui peuplaient la Terre. Peu après la première guerre mondiale (1920-1941), l'astronome serbe Milutin Milankovitch démontra que le cycle des glaciations trouve son origine dans des variations de l'excentricité de l'orbite terrestre (liée à l'influence gravitationnelle des planètes géantes), de l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre (la nutation) et de sa précession (la rotation de cet axe) dont les périodes sont respectivement de 100000, 40000 et 20000 ans. Sur ces variations à relatives courtes périodes se superpose un cycle qui s'étend sur des millions d'années.

Depuis 1978, grâce aux travaux du professeur belge André Berger[2], astronome et physicien de l'Université Catholique de Louvain-La-Neuve, nous connaissons aujourd'hui parfaitement l'évolution du climat de la Terre depuis 1.5 million d'années.

En convertissant les valeurs d'excentricité, de précession et d'inclinaison de l'axe de la Terre en termes d'insolation, puis en comparant ces résultats aux données géologiques, l'équipe de Berger est par exemple parvenue à démontrer que les fréquences des courbes d'insolation sont stables depuis 10 millions d'années. En revanche, aucune corrélation n'a pu être établie avec le cycle de 11 ans de l'activité solaire ou avec le cycle réduit de 900 ans de l'excentricité orbitale.

Les principales ères et périodes glaciaires depuis 2.5 milliards d'années. Document S.Coutterand/CNRS.

En réalité, ainsi que nous l'avons dit implicitement, la Terre n'est pas seulement sensible aux contraintes astronomiques mais également à quantité de facteurs thermodynamiques.

Ainsi pour le paléoclimatologue, la position d'une plaque continentale à une certaine époque peut empêcher une glaciation; en fonction de la latitude la circulation océanique ou atmosphérique peut créer des changements de température et de la quantité de précipitations (uniformisation ou différenciation), phénomène que nous connaissons aujourd'hui sous le nom de phénomène El Niño ou El Niñas; la biosphère peut modifier la composition chimique de l'atmosphère (effet de serre); enfin l'albedo peut influencer l'énergie servant à la "fabrication" du climat.

Toutes ces considérations permettent par exemple aux chercheurs d'affirmer qu'il y a 900000 ans[3], époque à laquelle vécu l'Homo erectus, il y eut une baisse globale de température de 3°C et une baisse de 100 mètres du niveau des océans.

Inversement, à l'époque de l'Homo sapiens il y a 125000 ans, l'insolation de juillet était 12% supérieure à celle d'aujourd'hui. Cent sept mille ans plus tard, il y a 18000 ans, à l'époque de l'homme de Cro-Magnon, il y eut une baisse moyenne de 4°C dans l'Atlantique Nord. Ce fut la dernière période glaciaire. Tout indique cependant qu'il y en aura d'autres à l'avenir, mais rassurez-vous elles se produiront dans quelques dizaines de milliers d'années seulement. Ceci dit, entre-temps on peut toujours subir des périodes de refroidissement. On y reviendra.

Les variations naturelles de la température globale moyenne à la surface de la Terre depuis 66 millions d'années. Document T.Westerhold et al./CENOGRID (2020) adapté par l'auteur.

Glaciation et séquestration du gaz carbonique

 Étant donné que l'océan est le plus grand réservoir de carbone, des changements de la circulation océanique ont probablement joué un rôle clé dans les variations des concentrations du gaz carbonique dans l'atmosphère observées dans les archives des carottes de glace (voir page 3). Cependant, jusqu'à présent nous n'avions pas une compréhension mécanique du rôle des océans dans la régulation du gaz carbonique sur des échelles de temps de millions d'années.

Pour comprendre comment fonctionne le processus de glaciation et son déclenchement, Alice Marzocchi, aujourd'hui au Centre national océanographique du Royaume-Uni, et Malte F. Jansen, auteur d'une précédente étude sur le sujet, ont analysé les résultats de reconstitutions paléo-océanographiques et ont découvert que la distribution des masses océaniques à l'échelle mondiale subit d'importants réarrangements glaciaires et interglaciaires au cours des derniers 2.5 millions d'années. Les résultats de cette étude furent publiés dans la revue "Nature Geoscience" en 2019.

