M5 Limite d'état climatique - Serre vs. Glacière

Topique

Le système climatique de la Terre a connu différents états climatiques stables tout au long de l'histoire géologique de la planète, et les transitions entre ces états climatiques impliquent le croisement des bifurcations globales du système climatique lui-même. L’espace des états climatiques stables comprend au moins trois états climatiques limites. Le premier est le climat de serre, comme celui qui existait au Crétacé, il y a environ quatre-vingt-dix millions d’années, avec une concentration de dioxyde de carbone comprise entre mille et deux mille parties par million, sans glace polaire permanente et avec des températures polaires comprises entre dix et vingt degrés. Le second est le climat glaciaire, comme celui qui existe aujourd'hui au Quaternaire, avec des calottes glaciaires permanentes aux deux pôles. Le troisième est Snowball Earth, un état de gel presque complet de la planète survenu au Protérozoïque, il y a entre sept cent et six cent trente-cinq millions d'années.

Le modèle de bilan énergétique latitudinal capture la physique essentielle derrière ces états climatiques stables : pour chaque latitude, la température de cette latitude dépend de l'équilibre entre l'insolation que cette latitude absorbe et le rayonnement infrarouge qu'elle émet, plus le transport méridional de chaleur qui arrive d'autres latitudes. Dans ce modèle de bilan énergétique latitudinal, le paramètre critique est l’albédo : la glace réfléchit entre soixante et quatre-vingts pour cent du rayonnement solaire qu’elle reçoit, tandis que l’océan ou la terre nue ne reflète qu’entre six et trente pour cent de ce même rayonnement solaire.

Si la glace avance suffisamment vers les tropiques, jusqu’à franchir une latitude critique proche de trente degrés, la rétroaction entre la glace et l’albédo devient catastrophiquement positive : plus la glace avance vers les tropiques, plus l’albédo moyen de la planète augmente, et un albédo moyen plus élevé reflète davantage le rayonnement solaire et refroidit encore plus la planète, ce qui fait avancer la glace encore plus vers les tropiques. Une fois que cette rétroaction catastrophiquement positive entre la glace et l’albédo se déclenche, la planète se fige complètement et entre dans l’état Terre Boule de Neige décrit ci-dessus. Pour sortir de cet état de Terre Boule de Neige, il faut que le dioxyde de carbone volcanique s'accumule, pendant des millions d'années, jusqu'à atteindre une pression proche du dixième de la pression atmosphérique actuelle, car la glace qui recouvre toute la planète dans l'état de Terre Boule de Neige reflète tellement de rayonnement solaire qu'aucun autre mécanisme ne parvient à chauffer suffisamment la planète pour la faire fondre.

Le maximum thermique Paléocène-Éocène, survenu il y a environ cinquante-six millions d’années, est l’analogue paléoclimatique le plus proche du changement climatique anthropique actuel : une injection massive de carbone, entre trois mille et dix mille gigatonnes de carbone, survenue en moins de vingt mille ans, a produit un réchauffement climatique compris entre cinq et huit degrés, acidifié l’océan et provoqué l’extinction des foraminifères benthiques qui vivaient au fond de l’océan. Le maximum thermique Paléocène-Éocène montre que le système climatique peut réagir de manière non linéaire au forçage du carbone qui se produit très rapidement, tout comme le changement climatique anthropique actuel est aussi, par essence, un forçage du carbone qui se produit très rapidement par rapport à l’échelle des temps géologiques.

L’analyse de la sensibilité du climat à l’équilibre dans différents états climatiques – le climat de serre du Crétacé, le climat plus chaud du Pliocène et le climat actuel – révèle que la même sensibilité du climat à l’équilibre dépend de l’état climatique de fond du système climatique et n’est pas un nombre fixe indépendant de l’état climatique stable de la planète. Cette dépendance de la sensibilité du climat d'équilibre à l'état climatique de fond relie les trois états climatiques limites décrits au début – le climat de serre, le climat glaciaire et la Terre boule de neige – avec des événements de transition rapide tels que le maximum thermique Paléocène-Éocène : pour comprendre de combien le système climatique actuel va se réchauffer face à une injection de carbone donnée, il ne suffit pas de savoir cette injection de carbone, il faut aussi savoir dans quel état climatique de fond, parmi ces différents états climatiques stables, se trouve le système climatique lorsque il le reçoit.

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