Fonte des glaces devenant irréversible, arrêt de la mousson... En 2010, les climatologues ont mis en lumière un nouvel aspect du réchauffement : passé un seuil, il menace de faire basculer des pans entiers du système terre dans l'inconnu. La preuve par six.

Entre l'échec de la conférence de Copenhague, les erreurs pointées du doigt dans le dernier rapport du GIEC, et l'affaire des mails volés dans les ordinateurs du climatologues anglais, la nouvelle est passée plutôt inaperçue. Pourtant, la série d'articles publiés en décembre 2009 dans les prestigieux Comptes rendus de l'Académie nationale des sciences américaines (PNAS) a, plus que tout le reste, donné la tonalité de l'année 2010 - et sans doute au-delà - dans le domaine des sciences du climat. À savoir de l'intérêt grandissant que portent les scientifiques de diverses spécialités, comme l'écologie, la glaciologie ou l'océanographie, À ce qu'ils appellent les "points de bascule climatique". De quoi s'agit-il ? De la possibilité qu'il existe un seuil au-delà duquel une petite dose de réchauffement supplémentaire fasse basculer certaines composantes du système terrestre dans des états fondamentalement différents de ceux d'aujourd'hui. Par exemple ? Une fois un tel seuil franchi, la fonte (les calottes glaciaires au Groenland et en Antarctique deviendrait inéluctable. Idem en ce qui conceme un arrêt total de la circulation océanique dans l'Atlantique, la disparition inévitable de la forêt amazonienne ou de la mousson d'été indienne, le dégel complet du permafrost ou la fin des émissions de poussières du Sahara. Voilà pour les six plus importants "points de bascule" (infographie), mais la liste des candidats ne s'arrête pas là !
"En se focalisant sur l'évolution de la température moyenne du globe, nous vivons dans l'illusion que le changement climatique ne sera qu'un processus graduel de réchauffement, analyse Timothy Lenton, du Tyndall Centre for climate change research à Nonvich (Grande-Bretagne), un des principaux théoriciens des points de bascule. Mais la réalité, c'est que les impacts de ce réchauffement ont peu de chance d'être graduels : de grandes régions de la planète pourraient subir de profonds changements, parfois rapides, souvent irréversibles, menaçant des millions de personnes".

La quête de ces systèmes vulnérables est donc ouverte. Pour les débusquer, les dizaines d'équipes qui planchent sur le sujet disposent de trois armes. La première, c'est l'étude du passé, qui peut mettre en évidence des changements abrupts pour ces systèmes lors d'épisodes antérieurs de changement climatique. Les paléoclimatologues estiment ainsi que la circulation océanique dans l'Atlantique Nord a été profondément ralentie à plusieurs reprises au cours de la dernière période glaciaire. Une étude parue en novembre dernier envisage qu'elle se soit même inversée il y a 20.000 ans, les courants profonds s'écoulant alors du sud vers le nord !
La deuxième piste concerne la sensibilité du système étudié. "Le terme de point de bascule suggère l'existence d'un processus d'auto-amplification au cour même de la dynamique du système", explique Timothy Lenton. La plus connue de ces rétroactions est celle qui met en jeu la glace de la banquise : une augmentation initiale de la température entraîne sa fonte, laissant apparaître l'eau de mer. Or cette eau réfléchira moins les rayons du soleil que la glace ; elle va donc augmenter localement le réchauffement. La perte de la glace amplifie donc la hausse des températures à l'origine de la fonte.
Enfin, la troisième voie d'exploration des points de bascule repose sur les modèles numériques. Ceux-ci permettent, une fois mis en évidence un processus d'auto-amplification, de simuler la réponse de ces systèmes à divers scénarios d'augmentation des températures, et de guetter un éventuel seuil de bascule.

Dans un article publié en juin 2010, Kirsten Zickfeld, de l'université Simon-Fraser (Canada), estime sur la base d'un questionnaire envoyé à des experts du climat que plus les températures augmenteront au XXIe siècle, plus la probabilité de franchir au moins un des points de bascule majeurs est grande. "Ce qui est intéressant, c'est que même pour le scénario de la plus faible hausse des températures, la probabilité de franchir un seuil est considérée comme non nulle par la plupart des spécialistes", confie la chercheuse. En clair, la possibilité qu'un des rouages du système climatique franchisse le point de non-retour dans les décennies à venir est sérieusement envisagée. Avec des conséquences pour les autres ? "Nous n'entrevoyons pas nécessairement d'effet domino entre les différents systèmes à point de bascule, prévient Timothy Lenton. Certains pourraient même en fait en stabiliser d'autres. "Par exemple, si la fonte de la calotte de glace du Groenland devrait augmenter le risque de voir la circulation océanique s'arrêter, un ralentissement des courants marins retarderait la fonte du Groenland, car ils transporteraient moins de chaleur des tropiques vers les pôles.

