Reconstituer les climats du passé

Les mesures instrumentales de température ne remontent qu'au milieu du XIX$^{\text{e}}$ siècle. Au-delà, il n'existe aucun relevé — et pourtant nous connaissons le climat des huit cent mille dernières années avec une précision remarquable. Comment ?

Par des indicateurs indirects, appelés proxies. Un indicateur paléoclimatique est un objet naturel dont une propriété mesurable AUJOURD'HUI dépend du climat qui régnait au moment où il s'est formé. On ne mesure pas la température du passé : on mesure une grandeur actuelle, et l'on remonte à la température par une relation établie sur des cas connus.

Trois grandes familles, et chacune a sa portée :

• Les cernes de croissance des arbres. Un arbre ajoute un anneau par an, plus large les années favorables. On y lit le climat année par année, sur les derniers siècles ou millénaires — la résolution la plus fine, mais la fenêtre la plus courte.
• Les carottes de glace. La neige qui tombe sur une calotte polaire s'y accumule, se tasse, et emprisonne des bulles d'air. En forant, on remonte une colonne de glace dont la profondeur mesure le temps : jusqu'à environ 800 000 ans en Antarctique. Ces bulles sont uniques en leur genre — elles ne donnent pas un indice du climat, elles contiennent un échantillon réel de l'atmosphère ancienne, dont on mesure directement la teneur en CO₂.
• Les sédiments océaniques. Au fond des océans s'accumulent les coquilles calcaires de micro-organismes, les foraminifères. Leur composition isotopique enregistre le climat sur plusieurs millions d'années — la fenêtre la plus longue, la résolution la plus grossière.

À cela s'ajoutent les pollens conservés dans les tourbières et les lacs : chaque espèce végétale a ses exigences de température et d'humidité, et l'inventaire des pollens d'une couche dit quelle végétation poussait là, donc quel climat y régnait.

Dater, ou l'indicateur ne sert à rien. Une mesure sans date n'apprend rien. Chaque archive porte sa méthode : on compte les cernes ou les couches annuelles de glace ; on utilise la décroissance radioactive — le carbone 14 jusqu'à quelques dizaines de milliers d'années, d'autres couples pour les temps plus longs ; on identifie des repères stratigraphiques communs à plusieurs sites (une couche de cendres volcaniques, par exemple) pour synchroniser les enregistrements entre eux.

Ce que ces archives montrent. Sur le dernier million d'années, le climat alterne entre périodes glaciaires (calottes étendues, niveau marin plus bas d'environ cent mètres) et périodes interglaciaires plus chaudes, comme celle où nous vivons. Le rythme est régulier, et cette régularité même est un indice : quelque chose de périodique commande ces alternances.

Le $\delta^{18}\mathrm{O}$, thermomètre isotopique. L'oxygène existe sous deux formes stables abondantes : $^{16}\mathrm{O}$, léger, et $^{18}\mathrm{O}$, lourd. Les molécules d'eau qui en contiennent ne se comportent pas tout à fait pareil : celle qui porte l'isotope léger s'évapore plus facilement, celle qui porte l'isotope lourd se condense plus facilement. Le trajet de la vapeur, de l'océan tropical jusqu'aux pôles, trie donc les isotopes — et ce tri est d'autant plus poussé qu'il fait froid.

D'où deux lectures, et il faut absolument les distinguer :

• Dans la glace polaire. Plus il fait froid, plus la vapeur a perdu de $^{18}\mathrm{O}$ en route, et plus la neige déposée en est appauvrie. Donc : glace appauvrie en $^{18}\mathrm{O}$ $\Rightarrow$ période froide.
• Dans les coquilles de foraminifères. Pendant une période froide, l'eau appauvrie en $^{18}\mathrm{O}$ est piégée dans les calottes ; l'océan qui reste en est donc enrichi, et les coquilles qui s'y forment aussi. Donc : coquilles enrichies en $^{18}\mathrm{O}$ $\Rightarrow$ période froide.

Les deux supports se lisent en sens opposés, parce que l'un enregistre ce qui est parti de l'océan et l'autre ce qui y est resté. Retenir « appauvri = froid » sans préciser le support, c'est se tromper une fois sur deux.

Les cycles de Milankovitch, l'horloge du système. L'orbite et l'axe de la Terre ne sont pas fixes : ils oscillent lentement, sous l'effet de l'attraction des autres planètes. Trois paramètres varient, chacun à son rythme :

• l'excentricité de l'orbite (sa forme, plus ou moins allongée) : environ 100 000 ans ;
• l'obliquité, l'inclinaison de l'axe de rotation : environ 41 000 ans ;
• la précession, l'orientation de cet axe : environ 23 000 ans.

