Histoire de la recherche sur le changement climatique

En tant que l'un des pionniers du concept des temps préhistoriques, le polymathe anglais Robert Hooke soupçonne déjà vers la fin du XVII^e siècle en se basant sur l'étude des fossiles du Jura (tels que les ammonites et les tortues de mer) que le climat du sud de l'Angleterre a dû être considérablement plus chaud au début de la période géologique[1]. Sur cette base, il suggère de déterminer les climats des habitats primitifs à l'aide de fossiles. Contre la croyance alors largement répandue dans le mythe de la création biblique, l'hypothèse d'une époque primitive, qui englobait des périodes considérablement plus longues que l'histoire humaine historiquement documentée, n'a pu prévaloir qu'un siècle plus tard. Au cours du siècle des Lumières et avec le développement de la géologie dans la science moderne à partir de 1750, la notion préhistorique a progressivement gagné du terrain. Néanmoins, de nombreux scientifiques sont alors encore influencés dans leur réflexion par des idées religieuses, comme le montre la dispute sur le basalte[2]. L'ingénieur et géographe Pierre Martel apporte une première contribution à l'établissement de la théorie de la période glaciaire en 1742. Selon lui, les glaciers de Chamonix étaient autrefois beaucoup plus étendus, suggérant un climat plus froid dans le passé. Une opinion similaire est partagée par son compatriote suisse Gottlieb Sigmund Gruner, qui, dans son livre Voyages à travers les régions les plus étranges de l'Helvétie en 1778[3], associe le conglomérat d'anciennes moraines terminales aux peuplements glaciaires antérieurs. Avec ces connaissances, Martel et Gruner ont des décennies d'avance sur leur temps. La possibilité de glaciations étendues en raison d'un climat façonné par l'ère glaciaire est soulevée à la fin du 18^e siècle, mais l'idée est trop révolutionnaire pour être acceptée par la science.

Des blocs erratiques déposés par des glaciers loin de tout glacier existant, ont conduit les géologues à la conclusion que le climat avait changé dans le passé.

Entre 1780 et 1830, un débat fondamental, en partie motivé par la religion, prend place entre les neptunistes et les plutonistes[4]. Le déluge, thème central des neptunistes, constitue dans la première moitié du XIX^e siècle, un véritable événement géologique, synonyme de plusieurs inondations mondiales. La controverse entre les neptunistes et les plutonistes est également devenue apparente dans le différend sur l'origine et la « migration» des blocs erratiques déposés par les glaciers de la période glaciaire dans la région alpine, dans les plaines du nord de l'Allemagne et en Scandinavie et qui sont caractéristiques des glaciers. L’énigme des rochers largement dispersés est discutée de plus en plus intensément à partir de 1760 : la théorie de la dérive, les inondations, les coulées de boue et de gravats ainsi que les éruptions volcaniques sont utilisées comme explications pour le transport de ces blocs erratiques[5].

À cette époque, il y a encore un long chemin à parcourir pour approfondir la compréhension de la dynamique des glaciers et de la morphologie glaciaire, et seuls les travaux et les recherches de Louis Agassiz, Jean de Charpentier, Karl Friedrich Schimper et Ignace Venetz commencent à brosser un tableau de plus en plus différencié du climat de la période glaciaire à partir de 1830 et des processus associés[6] - [7] - [8].

En 1801, l'astronome William Herschel découvre qu'entre 1650 et 1800, une période plus tard connue sous le nom de petit âge glaciaire, un petit nombre de taches solaires semble être associé à de mauvaises récoltes de blé et, selon lui, à des températures inhabituellement basses[9]. La relation qu'il déduit entre les changements cycliques de l'activité solaire et les fluctuations naturelles du climat est cependant déjà controversée à l'époque et est ensuite discutée jusqu'à la fin du 20^e siècle[10] - [11].

En 1856, Eunice Newton Foote étudie l'effet du rayonnement solaire sur le réchauffement de l'air, et l'influence de la concentration de certains gaz, dont le dioxyde de carbone (CO₂), sur ce phénomène qui sera ensuite appelé « effet de serre ». Elle montre que le phénomène est plus important dans l'air humide et dans le dioxyde de carbone, et décrit ses résultats dans un article intitulé Circumstances affecting the heat of the sun’s rays[12] - [13] - [14]. Ses travaux ont été présentés par le professeur Joseph Henry lors de la réunion de l'American Association for the Advancement of Science en août 1856 et décrits dans une brève note rédigée par le journaliste de l'époque, David Ames Wells ; son article a été publié plus tard cette année-là dans l'American Journal of Science and Arts. Peu de gens ont remarqué l'article et il n'a été redécouvert qu'au 21e siècle[15] - [16].

Le travail de Foote est antérieur de trois ans à celui de John Tyndall[17], généralement crédité pour la découverte de l'effet de serre[18] - [13] - [19], qui s’est très certainement inspiré des travaux de Foote sans la mentionner[13].