L'île d'Ellesmere à l'extrême nord du Canada (80°N, 79°O). A l'exception du climat qui s'est adouci et de la fonte des glaces, ce paysage ne diffère pas de celui de l'époque glaciaire. Document Luke Copland.

Les chercheurs ont réalisé des simulations numériques d'un âge glaciaire de la mer-océan à partir d'un modèle de circulation générale à un seul bassin, imposé uniquement par le refroidissement atmosphérique afin de prédire les schémas de circulation océanique associés à une séquestration accrue du carbone atmosphérique au fond des océans.

Dans leur simulation, l'atmosphère se refroidit suffisamment pour que la banquise Antarctique se forme. On sait que l'océan Austral qui entoure l'Antarctique joue un rôle essentiel dans la circulation océanique, car c'est une région où les eaux profondes remontent en surface avant de disparaître à nouveau dans les abysses. Par conséquent, l'augmentation de la banquise Antarctique a des effets significatifs sur le climat.

Les chercheurs ont découvert que dans de telles conditions, les eaux profondes de l'Antarctique sont plus isolées de la surface de la mer en raison de la combinaison de deux facteurs : la réduction des échanges gaz-air sous la glace de mer autour de l'Antarctique et un mélange plus faible avec les eaux profondes de l'Atlantique Nord en raison d’une interface moins profonde entre le sud de l'Antarctique et les masses d'eau provenant du nord.

Si la couche de glace modifie la circulation océanique, elle empêche également physiquement l'échange de dioxyde de carbone avec l'atmosphère. Cela signifie que de plus en plus de carbone est séquestré au fond des océans et y reste. Moins de dioxyde de carbone dans l'atmosphère entraîne un refroidissement de la planète. Selon Marzocchi, "cela suggère que c'est une boucle de rétroaction. À mesure que la température baisse, moins de carbone est libéré dans l'atmosphère, ce qui accentue le refroidissement." Ces changements physiques suffisent à eux seuls à expliquer l'abaissement d'environ 40 ppm du CO2 atmosphérique, soit environ la moitié de la variation glaciaire-interglaciaire.

Ces résultats soulignent que le refroidissement atmosphérique pourrait avoir directement provoqué la réorganisation des masses d'eau profonde des océans et par conséquent, la réduction du CO2 glaciaire. Cela constitue un pas important vers une image cohérente des climats glaciaires.

Eau de fonte glaciaire et séquestration du gaz carbonique

Si la banquise favorise la séquestration du CO2 au fond des océans en réduisant les échanges gaz-air, paradoxalement les eaux de fonte glaciaire participent également à la séquestration du gaz carbonique.

Dans une étude publiée dans les "PNAS" en 2019, le biogéochimiste Kyra A. St. Pierre de l'Université d'Alberta et ses collègues ont montré qu'à mesure que les glaciers se retirent (ou avancent) au fil des ans, ils forment de grandes quantités de sédiments très fins qui s'ouvrent sur le paysage. Les eaux de fonte glaciaires entrainent ces sédiments, les enrichissant en minéraux. Ces rivières d'eau de fonte alimentent ensuite des lacs glaciaires riches en minéraux. Le dioxyde de carbone peut alors couler librement à la surface de l'eau, l'eau de fonte pouvant à la fois absorber ou libérer ce gaz.

Le lac Hazen sur l'île d'Ellesmere à l'extrême nord du Canada (Nunavut, 81.8°N 70.4°O). Document K.A.St.PIerre et al. (2019).

Dans une rivière ordinaire, les organismes consomment des matières organiques et émettent du CO2. Ainsi, la rivière devient un producteur net de carbone car elle est saturée de CO2, ce qui fait que l'eau ne peut plus dissoudre le CO2 présent dans l'air. Il en va de même pour les étangs et les lacs du monde entier : ce sont des émetteurs de gaz à effet de serre.

En revanche, les eaux de fonte glaciaires n'ont pas cette "respiration organique"; elles peuvent donc dissoudre davantage de CO2 présent dans l'air. Les sédiments que l'eau de fusion ramasse au cours de son périple consomment à leur tour le CO2 dissous dans l'eau. Selon St. Pierre, "les sédiments se mélangent dans l’eau et se mélangent au dioxyde de carbone de l’atmosphère, ce qui modifie la composition chimique de la rivière lorsqu’elle se déplace en aval.". Lorsque les sédiments réagissent avec le CO2, une partie de la matière se dissout, de sorte que la rivière ou le fleuve lui-même devient un important puits de carbone.

