L’histoire du changement climatique permet de deviner ce que sera le futur de la Terre

Cet article a été publié initialement sur le site de la revue Knowable Magazine from Annual Reviews et traduit avec leur aimable autorisation.

Le passé de la Terre ne ressemblait pas à son présent. Nous savons maintenant que la Terre a été plus ou moins chaude qu'aujourd'hui, et plus ou moins froide. Et nous savons également qu'aujourd'hui, les hommes modifient le climat : ils réchauffent la planète et créent un avenir inconnu. Mais comment sommes-nous parvenus à ces connaissances ? Eh bien, dans leur quête pour découvrir les secrets d'hier, les chercheurs nous ont donné un aperçu unique de demain.

Sidney Hemming, géologue historique à l'université de Columbia : "Cela donne à réfléchir, car nous devons nous préoccuper de l'avenir. Mais d'un point de vue purement intellectuel, c'est extrêmement passionnant et intéressant. C'est un projet de recherche très amusant, qui consiste à essayer de reconstituer ce qui s'est passé dans le passé et pourquoi cela s'est passé".

Il est difficile de déterminer quand les gens ont suggéré pour la première fois que d'immenses calottes glaciaires s'étendaient autrefois bien plus loin dans l'hémisphère nord qu'aujourd'hui. Mais au cours du 19e siècle, les preuves se sont accumulées. Une fois que vous les cherchez, les indices de ces conditions passées sont partout : le mystérieux affouillement des surfaces rocheuses, les blocs que seul un glacier aurait pu transporter et laisser derrière lui, ou les fossiles de mammifères adaptés au froid. Les mammouths laineux en sont un exemple particulièrement frappant. 

En fait, au XXe siècle, il était clair qu'il n'y avait pas eu une seule période glaciaire, mais plusieurs. Ce qui n'était pas clair, cependant, c'était pourquoi.

Richard Alley, géoscientifique à l'Université d'État de Pennsylvanie : "Donc les périodes glaciaires se sont avérées être une des parties les plus compliquées de l'histoire de la Terre. Et il y a tellement de parties en mouvement que ça a été vraiment difficile à démêler. Nous savons que la glace est devenue plus grande et plus petite : Quand ? Combien de fois ?"

Une théorie - peut-être en avez-vous entendu parler - tourne autour de ce qu'on appelle les cycles de Milankovitch, du nom du scientifique serbe Milutin Milankovitch, qui a affiné les calculs clés il y a environ un siècle. La théorie proposait que de subtils changements dans l'orbite de la Terre autour du Soleil pouvaient entraîner des périodes où l'hémisphère nord recevait moins de lumière solaire, ce qui provoquait une accumulation de glace au fil des ans. En d'autres termes, provoquer une période glaciaire. Mais au milieu du 20e siècle, de nombreux scientifiques étaient encore sceptiques quant à savoir si une théorie aussi fantaisiste pouvait réellement expliquer les périodes glaciaires. Comme un chercheur l'a dit en 1952 :

La théorie ne peut pas rendre compte des changements passés. Les effets sont trop faibles et la chronologie de l'apparition des glaciations est si incertaine que toute correspondance semble fortuite.

En d'autres termes, il s'agissait d'une belle théorie, mais il n'y avait aucune raison de penser que l'orbite de la Terre pouvait être à l'origine du refroidissement de la planète. Et le fait que les chercheurs avaient encore du mal à déterminer la chronologie des périodes glaciaires n'a rien arrangé. Mais cela était sur le point de changer. Voici à nouveau Richard, qui a commencé sa carrière en scrutant le passé de la Terre dans les années 1970 :

Richard Alley : "Quand je suis arrivé dans le domaine, la capacité de découvrir ce qui s'est passé, et quand cela s'est passé, a vraiment explosé."

Pour ce faire, les chercheurs devaient apprendre à lire les indices que le passé a laissés derrière lui. Pour cela, il faut bien sûr disposer des outils et des connaissances nécessaires pour comprendre ce que l'on regarde. Mais avant même cela, les scientifiques doivent savoir où regarder.