Chronologie des principaux événements de l'histoire de la science du climat, 1820 à 1930

Jusqu'au milieu du 19^e siècle, les partisans désormais plus nombreux de la théorie de la période glaciaire ont rassemblé tellement de preuves et de « témoins climatiques » de l'existence d'une période glaciaire antérieure qu'il devient progressivement plus difficile d'ignorer les arguments avancés. Au cours de l'exploration géologique de l'Amérique du Nord, il est également devenu clair que la phase froide observée en Europe n'était pas un phénomène régional, mais avait apparemment affecté tout l'hémisphère nord. Le modèle de l'âge glaciaire est confirmé par la découverte de traces de glaciation très anciennes en Afrique, en Australie et en Inde, qui, selon les connaissances actuelles, sont attribuées à la glaciation du permocarbone il y a environ 300 millions d'années[20].

En tant que l'un de ses représentants les plus infatigables, le naturaliste suisse Louis Agassiz (1807–1873) a fait campagne pour l'acceptation scientifique du concept de la période glaciaire. Lors de nombreux voyages, combinés à des conférences devant un public académique, et à travers la publication de plusieurs ouvrages, il apporte une contribution décisive à la vulgarisation de ses idées[21]. Néanmoins, vers 1850, un consensus scientifique sur ce sujet n'est pas encore en vue.

Cela a été retardé principalement pour les raisons suivantes [22] :

• Pour la plupart des géoscientifiques contemporains, un « hiver mondial », tel que le postulaient des chercheurs comme Karl Friedrich Schimper, signifiait un retour au catastrophisme fondé par Georges de Cuvier et à la théorie du cataclysme qui lui était associée. Ce point de vue a été remplacé par le concept « moderne » d'uniformitarisme du géologue anglais Charles Lyell.
• En même temps que les résultats géologiques d'une période glaciaire, on trouvait aussi dans les couches stratigraphiques correspondantes des indices clairs de périodes chaudes antérieures. Cette apparente incompatibilité est devenue sans objet avec les progrès de la chronostratigraphie et de la géochronologie, notamment avec la découverte que la période glaciaire quaternaire avait été interrompue à plusieurs reprises par des interglaciaires comme la période chaude de l'Eémien.
• Pendant des décennies, les idées sur l'extension possible et le comportement d'écoulement des glaciers se sont orientées sur l'exemple des glaciers alpins. Tirant des conclusions globales de cette perspective locale, les géoscientifiques de l'époque rejetaient presque unanimement l'idée d'une croissance en taille de champs de glace couvrant la moitié des continents. Cette doctrine a changé radicalement avec le début de l'exploration et de la mesure de la calotte glaciaire du Groenland dans la deuxième moitié du XIX^e siècle.

À quelques exceptions près, la théorie des périodes glaciaires a été généralement acceptée au plus tard vers 1880 et est devenue un pilier important des géosciences sous la forme de la recherche sur le quaternaire[23]. Cependant, il a longtemps manqué un modèle théorique solide capable de décrire correctement, d'un point de vue physique, les causes des différentes périodes chaudes et froides de l'histoire de la Terre. Malgré cela, les bases de la climatologie actuelle se sont développées en partie parallèlement à la théorie des périodes glaciaires et remontent, dans leurs débuts, loin dans le XIX^e siècle.

L'utilisation généralisée des thermomètres, y compris dans les serres, a commencé dans la première moitié du XVIII^e siècle (échelles de température selon Fahrenheit, Réaumur et Celsius 1724, 1730 et 1742). En 1767, Horace-Bénédict de Saussure mesurait l'intensité du rayonnement solaire dans les vallées et en hauteur sous forme de température dans des boîtes en verre superposées. Dans une version améliorée, une première « boîte de cuisson solaire », il a atteint des températures de plus de 100 °C[24].

L'observation de la dynamique des changements de température a conduit Joseph Black, le découvreur du dioxyde de carbone, à distinguer la quantité de chaleur de la température dans la seconde moitié du XVIII^e siècle. Il a fondé les concepts de chaleur latente et de capacité thermique, mais avait une idée erronée de l'impulsion du flux de chaleur compensant les différences de température (voir Théorie calorique)[25] - [26]. En 1791, Pierre Prévost a déduit des expériences de Saussure et de Marc-Auguste Pictet, qui avaient représenté des corps chauds ou froids sur des thermomètres à l'aide de miroirs concaves métalliques, qu'un équilibre thermique pouvait s'établir entre des corps uniquement par rayonnement (voir théorème de Prévost)[27].

Jean Baptiste Joseph Fourier, Portrait de Julien Léopold Boilly (1796)

Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830) a expliqué en 1824 l'effet de serre atmosphérique[28]. Il remarqua que la terre était beaucoup plus chaude qu'elle ne devait l'être, selon une estimation grossière, sans atmosphère. Il a constaté que l'atmosphère est très bien « transparente » à la lumière visible, mais pas au rayonnement infrarouge émis par le sol réchauffé. Les nuages adouciraient les nuits en absorbant ce rayonnement. Il a comparé cet effet à celui de la boîte de cuisson de Saussure[29] - [30].