UNE POSSIBLE STABILISATION

Reste que la recherche des points de bascule climatiques n'en est qu'à ses balbutiements. "On ne peut toujours pas dire où sont les seuils, ni même affirmer avec certitude que tous les systèmes étudiés possèdent effectivement un point de bascule", reconnaît Anders Leverman du Potsdam Institute for climate impact research (le PIK), qui a publié en octobre dernier un rapport sur l'impact en Europe de ces potentiels changements. En cause ? La possibilité qu'existent pour chacun des candidats envisagés des processus non identifiés qui s'opposent à l'emballement et stabilisent le système dans son état actuel. "Il semble que nous devions vivre au moins encore une décennie d'ignorance concernant les impacts les plus inquiétants du réchauffement global", remarque pour sa part Hans Joachim Schellnhuber, directeur du PIK, à l'origine avec Timothy Lenton d'une formalisation de la notion de point de bascule. Rendez-vous donc en 2020.

LA QUÊTE DES SIGNES PRÉCURSEURS À l'image des systèmes d'alerte aux tsunamis et aux séismes, peut-on prévenir qu'un seuil est sur le point d'être franchi ? Les climatologues mises sur la théorie des systèmes dynamiques. Selon celle-ci, un système se rapprochant d'un point critique de transition possède des caractéristiques universelles : il se remet de plus en plus lentement des perturbations qu'il subit. Comme un élastique sur lequel on tire et qui reprend vite sa forme initiale lorsqu'il est neuf, mais qui finit, après un certain temps, par perdre cette capacité. "Il n'est pas possible d'expérimenter sur les composantes du système climatique, par exemple en arrêtant la circulation océanique et en regardant en combien de temps elle reprend. En revanche, nous pouvons observer la façon dont ces systèmes réagissent aux petites perturbations naturelles qu'ils subissent en permanence", explique Vasilis Dakos, de l'université de Wageningen aux Pays-Bas. En 2008, il a mis en évidence l'existence de ces signes précurseurs de basculement lors de changements climatiques abrupts survenus dans le passé. Les séries de données disponibles ne seraient cependant pas encore assez longues pour savoir si des systèmes climatiques actuels sont sur le point de basculer. Le phénomène du point de bascule peut être schématisé par le mouvement d'une bille dans un trou. Quand le système est loin du seuil, la bille reprend sa position d'équilibre rapidement après une perturbation (1). Si le système se rapproche du moment critique, le retour à l'équilibre est plus long (2). Lorsque le seuil est franchi la bille s'échappe et rejoint un autre trou.

La mousson est liée à un contraste thermique entre un continent chaud et un océan plus frais. Si cette différence de température s'atténuait, ce phénomène naturel serait menacé.

Des centaines de millions de personnes attendent chaque année qu'elle déverse l'eau nécessaire à leurs cultures, tout en redoutant les crues qu'elle peut engendrer. Mais voilà : la mousson d'été indienne pourrait ne plus être au rendez-vous. Parce que le mécanisme à l'origine même de ces pluies cycliques rend possible leur disparition.
"Les pluies de la mousson existent seulement parce qu'il pleut lors de la mousson", explique sans plaisanter Kirsten Zickfeld, de l'université Simon-Fraser (Canada), qui a développé un modèle numérique pour tester la stabilité de ce phénomène. Pour le comprendre, il faut revenir sur son fonctionnement. Au printemps, le continent indien chauffe plus rapidement que l'océan et, de ce fait, les vents qui soufflaient jusqu'alors vers la mer changent de sens, apportant un air chargé d'humidité au-dessus des terres. La condensation de la vapeur d'eau des nuages en gouttes de pluie libère alors de la chaleur dans l'atmosphère, ce qui accroît la différence de température entre l'océan et le continent.