Richard Alley : "Les gens qui étudient l'histoire du climat ont désespérément besoin d'un enregistrement."

Le problème pour les enregistrements des périodes glaciaires était, eh bien, qu'il y avait eu plus d'une période glaciaire. Regarder où la glace s'est développée puis retirée ne pouvait révéler qu'une partie de l'histoire, puisque chaque nouvelle période glaciaire aurait piétiné l'histoire de ses prédécesseurs. Les chercheurs avaient besoin d'un enregistrement continu qui permette de saisir les détails et le calendrier de la dernière période glaciaire et de celles qui l'ont précédée - à partir d'un endroit où l'histoire du climat s'est construite au fil du temps.

Richard Alley : "Dans l'océan, presque partout, les choses s'accumulent. Elles ne sont pas érodées. Les choses vivent dans l'eau de surface coulent et s'empilent sur le fond. Et vous pouvez sortir en bateau. Vous prenez une foreuse glorifiée, vous pouvez le faire tourner dans la boue et ensuite le remonter. Et puis vous pouvez obtenir un enregistrement à partir de cela".

Extraire ces carottes désordonnées des profondeurs de l'océan sans perturber les couches et détruire ainsi les enregistrements représentait un énorme défi technique. Mais la récompense était un livre détaillé sur l'histoire du climat. Chaque couche de sédiments représente un chapitre du passé de la Terre, et plus la couche est profonde, plus elle a été déposée loin dans le temps. Mais les chercheurs ont dû apprendre à lire les pages de ces livres.

Une astuce vient de la datation radioactive. Certains atomes se désintègrent, et le font toujours au même rythme. Ainsi, en calculant la fraction d'atomes qui se sont désintégrés, les chercheurs peuvent dater l'échantillon. Ainsi, en appliquant cette technique, une chronologie a pu être calculée pour une carotte de sédiments provenant du fond de la mer.

Une fois qu'ils ont établi les dates, les scientifiques devaient trouver un moyen d'identifier les signes de croissance et de décroissance des couches de glace dans la carotte. Et encore une fois, cela s'est résumé à une astuce atomique. L'eau est, bien sûr, la molécule H2O. Mais le O - oxygène - peut être de différents "isotopes". Il y en a deux qui intéressent particulièrement les géologues, l'un légèrement plus lourd que l'autre. Le plus léger s'évapore plus facilement des océans. Cela signifie que les chutes de neige sont également composées de manière disproportionnée d'isotopes légers, de sorte que lorsque les calottes glaciaires se développent, elles retirent effectivement l'isotope léger de l'océan, laissant les mers plus concentrées en isotopes lourds. 

Ce rapport entre les isotopes les plus lourds et les plus légers dans l'océan se retrouve dans les coquilles de minuscules planctons, qui tombent au fond de l'océan lorsqu'ils meurent, s'accumulant dans les couches de sédiments au fil des ans, que les chercheurs peuvent extraire sous forme de carottes.

Richard Alley : "Et vous pouvez regarder en arrière à travers les multiples âges de la glace et vous pouvez voir la glace devenir de plus en plus grande, et l'océan devenir de plus en plus petit, et la température changer quand la glace est plus grande que le monde entier est plus froid."

Des preuves aussi puissantes provenant d'une carotte du fond de l'océan ont été publiées pour la première fois en 1973, et la chronologie avait quelque chose de remarquable. Les périodes glaciaires semblaient s'aligner avec les caractéristiques de l'orbite de la Terre. Longtemps considéré comme invraisemblable par beaucoup, ce phénomène s'est ajouté à un ensemble croissant de preuves que les cycles de Milankovitch étaient effectivement à l'origine des périodes glaciaires de la Terre. Voici à nouveau Sidney :

Sidney Hemming : "Trouver des preuves dans des enregistrements continus dont on pouvait démontrer qu'ils étaient approximativement rythmés comme prévu sur la base des variations orbitales - il ne fait aucun doute que cela a énormément changé la donne."