Fourier a correctement reconnu que la majeure partie du réchauffement résultant de la boîte de cuisson n'était pas due à l'effet de serre, mais à l'arrêt de la convection. Le réchauffement de la boîte était donc principalement dû au fait que le rayonnement solaire agissait comme source de chaleur et que la circulation entre l'air extérieur et l'air intérieur était empêchée. Le terme d'« effet de serre », créé au début du XX^e siècle, est encore utilisé aujourd'hui en climatologie, bien que l'effet de serre atmosphérique soit principalement basé sur l'effet climatique de différents gaz à effet de serre. Fourier constatait tout aussi correctement que des changements naturels ainsi que des influences de la civilisation humaine pouvaient avoir un impact sur le climat. Il s'attendait toutefois à ce que de tels changements soient uniquement dus à des modifications de la réflectivité, c'est-à-dire de l'albédo de la Terre. Bien que Fourier comptait sans aucun doute parmi les meilleurs mathématiciens et scientifiques de son époque, il n'a pas réussi à décrire mathématiquement l'effet de réchauffement de l'effet de serre[31].

L'effet chauffant du rayonnement électromagnétique sur différents gaz a été étudié en 1856 par Eunice Newton Foote, qui a décrit ses expériences avec des tubes de verre exposés à la lumière du soleil. L'effet chauffant du soleil était plus important avec de l'air comprimé qu'avec un tube sous vide et plus important avec de l'air humide qu'avec de l'air sec : "Troisièmement, j'ai constaté l'effet le plus puissant des rayons solaires avec du gaz carbonique" (Dioxyde de carbone)[32]. Elle poursuivit : "Une atmosphère de ce gaz donnerait à notre Terre une température élevée ; et si, comme certains le supposent, à un moment donné de son histoire, l'air était mélangé à ce gaz dans une plus grande proportion qu'aujourd'hui, il doit nécessairement résulter de son action, ainsi que d'une augmentation de son poids, une température élevée". Leur travail a été présenté par le professeur Joseph Henry lors de la réunion de l'American Association for the Advancement of Science en août 1856 et décrit dans une courte note par le journaliste de l'époque David Ames Wells[33]. Son travail a été publié plus tard la même année dans l'American Journal of Science and Arts. Peu de gens ont pris connaissance de ce document, qui n'a été redécouvert qu'au XXI^e siècle[34] - [35] - [36] - [37].

Le spectrophotomètre de John Tyndall (dessin de 1861) mesure la quantité de rayonnement infrarouge absorbée et émise par différents gaz remplissant son tube central.

« De la même manière qu'un barrage provoque un gonflement local d'un fleuve, notre atmosphère, qui agit comme une barrière aux radiations provenant de la Terre, génère une augmentation des températures à la surface de la Terre. »

— John Tyndall[38]

C'est ainsi que John Tyndall (1820-1893) a décrit en 1862 l'effet de serre naturel. Il a identifié les gaz responsables de cet effet au cours de nombreuses mesures effectuées avec la plus grande précision possible à l'époque. Il a découvert que la vapeur d'eau était responsable de la majeure partie de l'effet de serre. Il qualifia tout aussi correctement la contribution des autres gaz, comme le dioxyde de carbone (CO₂) ou l'ozone (O₃), de nettement plus faible influence, mais non négligeable[39].

Les mesures de Tyndall se basaient entre autres sur les travaux préliminaires de Macedonio Melloni, qui avait fait œuvre de pionnier en ce qui concerne la technique de mesure nécessaire. Dans l'appareil de Tyndall, un tube d'environ un mètre de long a été utilisé, dont les extrémités ont été recouvertes de fenêtres en sel gemme, car contrairement aux vitres, celles-ci sont transparentes au rayonnement infrarouge. À une extrémité, il a placé de l'eau bouillante, dont la température est très facile à maintenir stable au point d'ébullition, et à l'autre extrémité, un thermocouple connecté à un ampèremètre sensible. L'oscillation de l'ampèremètre était une mesure de la quantité de rayonnement infrarouge qui pouvait traverser le tube jusqu'au thermocouple. L'étude du spectre d'absorption des gaz de l'atmosphère terrestre ne faisait pas l'objet de ses mesures ; il se concentrait sur une quantification de la capacité d'absorption du rayonnement infrarouge[40].

Convaincu du bien-fondé de la théorie de la glaciation, alors controversée, il se rendit à plusieurs reprises en Suisse à partir du milieu des années 1850 (en 1856 avec le biologiste Thomas Henry Huxley), où il étudia sur place la plasticité de la glace et le comportement d'écoulement des glaciers. Il en résulta, dans les années qui suivirent, un grand nombre d'articles sur ce thème, publiés dans des revues anglophones, germanophones et francophones. En partant de questions géologiques et géophysiques, Tyndall s'est également consacré à la météorologie et à l'impact des gaz à effet de serre sur le climat[41] Il a fait valoir qu'une légère diminution de la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère terrestre entraînerait une légère baisse de la température globale. Cependant, la concentration de vapeur d'eau, un gaz à effet de serre beaucoup plus puissant, s'en trouverait affectée, ce qui entraînerait un refroidissement important[42].

