3.2 Exemples de mise en œuvre de la démarche expérimentale avec SimClimat

3.2.1 Mise en évidence du rôle de l'homme dans le réchauffement observé depuis 150 ans

La démarche expérimentale commence de manière classique avec un constat, une question et une hypothèse.

 

• Constat: On observe qu'il y a un réchauffement climatique, d'environ 1°C depuis 150 ans.
• Question: Comment expliquer ce réchauffement?
• Hypothèse: Le réchauffement climatique est principalement causé par l'augmentation de la concentration en gaz à effet de serre émis par les activités humaines, en particulier le $CO_{2}$ dont la concentration a augmenté de 280 ppm à 405 ppm depuis 150 ans.

Dans le cas de la démarche expérimentale avec modélisation numérique, quelques étapes supplémentaires sont nécessaires avant de réaliser les expériences.

• Choix du modèle: Le modèle doit être basé sur des équations physiques générales et non sur le constat ou sur l'hypothèse. Sinon, le raisonnement se mord la queue! Ainsi, nulle part dans les équations de SimClimat, il n'est écrit qu'une augmentation de la concentration en $CO_{2}$ de 125 ppm induit une augmentation de 1°C de la température globale. Les équations “disent” juste que le $CO_{2}$ agit sur l'effet de serre, et que l'effet de serre agit sur le bilan radiatif de la planète et donc sur la température globale, avec plein de rétroactions possibles qui peuvent modifier les résultats (figure 10).
• Expérience témoin: Il s'agit de vérifier le réalisme du modèle par rapport à des observations. Ici, on réalise une simulation partant de l'époque préindustrielle, de durée 250 ans, avec des émissions anthropiques de 2.5 GtC/an qui permettent de faire passer la concentration en $CO_{2}$ à la concentration actuelle.
• Validation du modèle: On vérifie qu'à la fin de la simulation, la température a augmenté de 1°C, ce qui est cohérent avec les observations (figure 11, rouge). Notons qu'avec SimClimat, on ne peut pas facilement faire évoluer les émissions anthropiques de $CO_{2}$ avec le temps selon un scénario réaliste. Dans ces simulations, seuls le début et la fin de la simulation sont analysés.

Puis la démarche expérimentale se poursuit de manière classique avec expérience, résultat et conclusion.

• Expérience: On réalise une simulation identique à celle de contrôle, à part que la concentration en $CO_{2}$ reste constante.
• Résultat: On constate que si la concentration en $CO_{2}$ reste constante, la température globale n'augmente pas (figure 11, bleu).
• Conclusion: On conclut que le réchauffement climatique observé est bien causé par l'augmentation de la concentration en $CO_{2}$.

Figure: Copie d'écran des résultats d'une simulation pré-industrielle avec concentration en $CO_{2}$ constante (bleu) et avec des émissions anthropiques qui permettent de faire passer la concentration en $CO_{2}$ à la concentration actuelle (rouge). La simulation verte est identique à la rouge, sauf que la rétro-action de la vapeur d'eau a été débranchée>@  en maintenant constante la concentration en vapeur d'eau. Notons que pour la concentration en $CO_{2}$, la courbe verte se trouve cachée par la courbe rouge.

3.2.2 Rétroactions en jeu dans le changement climatique

On a vu dans la section précédente que le réchauffement climatique était causé principalement par l'augmentation de la concentration en $CO_{2}$. Le $CO_{2}$ agit-il de manière directe sur l'effet de serre? Ou existe-t-il des rétroactions amplificatrices? Nous montrons ici comment mettre en œuvre la démarche expérimentale avec SimClimat pour quantifier le rôle de la rétroaction de la vapeur d'eau.

• Constat: Le gaz qui contribue le plus à l'effet de serre naturel est la vapeur d'eau.
• Question: Est-ce que la vapeur d'eau joue un rôle dans le réchauffement climatique?
• Hypothèse: Quand la température augmente, l'humidité contenue dans l'atmosphère augmente également (d'après la relation de Clausius-Clapeyron, [Spiga, 2016]). L'amplification de l'effet de serre lié à la vapeur d'eau accroît à son tour la température.
• Choix du modèle: SimClimat, dont la représentation de la vapeur d'eau est basée sur des équations physiques.
• Expérience témoin: On réalise une simulation de 250 ans partant du monde pré-industriel à aujourd'hui, avec des émissions anthropiques de 2.5 GtC/an qui permettent de faire passer la concentration en $CO_{2}$ à la concentration actuelle (figure 11, rouge).
• Validation du modèle: On vérifie qu'à la fin de la simulation, la température a augmenté de 1°C, ce qui est cohérent avec les observations.
• Expérience: On réalise une simulation identique à celle de contrôle, à part qu'on “débranche” la rétroaction de la vapeur d'eau, en maintenant la concentration en vapeur d'eau constante.
• Résultat: Si la concentration en $H_{2}O$ reste constante, la température globale augmente moins: de 0.6°C au lieu de 1°C (figure 11, vert).
• Conclusion: On conclut que la vapeur d'eau est impliquée dans une rétroaction positive qui contribue pour 40% au réchauffement climatique.