Aucun de ces paramètres ne change notablement l'énergie totale reçue du Soleil. Ce qu'ils changent, c'est sa répartition : selon la saison et selon la latitude. Or ce qui déclenche une glaciation, ce n'est pas un hiver rigoureux — c'est un été trop frais aux hautes latitudes de l'hémisphère nord, insuffisant pour faire fondre la neige de l'hiver. La neige subsiste, s'accumule, réfléchit davantage de lumière, refroidit encore : la calotte se met en place.

Ces périodes se retrouvent dans les enregistrements. Une carotte de glace couvrant $800$ milliers d'années contient ainsi $19$ cycles complets d'obliquité — $19 \times 41 = 779$ milliers d'années, et il reste $21$ milliers d'années, moins d'un cycle. C'est cette répétition qui a permis d'identifier le forçage orbital : un signal qui revient à date fixe ne peut pas être un hasard.

Corrélation et causalité : la question la plus délicate du chapitre. Dans les carottes de glace, la courbe du CO₂ et celle de la température se superposent presque. Il est tentant d'en conclure que l'une commande l'autre — mais dans quel sens ?

Aux échelles glaciaires, le déclencheur est orbital. Le réchauffement s'amorce parce que l'insolation d'été augmente aux hautes latitudes. L'océan qui se réchauffe dégaze alors du CO₂, la fonte du pergélisol en libère aussi, et ce CO₂ supplémentaire amplifie le réchauffement par effet de serre. Le CO₂ est ici un amplificateur, pas la cause première.

À l'échelle actuelle, l'ordre est inversé. Le CO₂ est émis par les activités humaines, et c'est lui qui déclenche le réchauffement. Aucun paramètre orbital ne peut expliquer une variation de cent cinquante ans : ils agissent sur des dizaines de milliers d'années.

Le même couple de grandeurs, deux histoires causales différentes. C'est pourquoi l'échelle de temps doit toujours être précisée avant de conclure quoi que ce soit d'une corrélation.

L'argument décisif : la vitesse. Ce qui distingue le changement actuel des variations passées n'est pas son existence — le climat a toujours varié — mais sa rapidité. Les archives donnent le point de comparaison, et il se calcule : c'est l'objet de l'exemple qui suit.

Énoncé. D'après le sixième rapport du GIEC :

• lors de la dernière déglaciation, la température moyenne de la Terre s'est élevée d'environ $6$ °C en $10\,000$ ans ;
• entre la période 1850-1900 et la période 2011-2020, elle s'est élevée d'environ $1{,}1$ °C en $150$ ans ;
• la teneur atmosphérique en CO₂ valait environ $180$ ppm au dernier maximum glaciaire, $280$ ppm à l'époque préindustrielle, et $410$ ppm en 2019.

1. Calculer les deux vitesses de réchauffement, en degrés par an.
2. Combien de fois le réchauffement actuel est-il plus rapide ?
3. De quel pourcentage la teneur en CO₂ a-t-elle augmenté entre le dernier maximum glaciaire et l'époque préindustrielle ? Et entre l'époque préindustrielle et 2019 ?
4. Que peut-on en conclure, et que ne peut-on pas en conclure ?

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1. Les deux vitesses. Une vitesse de réchauffement est un écart de température divisé par une durée. Les deux doivent être exprimées dans la même unité avant toute comparaison.

2. Le rapport.

Le réchauffement actuel est donc environ douze fois plus rapide que celui qui a mis fin à la dernière période glaciaire. Ce nombre est sans unité : il compare deux grandeurs de même nature.

Contrôle de bon sens. $10\,000$ ans, c'est environ $67$ fois $150$ ans ; et $6$ °C, c'est environ $5{,}5$ fois $1{,}1$ °C. Le rapport des vitesses doit donc valoir à peu près $67 / 5{,}5 \approx 12$. Cohérent.

3. Les deux hausses de CO₂. Un pourcentage d'augmentation se rapporte toujours à la valeur de départ.

4. Ce qu'on peut conclure — et ce qu'on ne peut pas.

On peut conclure que la hausse récente du CO₂, en un siècle et demi, est du même ordre de grandeur que celle qui a séparé un maximum glaciaire d'un interglaciaire — un basculement climatique complet qui, lui, a demandé dix mille ans. Et que le réchauffement associé va environ douze fois plus vite.

On ne peut pas conclure que la situation est « la même qu'avant, en plus rapide ». Les mécanismes diffèrent : autrefois, l'orbite déclenchait et le CO₂ amplifiait ; aujourd'hui, le CO₂ déclenche, et aucun paramètre orbital ne varie assez vite pour intervenir. La ressemblance des courbes ne dit rien du sens des causes.