Mais le bon timing n'a pas suffi à faire disparaître complètement les doutes sur la théorie de Milankovitch. Comme le soulignait une revue de 1978 :

"Cependant, le mécanisme des liens entre l'atmosphère et la cryosphère avec ces variations du rayonnement solaire reste à démontrer en détail".

Cette étude était intitulée "Glacial Inception and Disintegration During the Last Glaciation" et publiée dans l'Annual Review of Earth and Planetary Sciences. L'un des aspects les plus remarquables de cette étude est toutefois ce qu'elle ne mentionne pas - l'une des choses qui vous vient probablement à l'esprit lorsque vous pensez aux changements climatiques : le dioxyde de carbone.

Dans les années 1970, l'importance du dioxyde de carbone pour le climat était bien comprise, et ce depuis des décennies. Sans une certaine quantité de ce gaz dans notre atmosphère, il était clair que la Terre serait beaucoup trop froide pour le confort humain. Mais l'idée d'un "réchauffement climatique" dû à la combustion de combustibles fossiles et aux émissions de CO2 n'était pas aussi largement discutée.

Sidney Hemming : "Donc, honnêtement, il y a 50 ans, cela aurait été avant, certainement la reconnaissance généralisée, qu'il y avait un problème."

En fait, certains chercheurs étaient déjà arrivés à la conclusion - et avaient averti les politiciens - que la combustion de combustibles fossiles pouvait dangereusement réchauffer le climat. Mais l'absence totale de CO2 dans la discussion de cette revue de 1978 révèle que l'importance de ce gaz à effet de serre n'était pas une priorité, même pour certains climatologues.

Cependant, une autre étude publiée la même année et dans la même revue, intitulée "Temporal Fluctuations of Atmospheric 14C : Causal Factors and Implications" (Fluctuations temporelles du 14C dans l'atmosphère : facteurs de causalité et implications), mentionne le rôle clé du CO2 et souligne l'importance d'estimer les conséquences de l'augmentation de la teneur en CO2 de l'atmosphère sur le climat futur de la Terre.

Et cette revue avait des réflexions importantes sur la façon dont nous pourrions arriver à comprendre ce climat futur :

En sciences de la terre, la prédiction de l'avenir dépend fortement de la connaissance du passé.

Ainsi, dans les années 1970, on savait que le dioxyde de carbone était important pour le climat actuel, mais cette compréhension n'était pas nécessairement partagée par la science du climat, et encore moins par la société en général. Et comme l'illustre la revue de 1978 sur la glaciation, cette importance ne figurait pas en bonne place dans les discussions sur les dernières périodes glaciaires. Après tout, pourquoi le serait-elle ? Comment le CO2 pouvait-il s'intégrer dans le puzzle reliant l'orbite de la Terre et les périodes glaciaires ?

En fait, pour certains chercheurs étudiant les cycles de refroidissement et de réchauffement de la Terre, ces carottes déterrées laissaient entrevoir une conclusion très différente de celle que nous craignons aujourd'hui.

Richard Alley : "La pensée initiale - et cela est sorti dans les années 1970, et si vous avez des auditeurs de ma génération, ils se souviennent peut-être de petits avertissements - que peut-être la prochaine période glaciaire était assez proche."

De tels avertissements - qui étaient en outre alimentés par la crainte des effets refroidissants des aérosols - ont été largement saisis par les journalistes. Mais il convient de faire quelques mises en garde. Tout d'abord, l'expression "assez proche" n'a pas la même signification pour les géologues que pour le reste d'entre nous - elle se réfère ici à des dizaines de milliers d'années. Deuxièmement, même dans les années 1970, il y avait beaucoup plus de recherches sur la menace du réchauffement climatique que sur le risque d'une période glaciaire imminente, ce qui indique que le réchauffement climatique était de plus en plus présent dans l'esprit des scientifiques.