LA POLLUTION EN CAUSE

Plus il pleut, plus ce contraste thermique est grand, plus le flux d'air humide en provenance de l'océan est important, et donc... plus il pleut ! "Chaque printemps, une spirale démarre, initiée par l'insolation et auto-amplifiée par la mousson elle-même", résume Kirsten Zickfeld. Mais si la différence de température entre océan et continent est atténuée, la spirale fonctionnera dans l'autre sens : les vents seront plus faibles et transporteront moins d'humidité, il pleuvra moins, ce qui réduira la libération de chaleur latente, donc le contraste thermique. Il pleuvra dès lors de moins en moins... Cette réduction initiale du gradient thermique entre océan et continent peut être obtenue si la température au-dessus de l'Inde baisse. Par exemple, si l'albédo de la surface continentale - la part du rayonnement solaire réfléchi - augmente, par le biais d'une déforestation à grande échelle, ou si l'albédo de l'atmosphère, via la pollution par les aérosols sulfatés, augmente. "Nos simulations montrent qu'il existe une valeur critique de l'albédo telle que la dynamique de la mousson ne peut plus être entretenue, dévoile Kirsten Zickfeld. Mais il est très difficile de quantifier ce seuil". Autre enseignement, la réponse du système est rapide : "Si, une année, on a une très importante quantité d 'aérosols au-dessus de l'Asie du Sud, il pourrait ne pas y avoir de mousson, estime la chercheuse. Et s'il n'y a plus ces aérosols l'année d'après, la mousson pourrait reprendre". Alors que les simulations prévoient une intensification de la mousson à l'avenir, du fait de l'augmentation plus rapide des températures à la surface des continents qu'en mer, ce phénomène pourrait faire défaut si les aérosols contrecarrent localement le réchauffement.

Selon le GIEC, une augmentation de 3°C de la température globale entraînerait l'amincissement inexorable de la calotte glaciaire. Un Groenland totalement et durablement dépourvu de toute glace : voilà ce qu'entrevoient les climatologues si le réchauffement continue sur sa lancée.

En 2007, le GIEC estimait qu'une augmentation de 3°C de la température globale pourrait faire basculer la calotte glaciaire dans un processus de déstabilisation inexorable. Des simulations numériques réalisées depuis proposent des seuils divers, allant de + 0,6°C seulement à plus de 6°C. Si la température du seuil varie d'un modèle à l'autre, l'existence même d'un seuil est à relier à un mécanisme de rétroaction entre le climat et la calotte : l'effet de l'altitude. De fait, la température de l'atmosphère décroît avec l'altitude, et la calotte de glace atteignant par endroits 3,5 km d'épaisseur, il fait bien plus froid à son sommet qu'au niveau de la mer.

MOINS ÉPAIS, PLUS FRAGILES

Or, sous l'effet de la fonte des glaces, la calotte perdrait de son épaisseur : il y régnerait donc une température plus élevée, ce qui en retour faciliterait la fonte à l'origine de cet amincissement... Reste que, s'il est possible de franchir le seuil de non-retour dans les décennies à venir, la désintégration complète de la calotte polaire nécessiterait plusieurs millénaires. Une fonte qui pourrait aussi être irréversible, même en cas de refroidissement en cours de route, selon l'étude publiée en novembre par Jeff Ridley, du Met Office (Royaume-Uni). "Nous avons mis en évidence des seuils en termes de quantité de glace restante au Groenland au-delà desquels la calotte ne retrouve pas son état initial, même si nous retombons au niveau préindustriel de concentration atmosphérique en CO2". Si la calotte est réduite de plus de moitié, voire si elle fond complètement, un retour aux températures du XIXè siècle ne lui permettrait de retrouver qu'un quart de sa surface actuelle. Avec pour conséquence, à long terme, une élévation irréversible du niveau des mers de 5 m ! Pour retrouver une calotte telle qu'on la connaît aujourd'hui, il faudrait alors entrer dans une nouvelle période glaciaire. Ce qui n'est pas attendu avant plusieurs dizaines de milliers d'années.

Une simulation envisage un avenir plus humide pour une partie du désert, donc moins de poussières. Aujourd'hui, c'est l'endroit le plus poussiéreux du monde. Demain, la dépression du Bodélé, dans le nord du Tchad, pourrait bien l'être plus encore, ou devenir... un lac !

Or, cette zone de 150 km de côté est responsable de plus de la moitié des émissions de poussières du Sahara. Transportées sur des milliers de kilomètres, elles fertilisent les océans, et jusqu'à l'Amazonie. Elles influencent aussi les températures du globe en réfléchissant les rayons du soleil. Les simulations envisagent deux futurs antagonistes pour la région du Bodélé.
Pour certaines, le climat y deviendrait plus aride, et les vents plus violents. Ce qui augmenterait la quantité de poussières, donc "un renforcement de leur effet refroidissant", estime Richard Washington (université d'Oxford). Pour d'autres, la région serait plus humide. "Or, une modification de la pluviométrie, du couvert végétal ou de la circulation atmosphérique, peut empêcher le soulèvement des poussières, qui est en soi un phénomène à seuil, rappelle Christel Bouet, de l'université Paris-Est. L'humidité renforce en effet la cohésion des particules du sol, et la végétation les met À l'abri du vent. Cette gigantesque source de poussières pourrait ainsi se tarir d'ici à 2100, accentuant le réchauffement.

Une trop grande quantité d'eau douce libérée par la fonte des glaciers du Groenland bloquerait la circulation océanique. Un océan quasi immobile, brassé seulement par les vents. Voilà à quoi ressemblerait l'Atlantique si la circulation thermohaline s'arrêtait.

