Les gaz à effet de serre (6)

La question :

On dit que l'augmentation de la température est due à l'accroissement de la concentration du gaz carbonique dans l'atmosphère. N'est-ce pas plutôt l'élévation des températures qui fait monter le taux atmosphérique de CO₂ ?

Les réponses :

Celle de Didier Paillard, chercheur au Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (réponse commune avec la question sur l'évolution du climat)

Réponse verte (pour tous)

Aux échelles de temps concernées, le carbone à la surface de la Terre se répartit entre 3 réservoirs : l'atmosphère, la biosphère et l'océan. Lors des cycles glaciaire-interglaciaire, il n'y a pas de changement significatif du stock total de carbone pour l'ensemble de ces réservoirs, mais une répartition différente : il y avait moins de CO₂ dans l'atmosphère, moins de carbone biosphérique et par conséquent plus de carbone dans l'océan. Cette réorganisation est liée à une situation climatique différente et il est donc juste de dire que les faibles niveaux de CO₂ dans l'atmosphère en période glaciaire sont liés à un climat différent, plus froid. Mais cela n'exclut pas l'inverse, car il faut aussi être en mesure d'expliquer les cycles glaciaire-interglaciaire eux-mêmes, ce qui est loin d'être évident.

Une croyance assez commune est que ces cycles s'expliquent simplement par les variations des paramètres orbitaux de la Terre, qui induisent des changements dans la répartition géographique et saisonnière du rayonnement solaire reçu au sommet de l'atmosphère. Cette théorie, énoncée par Milankovitch au début du XXème siècle, explique effectivement certains aspects des cycles glaciaires, notamment certaines périodicités à 23 000 et 41 000 ans. Mais il s'agit d'une théorie de l'évolution de l'étendue des calottes de glace dans l'hémisphère Nord, et non pas d'une théorie du climat dans son ensemble. Par exemple, le forçage astronomique n'explique en rien pourquoi les grandes glaciations surviennent tous les 100 000 ans et se terminent assez brutalement par une déglaciation majeure... ce qui représente tout de même le phénomène principal observé durant les cycles glaciaires du dernier million d'années. De même, le forçage astronomique n'explique pas du tout l'évolution des températures en Antarctique. Il est donc nécessaire de trouver des phénomènes amplificateurs, qui permettent de rendre compte des grands cycles climatiques à 100 000 ans, qui expliquent l'amplitude des températures dans l'hémisphère Nord, mais aussi dans l'hémisphère Sud loin des grandes calottes canadienne ou européenne. Ce phénomène amplificateur est maintenant bien identifié : c'est le changement de la concentration atmosphérique en CO₂. Il s'agit donc à la fois d'une cause et d'une conséquence des cycles glaciaire-interglaciaire, qui seraient de nature très différente sans ces changements de CO₂.

La situation actuelle est très différente car le carbone additionnel dans notre atmosphère est issu du sous-sol par l'utilisation des combustibles fossiles. Il s'agit donc de carbone en plus, qui s'ajoute aux stocks naturels déjà présents. Contrairement aux périodes glaciaires où le stock total de carbone était inchangé, mais redistribué de façon différente entre l'atmosphère, l'océan et la biosphère, aujourd'hui le stock total augmente, et cette augmentation concerne les 3 réservoirs (atmosphère, océan, biosphère). Durant le réchauffement associé à la déglaciation, l'océan a perdu une partie de son carbone au profit de l'atmosphère, transfert favorisé par l'augmentation des températures. Lors du réchauffement actuel, c'est l'inverse qui se déroule, avec une partie du carbone d'origine anthropique qui est en ce moment absorbé par l'océan, ce qui permet d'atténuer l'augmentation de CO₂ atmosphérique. Il se pourrait que le réchauffement ralentisse à l'avenir ce transfert de carbone de l'atmosphère vers l'océan et induise une augmentation encore plus rapide du CO₂ atmosphérique.

Réponse orange (plus détaillée)

Pour préciser un peu les choses, la théorie astronomique nous dit que, pendant la déglaciation, les calottes de l'hémisphère Nord fondent car l'apport d'énergie solaire est plus grand, en été, dans l'hémisphère nord au-dessus de ces calottes. Il est essentiel de noter qu'il y a aussi moins d'énergie en hiver ou bien dans l'hémisphère sud. Le forçage astronomique n'induit donc quasiment aucun changement climatique en moyenne globale, mais favorise seulement des changements dans l'étendue des calottes, car il est couramment admis que celle-ci est contrôlée principalement par la fonte estivale. Qu'en est-il du climat ? Selon cette théorie, il devra donc se réchauffer, en tout cas dans l'hémisphère Nord, sous l'influence de calottes qui sont de plus en plus petites au fur et à mesure que la déglaciation progresse et qui auparavant maintenaient des températures froides à cause de leur albédo élevé. Si l'on souhaite ajouter le CO₂ atmosphérique dans ce raisonnement, la chaîne causale est donc :

1. plus d'énergie en été dans le nord (réchauffement en été ET refroidissement en hiver),
2. moins de calotte,
3. réchauffement moyen (effet d'albédo des calottes) et potentiellement augmentation du CO₂.