Cependant, pour comprendre en détail les mécanismes climatiques des périodes chaudes et froides précédentes, il fallait d'autres connaissances physiques, qui n'ont été acquises pour l'essentiel qu'au cours du XX^e siècle. Les scientifiques qui, à la fin du XIX^e et au début du XX^e siècle, ont indiqué que l'homme était en mesure de modifier le climat de la Terre par son action n'ont guère retenu l'attention pendant longtemps. De l'avis général, il ne fallait pas s'attendre à un réchauffement au cours des prochains siècles, et il n'était pas non plus possible de vérifier par des mesures techniques l'influence de l'homme sur le système climatique terrestre. De plus, en l'absence de mesures systématiques, il n'existait jusqu'au milieu du XX^e siècle aucune preuve significative d'une modification des concentrations de gaz à effet de serre dans l'atmosphère terrestre.

Diagramme des cycles de Milanković avec aperçu de la Précession (Precession), obliquité de l'écliptique (Obliquity), Excentricité (Excentricity), variations du rayonnement solaire sur la Terre (Solar Forcing) ainsi que les périodes froides et chaudes (Stages of Glaciation)

Dès le début du XIX^e siècle, on a spéculé sur différentes causes astronomiques des périodes glaciaires. Ainsi, en 1824, le géologue danois Jens Esmark émet l'hypothèse selon laquelle l'orbite de la Terre autour du Soleil aurait été fortement excentrique à l'époque préhistorique et aurait ressemblé à celle d'une comète revenant périodiquement. Dans les années 1830, le mathématicien français Siméon Denis Poisson a supposé, sur la base de la théorie de l'éther alors dominante, une subdivision de l'univers en régions plus chaudes et plus froides, à travers lesquelles le système solaire se serait déplacé au cours de longues périodes de temps[41]. Le naturaliste écossais James Croll (1821-1890) a formulé la première théorie de l'ère glaciaire fondée et bien argumentée. S'appuyant sur les calculs du mathématicien Joseph-Alphonse Adhémar et de l'astronome Urbain Le Verrier, il défendit en 1864, dans un article retentissant publié dans le Philosophical Magazine[43] l'idée que des modifications de l'orbite terrestre, associées à la forte rétroaction glace-albédo, pourraient être responsables de l'apparition des périodes glaciaires. Il fut le premier à souligner la puissance de cette rétroaction dans le système climatique mondial. C'est à partir de 1870 environ que la possibilité d'influences cosmiques ou solaires sur le climat terrestre a été discutée scientifiquement sur une base plus large[44].

La théorie de Croll a été étayée par des calculs concrets dans les années 1920 et 1930 par Milutin Milanković et Vladimir Köppen. Cependant, jusque dans les années 1960, peu de climatologues pensaient que c'était dans les cycles de Milanković que se trouvait la cause des périodes glaciaires : la variation de l'intensité du rayonnement solaire était très faible par rapport aux variations de température observées. Elle était également trop petite si l'on tenait compte de la rétroaction de la vapeur d'eau et de l'albédo glaciaire. De plus, on a trouvé des preuves géologiques sur les périodes glaciaires passées qui semblaient contredire la théorie. Au cours de la première moitié du XX^e siècle, les données climatiques relatives aux périodes glaciaires passées et à leurs processus cycliques étaient en outre trop imprécises pour étayer ou réfuter les thèses de Croll et Milanković[45].

Outre les travaux de Tyndall, la loi de Kirchhoff sur le rayonnement, formulée par Gustav Robert Kirchhoff en 1859, et la loi de Stefan-Boltzmann, développée en 1879 par Josef Stefan et Ludwig Boltzmann, ont constitué des bases essentielles. Cette dernière permettait de calculer la puissance émise par un émetteur d'une température donnée. Wilhelm Wien a complété la loi de Stefan-Boltzmann en 1893 et, à l'aide de sa loi de Wien sur le déplacement, il a été possible de calculer la longueur d'onde du flux de photons le plus élevé émis par un émetteur à une température donnée[46]. En 1900, Max Planck a finalement réuni ces lois dans la loi de Planck sur le rayonnement, qui constitue encore aujourd'hui la base physique la plus importante pour comprendre le bilan radiatif de la Terre.

Svante Arrhenius, l'un des pionniers de l'histoire de la science du réchauffement climatique

Le physicien et chimiste suédois Svante Arrhenius (1859-1927) était fasciné par l'idée de Tyndall selon laquelle les concentrations variables de dioxyde de carbone pouvaient être un facteur essentiel pour expliquer les grands sauts de température entre les périodes chaudes et glaciaires. Se basant sur les travaux préliminaires de Samuel Pierpont Langley, il a été le premier à effectuer des calculs approfondis. Il a finalement calculé un modèle climatique simplifié qu'il a exécuté pendant plusieurs mois sans l'aide de machines. En 1896, il a publié ses résultats, ainsi que son hypothèse selon laquelle une réduction de moitié de la concentration de dioxyde de carbone suffirait à déclencher une ère glaciaire[47].