On ne peut pas non plus conclure de la seule corrélation entre les deux courbes des carottes de glace que le CO₂ commandait la température : c'est le mécanisme, et l'ordre fin d'apparition des variations, qui tranchent — pas la ressemblance des tracés.

Figure (fig.geology.past-climates-proxies, SVG programmatique à produire) : trois panneaux.

• Panneau haut — les trois archives et leur portée. Un axe de temps horizontal logarithmique, gradué de $10$ ans à $10$ millions d'années, orienté du présent (à droite) vers le passé (à gauche). Trois barres horizontales superposées, chacune étiquetée par son nom écrit et accompagnée d'une petite vignette : cernes d'arbres (barre courte, vignette d'un tronc coupé montrant des anneaux), carottes de glace (barre s'arrêtant à $800\,000$ ans, vignette d'un cylindre de glace avec des bulles), foraminifères des sédiments (barre la plus longue, vignette d'une coquille spiralée). Sous chaque barre, la résolution atteinte : « l'année », « la décennie », « le millénaire ».
• Panneau milieu — les trois cycles orbitaux. Trois sinusoïdes superposées sur un même axe de temps linéaire couvrant $800$ milliers d'années, tracées dans des styles de trait DISTINCTS (continu, tireté, pointillé) et non seulement dans des couleurs différentes. Chacune est étiquetée avec son nom et sa période : excentricité $100$ ka, obliquité $41$ ka, précession $23$ ka. En dessous, sur le même axe, la courbe en dents de scie du $\delta^{18}\mathrm{O}$ des foraminifères, dont les maximums coïncident visiblement avec les minimums d'insolation d'été. Une accolade sous la courbe d'obliquité, portant « $19$ cycles complets dans $800$ ka ».
• Panneau bas — les deux vitesses, à la même échelle. Un seul graphique température-temps, avec deux segments partant d'un même point : le premier, très peu incliné, s'étend sur $10\,000$ ans pour $+6$ °C ; le second, beaucoup plus raide, sur $150$ ans pour $+1{,}1$ °C. Un encart agrandi montre les $150$ dernières années à l'échelle du panneau, pour que la pente soit lisible. Cartouche : « même axe, deux pentes : rapport $\approx 12$ ».

Ce qu'il faut lire. Le panneau haut dit qu'aucune archive ne suffit seule : chacune couvre sa fenêtre, et c'est leur recoupement qui fait l'histoire du climat. Le panneau milieu montre pourquoi on parle de forçage orbital : un signal qui revient à date fixe se reconnaît dans l'enregistrement. Le panneau bas est le cœur du chapitre : ce n'est pas l'amplitude qui distingue le changement actuel, c'est la pente.

La figure en détail : la figure comprend trois parties. En haut, un axe de temps logarithmique allant de quelques dizaines d'années à plusieurs millions d'années porte trois barres horizontales de longueurs très différentes, représentant les portées respectives des cernes d'arbres, des carottes de glace et des sédiments à foraminifères ; chaque barre est nommée, illustrée d'une petite vignette et accompagnée de la résolution temporelle qu'elle permet. Au milieu, sur un axe couvrant huit cent mille ans, trois courbes ondulantes de périodes différentes, tracées en trait continu, tireté et pointillé, représentent les trois paramètres orbitaux ; sous elles, une courbe en dents de scie représentant un indicateur isotopique montre des alternances dont le rythme suit celui des courbes orbitales, et une accolade indique le nombre de cycles complets contenus dans la fenêtre. En bas, un graphique de température en fonction du temps porte deux segments issus d'un même point : un segment long et faiblement incliné correspondant à un réchauffement de six degrés en dix mille ans, et un segment très court mais nettement plus raide correspondant à un réchauffement d'un peu plus d'un degré en cent cinquante ans, ce second segment étant repris agrandi dans un encart pour rendre sa pente lisible.

Les deux sens de lecture du $\delta^{18}\mathrm{O}$, à ne jamais confondre : dans la glace, appauvri en $^{18}\mathrm{O}$ signifie froid ; dans les coquilles de foraminifères, enrichi en $^{18}\mathrm{O}$ signifie froid.

Les unités. Une teneur en CO₂ s'exprime en ppm (parties par million) ; un écart de température en °C ; une vitesse de réchauffement en °C par an ou par siècle ; un rapport de deux vitesses et un nombre de cycles sont sans unité ; un pourcentage de variation s'exprime en %.

Ce qui n'est pas au programme. Le calcul du forçage radiatif, la sensibilité climatique à l'équilibre, la modélisation numérique du climat et l'équation reliant $\delta^{18}\mathrm{O}$ et température relèvent de l'enseignement supérieur.

