Source : Global Climat, Johan Lorck
Des scientifiques disent avoir résolu une énigme climatique, celle de l'optimum climatique de l'Holocène. La correction de biais saisonniers montre que la température globale a connu une hausse linéaire au cours des 12 000 dernières années, ce qui permet de réconcilier les reconstructions avec les modèles. La température actuelle serait ainsi nettement supérieure à l'optimum de l'Holocène.
La nouvelle étude parue dans la revue Nature remet en question l'histoire de l'évolution de la température de l'Holocène, la période qui a commencé il y a environ 12 000 ans et qui est toujours en cours. Jusqu'à présent, les reconstructions du climat de l'Holocène, sur la base de preuves géologiques, suggéraient un pic des températures globales entre 10 000 et 6000 ans avant aujourd'hui, suivi d'une tendance au refroidissement, puis un réchauffement accéléré avec l'essor industriel. Le graphique ci-dessous, sur la base de l'étude de Shaun Marcott (2013) montre que les températures actuelles sont à peu près au niveau du maximum de l'Holocène. « A peu près » car la résolution des thermomètres offre bien sûr une précision supérieure à celle des reconstructions.
Courbe bleue : Reconstruction de la température globale à partir des données proxy de Marcott et al (Science, 2013). Courbe rouge : données de température de l'ère instrumentale HadCRU. Graphique: Klaus Bitterman.
Sur le dernier million d'années, la planète a d'ailleurs connu à plusieurs reprises de longues périodes froides de 100 000 ans entrecoupées de phases plus chaudes, dites « interglaciaires », de 10 000 à 20 000 ans. Les recherches ont clairement fait ressortir deux mécanismes principaux pour expliquer ces variations du climat : la position de la Terre par rapport au Soleil et la teneur de l'atmosphère en CO2.
Mais les scientifiques ont longtemps été confrontés à l'inadéquation entre les simulations climatiques des 12 000 dernières années et les reconstructions de température à partir d'enregistrements géologiques. Les simulations informatiques du climat de l'Holocène montrent une tendance au réchauffement linéaire depuis 12 000 ans. Des progrès ont été réalisés ces dernières années dans la collecte et l'interprétation des archives climatiques. Les indices récoltés dans la glace, les cernes des arbres et les coraux notamment ont permis de reconstruire les températures des derniers millénaires. Ces progrès n'ont cependant pas réconcilié les reconstructions climatiques de l'Holocène avec les modélisations.
L'article paru sous la direction de Samantha Bova (Université de Rutgers) montre que des biais saisonniers dans les enregistrements permettent d'expliquer cette disparité entre modèles et enregistrements géologiques. L'intérêt de l'étude ne vient pas de la découverte d'indices inconnus jusqu'alors mais dans l'élaboration une nouvelle méthode. La majorité des enregistrements marins inclus dans les reconstructions précédentes serait biaisée par la saisonnalité, reflétant largement les températures estivales boréales. Avec la rectification du biais saisonnier, il ressort que les températures mondiales annuelles moyennes ont augmenté régulièrement au cours des 12 000 dernières années, conformément aux modèles.
Evolution de la température au cours de l'Holocène et principaux mécanismes responsables de l'augmentation de la température au cours des 12 000 dernières années. Image : Samantha Bova
Dans la nouvelle évaluation des températures de Bova et al., la première moitié de l'Holocène apparaît comme plus froide que dans les autres reconstructions (le biais saisonnier apparait sur la courbe jaune du graphique ci-dessus) en raison des effets de refroidissement des restes de calottes de glace de la période glaciaire précédente. Le réchauffement initial est lié au retrait de ces calottes de glace. Puis l'élévation de la température globale depuis 6500 ans est due à l'augmentation des gaz à effet de serre, comme ce qui est calculé par les modèles climatiques. Vient ensuite la hausse spectaculaire de la concentration de CO2 et l'élévation brutale des températures. Au regard du pic supposé de l'Holocène, la prise en compte du biais saisonnier fait davantage ressortir l'anomalie actuelle, dans une proportion équivalente à celle des modèles.