Il a reçu un soutien important pour sa théorie, entre autres de Nils Ekholm et Thomas Chrowder Chamberlin. Dans une publication parue en 1899, Cyrus F. Tolman estimait que les océans du monde entier contenaient, sous forme d'acide carbonique, environ 18 fois plus de dioxyde de carbone que l'atmosphère ; la solubilité du dioxyde de carbone dépend toutefois de la température. Il est donc tout à fait possible qu'il s'agisse des réservoirs dans lesquels le CO₂ atmosphérique a été dissous pendant les périodes glaciaires. Il pourrait être libéré en cas d'augmentation du réchauffement climatique, ce qui renforcerait la tendance actuelle des températures moyennes mondiales[48] - [49].

Le fait qu'un enrichissement anthropique en CO₂ dans l'atmosphère puisse continuer à augmenter la température actuelle de la Terre n'a d'abord été mentionné par Arrhenius que comme un aspect secondaire[50] - [47]. Ce n'est que dans une publication parue en 1906 qu'il en a discuté en détail. Il a calculé une sensibilité climatique de 5 à 6 °C. Sur la base des taux d'émission mondiaux de l'année 1896, il s'attendait à ce que la teneur en dioxyde de carbone atmosphérique nécessaire pour une telle augmentation de température soit deux fois plus élevée dans environ 3 000 ans, et ce n'est que dans quelques siècles qu'il s'attendait à ce qu'une augmentation de température soit mesurable[28]. Il espérait ainsi « des conditions climatiques plus régulières et meilleures » ainsi que « des récoltes multipliées »[51]. Mais il a également compris qu'une utilisation durable des combustibles fossiles entraînerait des problèmes à long terme en raison du réchauffement climatique qui en résulterait[52]. Le contemporain d'Arrhenius, Walther Nernst, a repris l'idée d'Arrhenius et a proposé de produire du dioxyde de carbone supplémentaire pour réchauffer l'atmosphère terrestre. Il voulait pour cela brûler du charbon qui ne pouvait pas être extrait de manière rentable[28].

Chronologie des principaux événements de l'histoire de la science du climat, de 1930 à 1960

Dans les années 1930, les Américains ont remarqué que les températures avaient augmenté dans leur région au cours des décennies précédentes ; la plupart des scientifiques pensaient qu'il s'agissait d'un cycle climatique naturel et qu'un effet de serre accru n'était qu'une des nombreuses causes possibles[28]. Après avoir analysé les données de température des 50 dernières années provenant de 200 stations météorologiques, Guy Stewart Callendar (1898-1964) a déterminé un taux de réchauffement global annuel statistiquement significatif de 0,005 °C. Il a conclu qu'il s'agissait d'un phénomène naturel. Il estimait que ce réchauffement était trop prononcé et trop étendu pour être basé sur une fluctuation naturelle du climat. Dans un article publié en 1938, il a estimé à 150 millions de tonnes la quantité de dioxyde de carbone émise au cours des 50 dernières années. Il supposait qu'environ trois quarts de cette quantité se trouvaient encore dans l'atmosphère. Il estimait le réchauffement résultant de cette quantité de gaz à effet de serre à 0,003 °C/an (situation en 2011 : 0,02 °C/an) et partait d'une concentration de CO₂ de 274 ppm en 1900 ; en prolongeant le taux d'émission annuel estimé à l'époque à 4,5 milliards de tonnes de dioxyde de carbone, il prévoyait une concentration atmosphérique de dioxyde de carbone de 396 ppm en 2100 (cette valeur a été atteinte en 2013). Il estimait le réchauffement résultant de la combustion des combustibles fossiles à 0,16 °C pour le XX^e siècle, à 0,39 °C pour le XXI^e siècle et à 0,57 °C pour le XXII^e siècle. Callendar considérait également le réchauffement climatique comme un élément positif, car le réchauffement anthropique semblait écarter dans un avenir prévisible le risque d'un retour prochain de l'âge de glace[49].

Hermann Flohn a été le premier climatologue allemand à défendre l'effet climatique global de l'augmentation anthropique des concentrations de CO₂ ou le changement climatique anthropique depuis sa conférence inaugurale en 1941[57] à l'université de Würzburg et a publié de nombreuses publications à ce sujet jusqu'à sa mort en 1997[58]. Flohn est considéré au niveau international comme l'un des précurseurs de la recherche internationale et nationale sur le climat[59] et n'a cessé d'attirer l'attention sur le problème du CO₂ depuis l'après-guerre. Bien que cette position n'ait pas fait l'unanimité parmi les climatologues de l'époque, il a reçu le soutien d'experts, notamment de l'éminent climatologue Mikhaïl Ivanovitch Budyko.

Les années 1950 ont vu une énorme augmentation des connaissances dans tous les domaines scientifiques. En raison de la guerre froide, le gouvernement américain a augmenté les dépenses de recherche dans de nombreux domaines des sciences naturelles et de la technologie, y compris la géologie, l'océanographie et la météorologie. Les militaires s'intéressaient à la manière dont les radiations des bombes atomiques étaient absorbées et dont les retombées se répartissaient dans l'atmosphère et les océans. Ils voulaient également savoir si un essai nucléaire en surface avait eu lieu. Il n'y avait pratiquement aucun domaine qui ne pouvait pas être important pour l'armée[42].