Mais, alors que la chronologie des périodes glaciaires avait été élucidée de manière convaincante, on ne savait pas encore exactement ce qui expliquait cette chronologie. Comment ces subtiles modifications de la lumière solaire pouvaient-elles créer des changements aussi spectaculaires ? L'intrigue s'est épaissie lorsqu'il est devenu évident que la planète entière se refroidissait pendant les périodes glaciaires. Les cycles de Milankovitch suggéraient que lorsque l'hémisphère nord reçoit plus de lumière solaire, le sud en reçoit moins et vice versa. Il serait donc logique que le Sud se réchauffe alors que le Nord se refroidit. Mais, bien au contraire, les données ont montré que les deux pôles se réchauffent et se refroidissent en parallèle.

Richard Alley : "Et c'est très, très bizarre. Vous ne faites que déplacer le soleil, mais le monde entier se réchauffe, le monde entier se refroidit, pourquoi diable cela ?"

Pour obtenir une réponse à cette question, les chercheurs auraient besoin d'une autre carotte, où - une fois encore - les couches traceraient une ligne de temps dans le passé. Mais ce ne sont pas des couches de boue.

Sidney Hemming : "Eh bien, la connexion vraiment cruciale est la preuve de la carotte de glace."

Les carottes de glace creusées dans les couches de glace ou les glaciers contiennent des signaux qui permettent aux chercheurs de les dater et de déduire les températures historiques, tout comme leurs homologues de sédiments océaniques. Mais elles renferment un secret que les sédiments ne peuvent égaler : les bulles d'air. Lorsque la nouvelle neige tombe sur l'ancienne, elle colmate progressivement de minuscules interstices, emprisonnant l'air à l'intérieur. En creusant et en décongelant soigneusement cette glace, les scientifiques peuvent mesurer directement l'air ancien.

La station soviétique de Vostok, située au fin fond de l'Antarctique, a été la première à s'atteler à cette tâche. Cette station éloignée a combattu le froid extrême pour forer des kilomètres de profondeur dans la couche de glace de l'Antarctique oriental, révélant des centaines de milliers d'années d'histoire de la Terre. Au milieu des années 1980, l'analyse des bulles d'air contenues dans ces carottes a livré un message puissant : les concentrations de dioxyde de carbone dans l'atmosphère terrestre augmentaient et diminuaient en même temps que les températures de la Terre.

Cela a permis de compléter le tableau de la force motrice des périodes glaciaires : les variations de l'orbite de la Terre entraînent des changements saisonniers de l'ensoleillement dans l'hémisphère nord, ce qui provoque son refroidissement. Cela peut entraîner une baisse des concentrations de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, par exemple lorsque ce gaz se dissout dans l'océan. Et cela réduit à son tour la capacité de l'atmosphère à isoler la planète grâce à l'effet de serre, ce qui refroidit la planète entière. Et toutes ces étapes s'inversent pour provoquer la fin des périodes glaciaires. Grâce aux coquillages contenus dans les carottes de sédiments et à d'autres éléments, nous disposions déjà de preuves indirectes de la variation de la température au fil du temps, appelées "données indirectes". La découverte de ces fluctuations de CO2 a fourni le chaînon manquant, expliquant pourquoi les cycles de Milankovitch étaient si puissants et pouvaient refroidir le globe entier en parallèle.

Sidney Hemming : "Les enregistrements de l'Antarctique où la température proxy comparée à la composition des gaz est phénoménale, n'est-ce pas ? Cela montre vraiment le couplage très fort entre la température globale et la concentration de gaz à effet de serre. Et cela montre à quel point la concentration de dioxyde de carbone est aujourd'hui déréglée."

En effet, si le dioxyde de carbone peut jouer un rôle crucial dans des changements climatiques aussi spectaculaires que l'arrivée et le départ des périodes glaciaires, il peut certainement jouer un rôle dans le présent et l'avenir de la planète. Et, comme l'a expliqué Sidney, il était clairement déréglé. Aujourd'hui, les niveaux de CO2 sont environ 50 % plus élevés qu'ils ne l'étaient à n'importe quel moment dans ces carottes de glace - pendant les périodes glaciaires ou les périodes chaudes qui les séparaient.