Ce schéma est clairement mis en défaut par les données paléoclimatiques, comme cela est illustré sur la figure ci-dessous. En effet, on y voit que le CO₂ et la température en Antarctique remontent bien avant que les calottes ne fondent de façon significative. Ceci ne s'explique pas avec le forçage astronomique et nécessite de mieux comprendre la dynamique interne du cycle du carbone. A l'inverse, cette augmentation du CO₂ contribue très certainement au réchauffement global et à la déglaciation qui s'ensuit.

Quelques remarques

• Cette question fait, entre autre, référence au papier de N. Caillon (Science 2003).
  Caillon et al. Timing of Atmospheric CO2 and Antarctic Temperature Changes Across Termination III. Science (2003) vol. 299 pp. 1728-1731
  Il y est question de la température en Antarctique, comme cela est clairement indiqué dans le titre de l'article (et bien sûr pas de température globale). Cet article, qui mesure un déphasage de 800±200 ans, concerne la terminaison III (un événement rapide il y a environ 240 000 ans). Ce décalage n'est sans doute pas représentatif d'une relation de phase constante sur l'ensemble des cycles glaciaire-interglaciaire. La mesure de ce décalage est en fait possible seulement à un moment où les enregistrements de CO₂ et de température en Antarctique montrent une variation très brutale, dont la dynamique n'est sans doute pas liée simplement aux variations glaciaire-interglaciaire. De façon plus générale, un déphasage de quelques siècles est difficile à mesurer car la température est issue des isotopes de la glace et le CO₂ des bulles d'air. A un niveau donné dans la carotte, la différence d'âge entre la glace et l'air est de l'ordre de 4000 ou 5000 ans sur les sites du centre de l'Antarctique. Il faut donc corriger ces âges avec un modèle de diffusion des gaz dans le névé et de compaction de la neige pour déterminer la profondeur de fermeture des bulles d'air, d'où une incertitude relative de plusieurs siècles.

• Il existe par contre un retard très net, de plusieurs millénaires, du CO₂ par rapport aux températures en Antarctique lors des entrées en glaciation (par exemple il y a environ 110 000 ans), alors que pendant la majeure partie des cycles glaciaire-interglaciaire, la température et le CO₂ ont une évolution extrêmement proche. Ceci illustre qu'il est illusoire de chercher un déphasage constant entre CO₂ et température Antarctique, car différents processus vont intervenir à différents instants.

• L'alternance glaciaire-interglaciaire concerne avant tout la mise en place de calottes de glace dans l'hémisphère Nord, au dessus du Canada et de la Scandinavie. Il n'y a pas de lien causal simple entre l'étendu des calottes de glace dans le Nord et la température en Antarctique. Le lien est beaucoup plus évident avec les températures de l'hémisphère Nord. Ainsi, il est parfaitement établi que, pendant les déglaciations, l'augmentation de CO₂ atmosphérique survient plusieurs milliers d'années avant la fonte des calottes de glace, c'est-à-dire la déglaciation (cf Figure). Le CO₂ a très certainement un rôle important dans la dynamique glaciaire-interglaciaire pendant les déglaciations. Ce n'est sans doute pas le cas pendant les entrées en glaciation qui sont induites avant tout par le forçage astronomique, alors que les taux de CO₂ restent élevés.

• Lors du dernier maximum glaciaire, le refroidissement du climat s'explique pour moitié par la présence des calottes de glace, et pour moitié par la baisse de CO₂ atmosphérique et des autres gaz à effet de serre. L'effet du forçage astronomique sur les températures est complètement négligeable.

• L'effet de la température sur la dissolution du CO₂ n'explique pas directement la baisse de CO₂ atmosphérique observée (environ 80 ou 100 ppm), mais seulement une petite fraction (10 ou 20 ppm). Il faut donc rechercher l'origine du faible niveau de CO₂ glaciaire dans des processus plus complexes, notamment la dynamique de l'océan profond ou la biologie marine. La meilleure piste actuellement concerne la formation des eaux de fond qui se forment autour de l'Antarctique et remplissent tous les Océans. Ceci permet sans doute d'expliquer qu'il existe un lien étroit entre climat en Antarctique et CO₂ atmosphérique.