L'une des principales avancées de la paléoclimatologie a été la combinaison de la datation radiométrique avec la chromatographie et la spectrométrie de masse. Il est ainsi devenu possible de déterminer l'âge absolu et donc l'époque de formation de nombreux fossiles.

Cycle du carbone du ¹⁴C

Willard Libby avait déjà développé dans les années 1930 des méthodes de comptage pour une très faible radioactivité. Sur cette base, il a présenté en 1949 la datation au radiocarbone. Ce procédé révolutionnaire a permis de déterminer l'âge de fossiles carbonés datant de moins de 50 000 ans avec une précision inconnue jusqu'alors. Les tests en surface des armes nucléaires ont entraîné une forte augmentation de la concentration de carbone 14 (¹⁴C) radioactif, l'effet des armes nucléaires. Grâce à la nouvelle technique de Libby, il était désormais possible de détecter également le ¹⁴C produit par les essais de bombes atomiques.

Le directeur de la Scripps Institution of Oceanography américaine, Roger Revelle, s'était intéressé de près à la chimie des océans au début de sa carrière, dans les années 1930. Il était considéré comme un expert dans ce domaine et avait accumulé d'énormes connaissances sur les échanges gazeux entre l'atmosphère et les océans. Il ne disposait toutefois pas de méthodes appropriées pour étudier les échanges gazeux de dioxyde de carbone, si bien qu'il s'est tourné vers d'autres choses[65].

Pour pouvoir absorber le dioxyde de carbone supplémentaire généré par la combustion de combustibles fossiles, les océans devaient se mélanger. Par hasard, dans le cadre d'un projet de recherche, Revelle a découvert que le carbone radioactif produit lors d'un essai de bombe sous-marine se déplaçait dans une couche d'un mètre d'épaisseur seulement, mais qui s'étendait sur des centaines de kilomètres carrés. Cela prouvait, à son grand étonnement, qu'il n'y avait pratiquement pas eu de mélange vertical de la couche d'eau. Si cela s'appliquait au ¹⁴C issu des essais nucléaires, cela devait également s'appliquer à toute autre substance introduite dans les océans, y compris le dioxyde de carbone[65].

Un jour, Revelle a pris connaissance des travaux de Hans E. Suess, qui travaillait sur les méthodes d'optimisation de la nouvelle datation au radiocarbone. Cela correspondait bien à ses projets de recherche sur le mélange et l'échange de gaz dans les océans ; heureusement, il avait des budgets pour recruter Suess afin d'aborder avec lui les questions non résolues sur l'échange de dioxyde de carbone dans les océans[65].

Après avoir évalué les études sur le ¹⁴C, Revelle et Suess ont publié en 1957 que le temps de séjour moyen du dioxyde de carbone dans l'atmosphère était de l'ordre d'une dizaine d'années[66]. Ceci était en bon accord avec les résultats du groupe de travail de James R. Arnold[67], qui avait travaillé auparavant chez Willard Frank Libby et qui venait d'entrer à l'université de Princeton. En 1958, Arnold rejoint Revelle sur le nouveau campus de l'Université de Californie à San Diego[68].

Les chercheurs ont estimé la durée d'un bouleversement complet des océans à quelques centaines d'années. Les résultats ont permis de conclure que le dioxyde de carbone produit par la combustion de combustibles fossiles se dissout très rapidement dans les océans, et qu'il semblait donc peu probable qu'il s'accumule dans l'atmosphère. Mais cela rendrait sans fondement les spéculations sur un éventuel réchauffement climatique d'origine humaine, provoqué par une augmentation de la concentration de ce gaz traceur[65].

Ces résultats étaient toutefois en contradiction avec les analyses de Guy Callendar. Ce dernier ne se lassait pas de souligner que les séries de mesures (assez imprécises) du gaz traceur dioxyde de carbone dont il disposait indiquaient clairement que celui-ci s'accumulait dans l'atmosphère. Mais il y avait encore un indice bien plus important : Suess avait découvert, lors de ses études sur la datation au radiocarbone, que les échantillons de bois les plus récents présentaient un rapport ¹²C/¹⁴C décalé : Plus ils étaient jeunes, moins ils contenaient de ¹⁴C. Et ce, moins que ce qui pouvait être justifié par la désintégration radioactive. Cet effet s'expliquait par le fait que le dioxyde de carbone de l'atmosphère avait été mélangé à du dioxyde de carbone provenant de la combustion de combustibles fossiles, dans lesquels le ¹⁴C s'était presque entièrement désintégré en raison de son grand âge. Cet effet a été connu plus tard sous le nom d'effet Suess. Les arguments ne pouvaient être rejetés d'un revers de main. Revelle et Suess ont cherché des erreurs dans leur travail. Ils ont d'abord tenté d'expliquer la contradiction par le fait qu'ils n'avaient pas inclus l'absorption de dioxyde de carbone par les plantes dans leur raisonnement. Mais Bert Bolin et Erik Eriksson ont finalement trouvé le problème principal : les chercheurs avaient étudié le transfert de substances en présence d'une concentration d'équilibre entre l'atmosphère et les océans. Or, la combustion de combustibles fossiles entraîne un afflux constant de CO₂, il n'y a donc pas d'équilibre. Si l'on tient également compte du taux de rotation très lent des océans, le résultat est tout autre : le dioxyde de carbone atmosphérique serait certes rapidement dissous, mais tout aussi rapidement réémis dans l'atmosphère, de sorte que seuls 25% environ seraient absorbés par les océans[69]. Le rapport entre l'émission atmosphérique et l'absorption par les océans a été nommé d'après Roger Revelle et appelé facteur Revelle.