Le rôle du CO2 est loin d'être une découverte. Les prélèvements dans les calottes de glace de l'Antarctique et du Groenland permettent de constater que l'évolution des températures suit fidèlement celle des niveaux de CO2. Les archives glaciaires montrent que les concentrations actuelles de gaz à effet de serre sont les plus élevées depuis au moins 800 000 ans. En analysant la glace la plus ancienne jamais retrouvée en Antarctique, des scientifiques américains ont même montré une corrélation entre les niveaux de dioxyde de carbone et la température sur les 2 derniers millions d'années.
Concentrations de CO2 et températures de l'Antarctique des 800 000 dernières années (source : NASA)
Pour reconstruire les climats passés, les scientifiques s'appuient sur des indicateurs climatiques ou proxies : des matériaux géologiques dont les propriétés peuvent être mesurées et corrélées aux paramètres climatiques. Ce qui était auparavant considéré comme le maximum thermique de l'Holocène, il y a environ 8 000 ans, est une caractéristique notable des reconstructions climatiques basées sur des proxies. L'étude de Bova et al. cible en particulier les biais dans l'estimation de la température de surface de la mer. Les enregistrements de température de surface de la mer (SST) utilisés pour les reconstructions seraient ainsi biaisés par les saisons, d'après l'article paru dans Nature.
Samantha Bova et ses coauteurs ont utilisé des fossiles marins calcaires provenant de foraminifères, des organismes unicellulaires vivant à la surface de l'océan, pour reconstruire les historiques de température des deux derniers intervalles chauds sur Terre : la dernière période interglaciaire de 128 000 à 115 000 ans avant aujourd'hui et l'Holocène. Pour obtenir les fossiles, les scientifiques ont collecté un noyau de sédiments au nord de la Papouasie-Nouvelle-Guinée. Le noyau comporte des sédiments qui s'accumulent, permettant aux scientifiques de recréer l'historique des températures du Pacifique Ouest, qui suit de près les changements de température globale.
La nouvelle méthode de Bova et al. identifie les biais saisonniers dans les enregistrements de SST et permet le calcul de la SST annuelle moyenne à partir de la SST saisonnière. L'analyse s'appuie sur les caractéristiques de la dernière période interglaciaire (il y a 128 000 à 115 000 ans), qui a été marquée par des températures mondiales plus chaudes, des calottes glaciaires plus petites et des niveaux de la mer plus élevés que ceux d'aujourd'hui. La période permet d'estimer le biais saisonnier en raison de ces caractéristiques. La différence saisonnière du rayonnement solaire entrant fut plus importante que pendant l'Holocène, alors que les effets d'autres facteurs qui modifient le climat, tels que les gaz à effet de serre et la glace, étaient équivalent ou plus faibles, ce qui rend plus facile l'identification des biais saisonniers.
Pendant l'interglaciaire 128 000 - 115 000, il y a donc eu une corrélation plus forte de la température de surface de la mer avec l'insolation saisonnière qu'avec l'insolation annuelle moyenne. La sensibilité de l'enregistrement de SST à l'insolation saisonnière pendant cette période a été calculé par Bova et al. et utilisée comme point de référence pour éliminer le biais saisonnier de l'ensemble de l'enregistrement. Les auteurs ont d'abord appliqué leur méthode à une reconstruction SST basée sur un proxy pris à partir d'un site marin situé au large de la côte nord-est de la Papouasie-Nouvelle-Guinée. L'enregistrement SST annuel moyen transformé a été validé par rapport simulations des modèles sur les 300 000 dernières années.