Selon les chercheurs, au cours de la saison de fonte relativement basse de 2016, les rivières du bassin versant Arctique du lac Hazen situé sur l'île de Ellesmere à l'extrême nord du Canada (Nunavut, 81.8°N 70.4°O) ont consommé chaque jour deux fois moins de carbone par mètre carré que la forêt amazonienne. Mais l'année précédente, qui a vu une fonte des glaces trois fois plus importante, sur une longueur de 42 km les rivières ont consommé en moyenne deux fois plus de CO2 que l'Amazone ! À un moment donné, les eaux de fonte capturaient 40 fois plus de CO2 que l'Amazonie par mètre carré ! Ceci dit, la comparaison s'arrête là car la forêt amazonienne s'étend sur 2 millions de kilomètres carrés, une étendue qui éclipse la petite taille de ce bassin versant Arctique.

Bien sûr, les conclusions de cette étude ne signifient pas que les pollueurs peuvent profiter des eaux de fonte des glaciers pour continuer à émettre des gaz à effet de serre. Certes, ces rivières et ces lacs absorbent du CO2, mais en même temps il y a également d'autres changements en Arctique qui accentuent le dégagement de CO2 suite au réchauffement du climat. Ainsi, comme en Russie, le dégel du permafrost est en train de libérer du dioxyde de carbone (et du méthane), dont les quantités et les effets ne peuvent pas être compensés par la séquestration dans ces rivières et ces lacs glaciaires.

Les archives paléoclimatiques

Dans la vaste science qu'est la paléontologie, d'autres témoins du passé viennent confirmer ces évènements. Tout le monde connaît la dendrologie, l'étude des cernes de croissance des arbres. Les immenses séquoias de Californie par exemple (Sequoiadendron giganteum) qui peuvent s'élever jusqu'à 88 m de hauteur pour une largeur de 8 m à la base couvrent 8500 ans d'histoire, la cellulose s'imprégnant de l'amplitude des précipitations et de l'activité solaire année après année.

Les témoins des variations climatiques du passé

Corail rouge (Gorgone) Golfe de Phuket, Philippe Grégoire

Test de foraminifère, plage de Ravenne (I),

Le Naturaliste

Pollen de marguerite au microscope, Université de Jussieu.

Cernes d'un acacia (sp. Robinia pseudoacacia), INRP

Spéléothème

d'un stalagmite

de Belgique

Trilobite phacops rana du Dévonien (521-325 Ma),

Collection T.Lombry.

En minéralogie, il y a également les grands stalactites et stalagmites dont les lamines semi-circulaires de croissance appelées spéléothèmes renferment des données sur l’état climatique de la grotte et de sa région parfois durant plusieurs dizaines de millions d’années; les glaces polaires qui, par carottage, nous renseignent sur la température et la composition de l'atmosphère des 150000 dernières années; les coraux (la sclérochronologie) qui nous informent sur les variations de température et le niveau des mers tropicales depuis 100000 ans; les pollens des tourbières (palynologie) qui témoignent de la couverture végétale des 300000 dernières années; enfin les fonds océaniques et les roches sédimentaires avec leurs lots de fossiles (paléontologie) dont ceux des foraminifères qui permettent de tracer l'évolution de la Terre et des organismes ainsi que la chimie des océans sur des durées se chiffrant en dizaines de millions d'années et localement en milliards d'années.

Si les reconstitutions climatiques d'André Berger coïncident assez bien avec le passé, nous sommes tout naturellement tenté d'envisager les conséquences à longs termes des modifications que nous introduisons dans le climat. Ce sera l'objet des prochains chapitres.

Prochain chapitre

Le climat sous influences

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[1] R.Kerr, Science, 259, 1993, p594 - P.Minnis et al., Science, 259, 1993, p1411.

[2] A.Berger, "Climatic variations and variability: facts and theories", Reidel, Dordrecht, 1981.

[3] La datation est réalisée au carbone-14 corrigé.


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