Tout portait à croire que Callendar avait raison et que le dioxyde de carbone s'était effectivement accumulé dans l'atmosphère[65].

Afin de déterminer si l'augmentation de la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, prédite par Revelle et Suess, était effectivement détectable par des mesures, l'Institut Scripps a posé sa candidature pour l'Année géophysique internationale 1957/58 avec un projet de mesure du dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Le projet fut confié au jeune chimiste Charles David Keeling ; un an plus tard, il pouvait déjà présenter la « courbe de Keeling » qui porte son nom et qui fut la première preuve indubitable de l'augmentation de la concentration de ce gaz à effet de serre. Contrairement à ses prédécesseurs qui avaient échoué dans cette tâche, Keeling a effectué ses mesures loin des sources et des puits de ce gaz traceur et a utilisé pour la première fois un capteur infrarouge non dispersif avec un montage de mesure qui a fourni des résultats d'une grande précision. Ses mesures étaient d'autant plus précises qu'il ne les enregistrait pas ponctuellement, mais en continu à plusieurs stations éloignées les unes des autres.

En 1956, Gilbert Plass a utilisé pour la première fois des ordinateurs pour calculer le réchauffement attendu, en intégrant pour la première fois dans ses projections de modèles des spectres d'absorption précis du CO₂. Des mesures correspondantes avaient été effectuées par des physiciens de l'université Johns Hopkins, et Plass a pu recourir à ces données dans le cadre d'une coopération. Il a été le premier à démontrer que les bandes d'absorption de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone ne se superposent pas. Il a également constaté qu'un réchauffement global provoqué par une augmentation de la concentration de dioxyde de carbone ne serait pas évité même si les bandes d'absorption se superposaient complètement. Il a calculé un réchauffement global de 3,6 °C pour un doublement supposé de la concentration atmosphérique de dioxyde de carbone[70]. Pour l'an 2000, il a supposé une teneur en dioxyde de carbone de l'atmosphère supérieure de 30 % et s'est attendu à ce que le réchauffement global qui en résulte soit d'environ un degré[71].

Selon ces données, il fallait s'attendre à un réchauffement global anthropique mesurable non plus dans des siècles, mais déjà dans des décennies. L'effet de serre était quantifié avec plus de précision grâce aux calculs de Plass, et l'augmentation de la concentration du gaz à effet de serre, le dioxyde de carbone, était également désormais clairement établie. Roger Revelle a commenté cela par ces mots souvent cités : « L'humanité s'est lancée dans une expérience géophysique à grande échelle qui n'a pas eu lieu dans le passé et qui n'aura pas lieu une deuxième fois dans le futur sous cette forme »[72].

Chronologie des principaux événements de l'histoire de la science du climat, de 1960 à aujourd'hui

La disponibilité des premiers ordinateurs avait conduit dans les années 1950 aux premières prévisions météorologiques numériques, et l'on voulait naturellement utiliser les ordinateurs pour calculer les processus climatologiques. Cela a cependant apporté dans un premier temps plus de confusion que de clarification et a attisé les doutes sur la justesse de la thèse du réchauffement climatique[76].

À l'aide des données précises sur l'absorption de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone publiées par Gilbert Plass quelques années auparavant, Fritz Möller a calculé un modèle climatique unidimensionnel dans lequel il a non seulement pris en compte la vapeur d'eau libérée par le réchauffement supplémentaire, ce que l'on appelle la rétroaction de la vapeur d'eau, mais aussi l'échange de chaleur entre le sol et l'atmosphère. À son grand étonnement, ses calculs ont révélé des réchauffements massifs et même, dans certaines conditions, un réchauffement interminable, qui n'a cessé de s'amplifier jusqu'à ce que tous les océans s'évaporent. Mais en supposant qu'une augmentation d'un pour cent de la couverture nuageuse résulte du réchauffement, cela aurait complètement compensé l'effet réchauffant d'une augmentation même de 10 % de la concentration en dioxyde de carbone. Et personne ne connaissait la réaction de la formation des nuages à un changement de température. Décrire correctement l'influence des nuages était un problème majeur et le resterait au cours des décennies suivantes[76].