D'après Bova et ses collègues, le climat se réchauffe donc depuis le début de l'Holocène. La période dite de maximum thermique de l'Holocène, entre 10 000 et 6000 avant aujourd'hui, apparait comme une caractéristique saisonnière entraînée par un pic d'insolation estivale dans l'hémisphère nord.
Par ailleurs, Bova et al. montre que les températures annuelles moyennes au cours de la dernière période interglaciaire étaient plus stables et supérieures aux estimations de l'Holocène. Ils attribuent cela aux concentrations quasi constantes de gaz à effet de serre et à la réduction de l'étendue des calottes glaciaires au cours du dernier interglaciaire. Les chercheurs constatent que la température annuelle moyenne actuelle dépasse celles des 12 000 dernières années et se rapproche probablement de la chaleur de la dernière période interglaciaire.
La méthode de Bova et ses collègues pour identifier et corriger les biais saisonniers dans les reconstructions SST proxy pourrait maintenant être appliquée à d'autres enregistrements de température à différentes échelles de temps. On attend de voir la suite car l'une des limites de l'étude est que la synthèse des enregistrements proxy SST est limitée à la région située entre 40 ° N et 40 ° S.
Cette restriction à 40 ° N - 40 ° S pose en effet question car si le rayonnement solaire reste sensiblement le même en moyenne, il peut fortement varier localement. On ne parle pas ici des cycles solaires de 11 ans mais de paramètres astronomiques de plus long terme, les cycles de Milankovic qui décrivent la position de la Terre par rapport au Soleil. Ci-dessous, l'insolation estivale des hautes latitudes de l'hémisphère nord montre un pic survenu lors de l'avènement de l'Holocène. Ce qui compte pour les sorties de glaciation, c'est la région où l'insolation est renforcée, même si la moyenne globale reste stable.
Insolation à 90 et 60° de latitude Nord au mois de juin entre 20 000 BP (à droite) et aujourd'hui (à gauche). Source : Berger et Loutre, 1991.
Les cycles de Milankovic permettent d'expliquer comment un réchauffement local et saisonnier peut se propager à l'ensemble du globe. Quand le grand Nord est davantage exposé au rayonnement solaire en été, le forçage entraîne une fonte des glaces de l'hémisphère nord à une période (glaciation) où elles sont particulièrement étendues. La fonte des glaces amplifie encore le réchauffement car la terre et l'océan renvoient moins les rayons du soleil que la glace ou la neige. Cette fonte dans l'hémisphère nord affaiblit la circulation de l'océan Atlantique avec un apport massif d'eau douce. L'eau de fonte glaciaire est douce et ne plonge pas comme l'eau salée, ce qui entrave le « tapis roulant océanique ». Le ralentissement de la circulation océanique prive les hautes latitudes de la chaleur venue des Tropiques tandis que l'Antarctique monte en température. Lorsque l'océan austral se réchauffe, la solubilité du CO2 dans l'eau diminue. Cela conduit les océans à relâcher plus de CO2 dans l'atmosphère. Ce dioxyde de carbone réchauffe alors uniformément la planète, parachevant la sortie de l'ère glaciaire.
Ce modèle de forçage commençant par une insolation estivale croissante dans l'hémisphère nord semble balancé par Bova et al. On peut se demander donc si les modèles sous-estiment le forçage de l'insolation estivale dans l'hémisphère nord ou s'il y a véritablement un biais saisonnier. La vérité pourrait se situer entre les deux. Pour confirmer la découverte de Bova et al., l'inclusion des régions au-delà de 40 ° N - 40 ° S serait le bienvenu, étant donné que les processus sous des latitudes élevées jouent un rôle substantiel dans de nombreux phénomènes de rétroaction climatique. Les travaux futurs devraient étendre la couverture spatiale, mais pour ce faire, les chercheurs ont besoin d'enregistrements de température marine à plus haute résolution du dernier interglaciaire, en particulier dans l'hémisphère sud, selon Samantha Bova.
Source : Global Climat, Johan Lorck, 29-01-2021