Chaque seconde, plus de 15 millions de mètres cubes d'eau dense (car froide et salée) plongent dans les mers du nord avant de retourner vers le sud. Une circulation abyssale compensée en surface par un flux chaud venu des tropiques, qui adoucit au passage le climat européen. Or, ce "tapis roulant" pourrait se gripper si la quantité d'eau douce qui parvient à l'Atlantique Nord, via les précipitations et la fonte du Groenland, dépasse un seuil, pour l'instant mal connu. Car cette eau douce dilue l'eau de mer et la rend moins dense, gênant sa plongée et freinant dès lors la circulation océanique. Une fois initié, ce ralentissement s'auto-amplifierait. "Si la circulation venait à ralentir, cela réduirait du même coup le transport d'eau salée et affaiblirait plus encore le processus de densification des eaux, donc la circulation...", explique Didier Swingedouw, du CNRS.

L'EUROPE GRELOTTERAIT

Sans cette circulation, l'Europe du Nord verrait sa température chuter de plusieurs degrés en hiver, et le niveau des mers augmenter de 1 mètre. La distance qui nous sépare de ce seuil est difficile à apprécier, car les modèles sont imparfaits. Mais, il faudrait encore 50 à 100 ans pour obtenir un arrêt total de la circulation océanique, une fois le point de bascule franchi.

De hautes herbes à perte de vue, et quelques arbres pour rompre la monotonie : tel pourrait être le futur visage de l'Amazonie. Car si les périodes de sécheresses se multiplient, comme l'envisagent certains modèles climatiques, la luxuriante forêt tropicale humide risque de faire place à une savane.

En cause, un changement de régime des pluies dans la région provoqué par l'augmentation de la température des océans pacifique et Atlantique. Une perturbation initiale qui serait amplifiée par la régression de la forêt elle-même, celle-ci recyclant l'eau vers l'atmosphère par évapotranspiration. Moins de forêt cela veut dire moins de pluie, et donc encore moins de forêt... Des chercheurs brésiliens estiment que si l'Amazonie perd la moitié de sa superficie actuelle, ce mécanisme de rétroaction provoquerait inévitablement la perte du reste de la forêt. Sans parler des quantités de CO2 qui seraient, du coup, libérées dans l'atmosphère. Et ce destin serait aussi valable si c'est la déforestation, et non le climat, qui conduit à franchir ce seuil fatidique.

LE DOUBLE EFFET DU CO2

Mais ce scénario reste incertain, car il faut prendre en compte l'impact sur la végétation de l'augmentation de la teneur en CO2 : en effet, dans ce type de situation, leur croissance s'accélère, et leur besoin en eau diminue, car les plantes ferment leurs stomates (petits orifices permettant les échanges gazeux). "L'élévation de la concentration en CO2 a donc deux effets antagonistes : une possible réduction des précipitations sur l'Amazonie, mais aussi une moindre demande en eau des plantes, résume Peter Cox, de l'université d'Exeter. L'incertitude sur le devenir de la forêt vient du fait qu'on ne sait pas lequel de ces deux effets va supplanter l'autre". Mais le chercheur de prévenir que si le changement climatique est causé par d'autres gaz à effet de serre, comme le méthane, le risque de voir disparaître l'Amazonie - et l'immense puits de carbone qu'elle représente apparaît bien plus grand.

La fonte provoquerait la décomposition de la matière organique, libérant du C02. Dans les profondeurs des sols gelés de Sibérie orientale dorment depuis 40.000 ans près de 650 milliards de tonnes de carbone organique.

Mais, il ne faudrait que cent ans, dès lors que le réchauffement climatique aura brisé cette cage de glace, pour que l'essentiel de ce carbone se retrouve dans l'atmosphère ! D'après la simulation de Dmitry Khvorostyanov (Ecole polytechnique, Palaiseau), si la température de surface des sols se réchauffe de 10°C, la propagation de cette chaleur en profondeur activera la décomposition de la matière organique enfouie. "Une fois enclenché, ce processus sera irréversible, révèle le chercheur. Car la chaleur dégagée par la réaction d'oxydation de la matière organique maintient le sol à une température qui permet cette dégradation". La décomposition, par les miçro-organismes, des feuilles et des racines piégées dans le permafrost fait grimper la température au sein du sol jusqu'à 45°C. "Donc, même si le réchauffement s'arrêtait, le processus continuerait", poursuit le chercheur.
Près de 3 milliards de tonnes de carbone pourraient être libérées chaque année, l'équivalent du tiers des émissions anthropiques actuelles. Le seuil de non-retour pourrait être atteint dans un peu plus d'un siècle.