Le climat et ses variations

Le climat désigne les conditions atmosphériques moyennes (température, précipitations, ensoleillement, vents) observées sur une région sur une longue période (généralement ≥ 30 ans), par opposition à la météo qui décrit l'état instantané de l'atmosphère.

Les principaux paramètres climatiques mesurés sont :

• La température : moyenne, amplitude diurne et saisonnière ;
• Les précipitations : quantité, répartition temporelle ;
• L'ensoleillement : durée et intensité ;
• L'humidité relative et les vents dominants.

Le bilan énergétique terrestre est central : la Terre reçoit un flux solaire entrant (courte longueur d'onde) et réémet de la chaleur vers l'espace (infrarouges, longue longueur d'onde). L'équilibre de ce bilan détermine la température moyenne globale.

Pour reconstituer le climat du passé (avant les mesures instrumentales), on utilise des indicateurs paléoclimatiques : des enregistrements naturels qui témoignent indirectement des conditions climatiques.

Les principaux proxies climatiques utilisés en paléoclimatologie.

Les carottes de glace constituent l'archive paléoclimatique la plus informative pour les derniers 800 000 ans. Elles sont prélevées dans les inlandsis polaires (Antarctique, Groenland) et les glaciers de montagne par forage.

Chaque couche de glace emprisonne des informations multiples :

• Les bulles d'air : elles contiennent des échantillons directs de l'atmosphère ancienne, permettant de mesurer les concentrations en $\text{CO}_2$, $\text{CH}_4$ et $\text{N}_2\text{O}$ ;
• Le rapport isotopique $\delta^{18}O$ ou $\delta D$ de la glace : corrélé à la température de condensation des précipitations ;
• Les aérosols et poussières : témoignent de l'activité volcanique et de l'aridité ;
• Le béryllium 10 ($^{10}\text{Be}$) : produit par les rayons cosmiques, il renseigne sur l'activité solaire.

La carotte de Vostok (Antarctique, 3 623 m, forée dans les années 1990) a fourni des données sur 420 000 ans. La carotte EPICA Dome C s'étend sur 800 000 ans. Ces archives montrent une alternance régulière de périodes glaciaires et interglaciaires.

Variation schématique du CO₂ atmosphérique sur 420 000 ans (données Vostok simplifiées). Les pics correspondent aux périodes interglaciaires.

L'analyse des archives paléoclimatiques révèle des cycles climatiques réguliers. Le climatologue Milutin Milanković (début du XXe siècle) a montré que trois paramètres orbitaux de la Terre modulent l'insolation reçue et commandent les cycles glaciaires-interglaciaires.

Ces trois paramètres se combinent pour modifier l'insolation estivale à 65° N (été boréal), paramètre clé : un été froid dans les hautes latitudes nord empêche la fonte des neiges accumulées en hiver, ce qui entraîne l'extension des calottes glaciaires, une augmentation de l'albédo et un refroidissement amplifié.

Durées des cycles orbitaux de Milanković. L'excentricité (100 000 ans) est le cycle dominant dans les archives glaciaires des 800 000 dernières années.

Le climat peut être perturbé par des forçages radiatifs, c'est-à-dire des modifications du bilan énergétique de la Terre. Ils sont mesurés en watts par mètre carré (W·m⁻²). Un forçage positif réchauffe, un forçage négatif refroidit.

Les rétroactions climatiques amplifient ou atténuent la réponse initiale :

• Rétroaction vapeur d'eau (positive) : un réchauffement augmente l'évaporation → plus de vapeur d'eau (GES) → réchauffement supplémentaire ;
• Rétroaction albédo-glace (positive) : réchauffement → fonte des glaces → albédo diminue → absorption accrue → plus de réchauffement ;
• Rétroaction nuages (complexe) : les nuages bas refroidissent (réflexion solaire), les nuages hauts réchauffent (piège infrarouge) ;
• Rétroaction CO₂-végétation : à court terme, la végétation absorbe plus de CO₂ (fertilisation) mais le dégel du pergélisol libère du CO₂ et CH₄ (rétroaction positive).

Depuis la révolution industrielle (milieu du XIXe siècle), les activités humaines ont profondément modifié la composition de l'atmosphère, entraînant un réchauffement sans précédent par rapport aux cycles naturels.

Preuves de l'origine anthropique :

• Augmentation du CO₂ : de 280 ppm (préindustriel) à plus de 420 ppm en 2023, vitesse sans précédent dans les 800 000 ans de données glaciaires ;
• Signature isotopique du carbone : la combustion de carbone fossile (appauvri en $^{13}\text{C}$ et exempt de $^{14}\text{C}$) provoque un appauvrissement progressif de l'atmosphère en ces isotopes (effet Suess) ;
• Augmentation rapide de la température : +1,1 °C depuis l'ère préindustrielle (données GIEC AR6), taux 10 fois supérieur aux transitions glaciaires naturelles ;
• Modèles climatiques : seule l'inclusion des forçages anthropiques dans les modèles reproduit le réchauffement observé (les forçages naturels seuls ne suffisent pas).

Évolution du CO₂ atmosphérique mesuré à Mauna Loa depuis 1960. L'augmentation continue reflète les émissions fossiles humaines.

Le réchauffement climatique en cours entraîne de nombreuses conséquences, documentées par les observations et projetées par les modèles climatiques.

Conséquences observées :

• Hausse du niveau des mers : +20 cm depuis 1900 (dilatation thermique + fonte des glaces) ;
• Fonte des calottes et glaciers : réduction de l'Arctique en été, recul des glaciers montagnards ;
• Acidification des océans : absorption du CO₂ → formation d'acide carbonique → baisse du pH (de 8,2 à 8,1 depuis l'ère préindustrielle) ;
• Déplacement des zones climatiques : remontée vers les pôles et en altitude des espèces et des zones agricoles ;
• Événements extrêmes : canicules, sécheresses, précipitations intenses plus fréquentes.

Projections du GIEC (AR6, 2021) :

• Scénario optimiste (réduction rapide des émissions) : +1,5 à +2 °C en 2100 ;
• Scénario intermédiaire : +2 à +3 °C en 2100 ;
• Scénario pessimiste (émissions maintenues) : +3,5 à +5 °C en 2100.