De la même façon, le rôle d'autres rétroactions peut être mis en évidence par SimClimat. Par exemple, en débranchant la rétroaction de l'albédo de surface, on voit que cette rétroaction est positive aussi mais reste assez faible aux échelles de temps courtes. Enfin, en débranchant le rôle de l'océan ou de la végétation dans le cycle du carbone, on voit que l'augmentation de la température est plus forte. La concentration en $CO_{2}$ augmente aussi plus vite. Cela montre que l'océan et la végétation épongent en partie (environ pour moitié) les émissions humaines de $CO_{2}$.

3.2.3 Mécanismes des variations glaciaires-interglaciaires

Les variations glaciaires-interglaciaires se manifestent par de fortes variations de température, d'étendue des calottes glaciaires et de niveau de la mer qu'on retrouve dans diverses archives paléoclimatiques
([Masson-Delmotte and Chapellaz, 2002,Masson-Delmotte et al., 2015], figure 12). Ainsi, il y a 21 000 ans, le Terre vivait le dernier maximum glaciaire. La température globale était 5°C plus basse, une calotte polaire recouvraient toute l'Europe du Nord, et le niveau de la mer était 130 m plus bas. Depuis 10 000 ans, nous sommes en période interglaciaire. Il y a une période interglaciaire tous les 100 000 ans (figure 12).

Figure: Variations de température et de concentration en $CO_{2}$ enregistrées dans les glaces à Vostok en Antarctique.

Nous proposons ici trois étapes de mise en œuvre de la démarche scientifique pour comprendre les variations glaciaires-interglaciaires.

 

Étape 1: mise en évidence du rôle des paramètres orbitaux

• Constat: Les échelles de temps des variations de température au cours des variations glaciaires-interglaciaires sont du même ordre de grandeur que celles des paramètres orbitaux: obliquité (environ 40 000 ans), précession (environ 20 000 ans), excentricité (environ 400 000 ans).
• Question: Est-ce que les variations des paramètres orbitaux peuvent conduire à des variations de température cohérente avec celles observées lors des cycles glaciaire-interglaciaires (i.e. 5°C)?
• Hypothèse: Oui. Prenons par exemple l'obliquité.
• Choix du modèle: SimClimat, où l'effet des paramètres orbitaux est décrit par des équations physiques.
• Expérience témoin: On réalise une simulation de 100 000 ans partant du monde pré-industriel, tous les paramètres étant laissés à leur valeurs par défaut. Une simulation suffisamment longue est nécessaire pour que les calottes de glace aient le temps de s'équilibrer (figure 13, rouge).
• Validation du modèle: La température reste bien constante à une valeur cohérente avec la température globale observée.
• Expérience: On réalise une simulation identique à celle de contrôle, mais en mettant l'obliquité à sa valeur minimale (figure 13, bleu).
• Résultat: La température diminue de plusieurs °C. On observe aussi une forte augmentation de l'extension des calottes, et une diminution du niveau de la mer du même ordre de grandeur que lors d'une période glaciaire.
• Conclusion: On conclut que les variations d'obliquité peuvent induire des variations de température cohérente avec celles observées lors des cycles glaciaire-interglaciaires.

La même approche peut s'appliquer aux autres paramètres orbitaux.

Figure: Copie d'écran des résultats d'une simulation pré-industrielle de contrôle de 100 000 ans (rouge), avec une obliquité minimale (bleu), avec obliquité minimale et albédo constant (vert) et avec obliquité minimale et solubilité du $CO_{2}$ dans l'océan ne dépendant pas de la température (jaune). Notons que dans les panels où les courbes verte et jaune sont invisibles, elles sont en fait cachées par la courbe rouge.