Comme nous l'avons déjà expliqué, le fait que le dioxyde de carbone emprisonne la chaleur et puisse ainsi contrôler la température de la Terre était déjà compris bien avant tout cela. Mais le fait de voir les niveaux de CO2 et les températures augmenter et diminuer parallèlement dans le passé de la Terre a fourni une image puissante de la proximité de cette relation.

Richard Alley : "Je pense donc vraiment que cette compréhension des périodes glaciaires, du rôle du dioxyde de carbone, a été une étape clé dans la compréhension totale du rôle du dioxyde de carbone dans notre climat."

Vous pouvez le constater dans une revue de 1990 intitulée "Energy, Greenhouse Gases, and Climate Change" dans l'Annual Review of Energy, qui vise à fournir un examen complet de la relation entre l'utilisation de l'énergie et le changement climatique.

Cet examen s'appuie sur l'enregistrement des climats passés pour illustrer à quel point les émissions humaines - et leurs conséquences potentielles - sont exceptionnelles. Par exemple, les preuves fournies par les carottes glaciaires montrent que les concentrations actuelles de CO2 sont de 20 à 25 % plus élevées qu'à tout moment au cours des 160 000 dernières années.

L'auteur de la revue suggère que les données paléoclimatiques pourraient fournir une ligne de preuve aux politiciens, même s'il craint toujours l'inaction politique. En fait, la revue prévient que si rien n'est fait, le réchauffement pourrait entraîner des températures moyennes mondiales supérieures à celles observées au cours des 160 000 dernières années.

Les graphiques montrant la baisse et la hausse simultanées du CO2 et de la température à l'arrivée et au départ des périodes glaciaires ont été largement reproduits et partagés bien au-delà des revues universitaires. On les retrouve notamment dans le film "Une vérité qui dérange", présenté en 2006 par l'ancien vice-président Al Gore :

La relation est en fait très compliquée, mais il y a une relation qui est beaucoup plus puissante que toutes les autres, et c'est celle-ci : Lorsqu'il y a plus de dioxyde de carbone, la température se réchauffe, parce qu'il piège davantage la chaleur du soleil à l'intérieur.

Mais les données sur les climats passés fournissent aux scientifiques bien plus que des preuves solides que le dioxyde de carbone peut contrôler les températures de la planète. Ces données permettent également aux chercheurs d'évaluer l'une des grandeurs les plus cruciales en matière de réchauffement climatique : la "sensibilité du climat", souvent discutée.

La sensibilité climatique nous indique de combien la planète se réchauffe pour une augmentation particulière du dioxyde de carbone. Il est essentiel de la connaître pour savoir à quoi pourrait ressembler l'avenir de notre planète. Les chercheurs utilisent diverses approches pour estimer la sensibilité du climat, depuis l'évaluation de la manière dont les processus climatiques amplifieront ou supprimeront les effets d'une augmentation du CO2 jusqu'à l'étude du réchauffement que nous avons effectivement observé au cours des dernières décennies. 

Mais les preuves anciennes liant les changements de température et de CO2 constituent également un outil puissant pour calculer la sensibilité du climat au CO2.

Pourtant, il n'est pas simple d'obtenir des estimations utiles de la sensibilité du climat à partir des climats passés. C'est une chose de savoir que la température a augmenté et diminué dans les climats passés, mais c'en est une autre de savoir exactement quelles étaient les températures. Ou, comme le dit Sidney : 

Sidney Hemming : "Ce qui est difficile lorsqu'on utilise les archives paléoclimatiques pour y parvenir, c'est qu'il est impossible de remonter le thermomètre dans les archives paléoclimatiques."

Mais même si nos mesures - qu'il s'agisse de la température ou de la chronologie - des climats passés sont encore incertaines, elles n'en fournissent pas moins aux chercheurs des informations précieuses, présentant une autre ligne de preuves pour décoder le climat. Comme l'explique une revue de 2018 intitulée "Comparing Climate Sensitivity, Past and Present" dans l'Annual Review of Marine Science : "Les estimations de la sensibilité du climat à partir des données paléoclimatiques ont le mérite d'être basées sur des données réelles"

Et l'étude des climats passés reste l'une des principales méthodes utilisées par les scientifiques pour prédire la température future de la Terre. Mais au-delà de la sensibilité du climat, les climats passés ont beaucoup à nous apprendre sur notre parcours. La construction d'une image plus détaillée de ces climats passés pourrait aider à faire la lumière sur l'avenir qui nous attend si nous continuons à brûler des combustibles fossiles.