1. Lire le $\delta^{18}\mathrm{O}$ à l'envers. Le sens dépend du support. Glace appauvrie en $^{18}\mathrm{O}$ : froid. Coquilles enrichies en $^{18}\mathrm{O}$ : froid. Les deux lectures sont opposées parce que l'une enregistre l'eau partie de l'océan et l'autre l'eau qui y est restée. Toujours nommer le support avant de conclure.
2. Conclure d'une corrélation à une causalité, sans regarder l'échelle. Aux échelles glaciaires, l'orbite déclenche et le CO₂ amplifie ; aujourd'hui, le CO₂ déclenche. Deux courbes superposées ne disent pas laquelle commande : il faut un mécanisme.
3. Croire que le climat actuel change à la même vitesse qu'autrefois. Il change environ douze fois plus vite que lors de la dernière déglaciation. Ce n'est pas une opinion : c'est un quotient de deux quotients, et il se calcule en trois lignes.
4. Prendre « le climat a toujours varié » pour un argument. C'est vrai, et sans portée : ce qui est en question est la vitesse du changement actuel et sa cause, pas l'existence de variations passées. L'archive paléoclimatique n'affaiblit pas le diagnostic, elle le fonde — c'est elle qui fournit le point de comparaison.
5. Confondre la glace et l'air qu'elle contient. Le $\delta^{18}\mathrm{O}$ se mesure sur la glace (donc sur l'eau) ; le CO₂ se mesure dans les bulles d'air piégées. Deux mesures différentes sur la même carotte, qui ne renseignent pas sur la même chose.
6. Attribuer les glaciations à une variation de l'énergie totale reçue. Les paramètres orbitaux ne changent presque pas l'énergie totale : ils en changent la répartition selon la saison et la latitude. Le déclencheur est un été trop frais aux hautes latitudes nord, pas un hiver plus rude.
7. Oublier de dater. Une mesure sans date ne dit rien. Comptage des couches annuelles, décroissance radioactive, repères stratigraphiques communs : la datation fait partie de l'exploitation de l'archive, elle ne lui est pas ajoutée après coup.
8. Rapporter un pourcentage d'augmentation à la valeur finale. La hausse de $180$ à $280$ ppm vaut $\dfrac{100}{180} \approx 55{,}6\ \%$, et non $\dfrac{100}{280} \approx 35{,}7\ \%$. Le dénominateur est toujours la valeur de départ.

Le modèle d'entraînement. L'exercice associé sert l'une de trois questions, toutes construites sur les valeurs du GIEC : la hausse en pourcentage de la teneur en CO₂ entre deux états du climat ; le rapport entre la vitesse du réchauffement actuel et celle de la dernière déglaciation ; le nombre de cycles de Milankovitch complets qu'enregistre une archive de durée donnée. Un second modèle, en vrai ou faux, soumet une affirmation : l'échelle de temps couverte par un indicateur, le sens de lecture du $\delta^{18}\mathrm{O}$ selon le support, ou l'ordre des causes entre CO₂ et température.

Énoncé type. Lors de la dernière déglaciation, la température moyenne de la Terre s'est élevée d'environ $5$ °C en $10\,000$ ans. Depuis la période 1850-1900, elle s'est élevée d'environ $1{,}1$ °C en $150$ ans. Combien de fois le réchauffement actuel est-il plus rapide ? Donner le rapport des deux vitesses, arrondi au dixième.

Corrigé complet.

1. Poser ce qu'est une vitesse de réchauffement. C'est un écart de température divisé par une durée. Les deux vitesses doivent être calculées dans la même unité — ici, des degrés par an — avant d'être comparées. Comparer directement « $5$ °C » et « $1{,}1$ °C » n'aurait aucun sens : ce ne sont pas des vitesses.

2. Calculer la vitesse ancienne.

3. Calculer la vitesse actuelle.

4. Faire le rapport.

Réponse : environ $14{,}7$. Le réchauffement actuel est près de quinze fois plus rapide que celui de la dernière déglaciation.

Auto-contrôle. Trois questions avant de rendre. Mon résultat est-il sans unité — un rapport de deux vitesses de même nature ne peut pas s'exprimer en degrés ? Est-il supérieur à $1$ : la vitesse actuelle est bien la plus grande, donc elle doit être au numérateur. Et l'ordre de grandeur tient-il ? $10\,000$ ans font environ $67$ fois $150$ ans, tandis que $5$ °C ne font que $4{,}5$ fois $1{,}1$ °C : le rapport doit valoir environ $67 / 4{,}5 \approx 15$. C'est bien ce qu'on trouve.