 

Étape 2: Mise en évidence du rôle de l'insolation dans les régions polaires en été

• Constat: Quand on modifie les paramètres orbitaux, on ne modifie pas l'énergie solaire reçue en moyenne sur la Terre sur une année. Les paramètres orbitaux ne font que modifier la distribution de l'énergie reçue en fonction de la latitude et de la saison.
• Question: Comment alors expliquer que les paramètres orbitaux peuvent modifier la température globale?
• Hypothèse: En agissant sur l'énergie reçue dans les régions polaires en été, les paramètres orbitaux agissent sur la fonte des calottes polaires. Or l'étendue des calottes polaires influence l'albédo de la planète et donc sa température.
• Choix du modèle: SimClimat.
• Expérience témoin: L'expérience précédente de 100 000 ans avec l'obliquité minimale (figure 13, bleu).
• Validation du modèle: La température diminue bien comme si on entrait dans une nouvelle ère glaciaire.
• Expérience: On réalise une simulation identique à celle de contrôle, mais en “débranchant” la rétroaction de l'albédo, c'est-à-dire en fixant l'albédo constant (figure 13, vert).
• Résultat: La température reste constante.
• Conclusion: On conclut que c'est bien la modification de l'albédo qui induit la modification de la température quand l'obliquité diminue. Quand l'obliquité diminue, les rayons du soleil arrivent de manière plus inclinée dans les régions polaires de l'Hémisphère Nord en été. Ça défavorise la fonte de la calotte polaire de l'Hémisphère Nord, et donc favorise son extension. Ça augmente l'albédo de la planète et donc diminue la température.

Le même mécanisme s'applique aux autres paramètres orbitaux.

• L'obliquité est le paramètre le plus facile à comprendre (ci-dessus).
• La précession agit sur la saison pour laquelle la Terre est la plus proche du soleil. Actuellement, la Terre est la plus proche du soleil en hiver de l'Hémisphère Nord. Si au contraire la Terre est plus proche du soleil en été de l'Hémisphère Nord, la calotte de l'Hémisphère Nord reçoit plus d'énergie en été ce qui favorise sa fonte.
• L'excentricité est le paramètre le plus complexe car son effet dépend de la précession. Pour la précession actuelle où la Terre est la plus loin du soleil en été de l'Hémisphère Nord, si l'orbite devient plus excentrique, la Terre sera encore plus loin du soleil en été. La calotte de l'Hémisphère Nord recevra alors moins d'énergie en été ce qui favorise son extension.

Notons que ce qui est important ici est l'énergie reçue par la calotte de l'Hémisphère Nord et non celle de l'Hémisphère Sud. En effet, la calotte de l'Hémisphère Nord a toute la liberté pour s'étendre sur l'Europe, la Sibérie et l'Amérique du Nord. Au contraire, la calotte de l'Hémisphère Sud est limitée au continent Antarctique et ne peut pas s'étendre sur l'océan Austral.

 

Étape 3: pourquoi la concentration en $CO_{2}$ diminue-t-elle en période glaciaire?

Les bulles d'air emprisonnées dans les glaces indiquent que les variations de la concentration en $CO_{2}$ varient de concert avec la température lors des variations glaciaires-interglaciaires (figure 12). Comment expliquer cela?

• Constat: Quand la température diminue, la concentration en $CO_{2}$ diminue. Au dernier maximum glaciaire, la concentration en $CO_{2}$ était 100 ppm plus faible pour une température globale 5°C plus faible.
• Question: Comment expliquer cette diminution de la concentration en $CO_{2}$?
• Hypothèse: Quand les océans sont plus froids, le $CO_{2}$ s'y solubilise plus facilement.
• Choix du modèle: SimClimat.
• Expérience témoin: L'expérience précédente de 100 000 ans avec l'obliquité minimale (figure 13, bleu).
• Validation du modèle: La concentration en $CO_{2}$ simulée par SimClimat diminue de concert avec la température, jusqu'à des valeurs du même ordre de grandeur que celles observées au dernier maximum glaciaire.
• Expérience: On réalise une simulation identique à celle de contrôle, mais en maintenant la solubilité du $CO_{2}$ constante quelque soit la température (figure 13, jaune).
• Résultat: On constate que la concentration en $CO_{2}$ reste constante. De plus, la diminution de la température se trouve réduite.
• Conclusion: Plus les océans sont froids, plus la solubilité du $CO_{2}$ est forte. Une partie du $CO_{2}$ atmosphérique passe donc sous forme dissoute dans l'océan. Donc la concentration atmosphérique en $CO_{2}$ diminue. Comme le $CO_{2}$ est un gaz à effet de serre, la diminution de la concentration atmosphérique en $CO_{2}$ amplifie le refroidissement: c'est une rétroaction positive.