Sidney Hemming : "Au fur et à mesure que nous recueillons des données de plus en plus variées, nous obtenons une image de plus en plus précise des types de changements qui peuvent se produire et de la vitesse à laquelle ils peuvent évoluer. Les véritables gains seront obtenus en créant des perspectives globales. Si nous parvenons à trouver suffisamment de données, par exemple sur des périodes où les concentrations de CO2 étaient semblables à celles d'aujourd'hui, nous pourrons voir ce qui se passait au niveau mondial. Et voir ce qui se passait au niveau mondial à cette époque." 

Richard convient que ces preuves pourraient avoir de profondes implications sur nos prédictions.

Richard Alley : "Il y a donc ce vaste monde de compréhension de l'histoire qui permettra de comprendre : ce qui va se passer là où vous vivez en fonction de ce que nous décidons de faire, ce que cela signifie pour les êtres vivants, y compris les autres espèces, ainsi que pour nous." 

Nous avons parcouru un long chemin depuis quelques décennies seulement, lorsque le passé climatique de la Terre était entouré de mystère. Il a fallu d'innombrables chercheurs pour déterrer des indices d'autres époques, et d'innombrables autres pour apprendre à lire ces vestiges.

Richard Alley : "Pour moi, ça a été tout simplement glorieux. J'ai joué un tout petit rôle - j'ai eu l'occasion d'y participer et de voir ce que les autres font. Et le travail accompli est tout simplement brillant : concentré, ciblé, international, interdisciplinaire, des gens qui sont à la pointe de tant de façons différentes, des gens qui s'efforcent de diversifier la science afin d'apporter plus de points de vue pour que nous puissions mieux comprendre ce qui se passe. Et je suis assis ici avec un grand sourire en voyant ce qui s'est passé et à quel point les collègues ont été bons."

Mais aussi passionnant qu'ait été ce voyage dans le passé, il a également contribué à une compréhension sombre de l'avenir. Aujourd'hui, les preuves indiquent que les niveaux de dioxyde de carbone sont plus élevés dans l'atmosphère qu'ils ne l'ont été pendant des millions d'années. Comme prévu, ce gaz à effet de serre fait grimper les températures de la planète, accentue les phénomènes météorologiques extrêmes, fait monter les océans et déstabilise les systèmes humains et naturels de la planète. Et nos émissions continuent d'augmenter, alors que les scientifiques préviennent qu'elles doivent diminuer rapidement.

À quoi ressemblera donc le climat de demain ? La fouille du passé de la Terre nous a donné quelques indices. Mais en fin de compte, c'est à l'humanité de décider de sa voie.

Sidney Hemming : "Le tableau donne vraiment à réfléchir, car je pense que la sagesse collective que nous avons développée au cours de ces années a conduit à une reconnaissance inéluctable du fait que les humains font une énorme différence sur la planète. Si j'aime toujours autant étudier le passé, je m'inquiète vraiment de ce que cela signifie pour l'avenir."

Dans cet épisode, vous avez entendu Sidney Hemming et Richard Alley. L'épisode a également présenté des citations de quatre articles publiés par Annual Reviews. Il s'agit de : Andrews et Barry, 1978 ; Damon et al, 1978 ; Mintzer, 1990 ; et Rohling et al, 2018. Vous trouverez des liens vers ces articles et d'autres dans les notes de l'émission sur notre site Web : knowablemagazine.org/podcast.

Ce podcast a été produit par Knowable Magazine, une publication à but non lucratif qui cherche à rendre les connaissances scientifiques accessibles à tous. Knowable Magazine est une initiative indépendante de Annual Reviews sur le plan éditorial. Découvrez d'autres articles scientifiques et des histoires intelligentes sur knowablemagazine.org.

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.