La raison de la spirale de réchauffement constatée par Möller a été rapidement trouvée : Dans son modèle climatique unidimensionnel, il avait certes pris en compte le transport de chaleur entre le sol et l'air, mais pas le transport de chaleur par convection. Syukuro Manabe l'a réalisé dès le milieu des années 1960 et l'a développé en collaboration avec Richard Wetherald. Le « Manabe-Wetherald one-dimensional radiative-convective model », créé en 1967, est considéré comme le premier modèle atmosphérique un tant soit peu réaliste, qui tient compte à la fois du bilan radiatif de la Terre et de la convection qui se produit. Ce modèle a donné un réchauffement de 2,3 °C qui résulterait d'un doublement de la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère[76] - [77].

Représentation du satellite Nimbus 3

Au milieu des années 1960, une autre technologie clé est devenue utilisable pour la climatologie : les satellites d'observation de la Terre. Dès 1966, la deuxième génération de satellites TIROS a été utilisée de manière opérationnelle pour la recherche climatique et disposait de radiomètres et de spectromètres. Dès lors, il était possible de mesurer depuis l'espace le bilan thermique de la Terre, sa couverture de glace ou le spectre et l'intensité du rayonnement solaire. Les mesures liées au soleil étaient pour la première fois totalement exemptes d’influences atmosphériques et ont conduit à une définition précise de la constante solaire, qui ne pouvait auparavant être déterminée que de manière approximative.

En 1969, Manabe a pu vérifier son modèle climatique à l'aide du satellite Nimbus III et de données mesurées depuis l'espace. Il a montré une bonne concordance[78].

Le nombre et la qualité des instruments satellitaires installés allaient fortement augmenter dans les décennies à venir, avec des progrès considérables en matière de miniaturisation.

Changement d'albédo au Groenland (observations de 2011)

Mikhaïl Ivanovitch Budyko a réalisé un autre travail de pionnier. Il a calculé les bilans radiatifs pour le rayonnement entrant et sortant dans les régions arctiques et a fourni des données quantitatives pour la rétroaction glace-albédo qui n'était décrite jusqu'à présent que de manière qualitative. Il a mis en garde avec insistance contre les changements climatiques qui en résulteraient, même si ceux-ci n'étaient pas attendus avant le siècle prochain.

En 1965, le comité consultatif scientifique du président américain Lyndon B. Johnson s'est adressé à Roger Revelle pour obtenir des informations sur les effets possibles d'un réchauffement de la planète causé par le dioxyde de carbone. Dans le rapport publié la même année, Revelle et ses collègues prévoyaient notamment que l'atmosphère contiendrait environ 25 % de dioxyde de carbone en plus d'ici l'an 2000, ce qui modifierait le bilan thermique atmosphérique de telle sorte que des changements climatiques importants pourraient se produire[79]. Ils ont affirmé « avec une certitude raisonnable » que « les combustibles fossiles sont actuellement la seule source de CO₂ ajoutée au système océan-biosphère-atmosphère »[80], et ont conclu dans le résumé :

« Through his worldwide industrial civilization, Man is unwittingly conducting a vast geophysical experiment. Within a few generations he is burning the fossil fuels that slowly accumulated in the earth over the past 500. million years. The CO₂ produced by this combustion is being injected into the atmosphere; about half of it remains there. The estimated recoverable reserves of fossil fuels are sufficient to produce nearly a 200 % increase in the carbon dioxide content of the atmosphere. By the year 2000 the increase in atmospheric CO₂ will be close to 25 %. This may be sufficient to produce measurable and perhaps marked changes in climate, and will almost certainly cause significant changes in the temperature and other properties of the stratosphere ».

Pouvant être traduit par:

« Par sa civilisation industrielle mondiale, l'Homme mène sans le savoir une vaste expérience géophysique. En quelques générations, il brûle les combustibles fossiles qui se sont lentement formés dans la terre au cours des 500 millions d'années passées. Le CO₂ produit par cette combustion est libéré dans l'atmosphère, où il reste environ la moitié. Les réserves estimées de combustibles fossiles pouvant être extraites sont suffisantes pour augmenter la teneur en dioxyde de carbone de l'atmosphère de près de 200 %. D'ici l'an 2000, l'augmentation du CO₂ atmosphérique sera proche de 25 %. Cela peut suffire à produire des changements mesurables et peut-être significatifs du climat, et entraînera presque certainement des changements importants de la température et d'autres caractéristiques de la stratosphère. »

Les experts ont donc recommandé d'examiner les chances et les risques de la géoingénierie. Il s'agirait d'augmenter l'albédo de la surface terrestre afin de compenser l'effet réchauffant de l'augmentation de la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère[81].

L'image des périodes glaciaires passées a pu être retracée de plus en plus clairement et a montré que les changements climatiques pouvaient se produire très rapidement. Contrairement à l'hypothèse répandue pendant des décennies d'un climat stable et immuable, tout indiquait désormais que même de petites modifications de paramètres pouvaient entraîner des changements climatiques brusques. Des travaux préliminaires datant de 1966 avaient déjà apporté la preuve que des changements climatiques rapides et violents s'étaient produits à la fin de la dernière période glaciaire. Les résultats, qui dans les années 1960 provenaient exclusivement de carottes sédimentaires prélevées au fond de l'océan autour du Groenland, ont désormais pu être recoupés à d'autres endroits de la planète et avec d'autres méthodes de détection, comme les carottes de glace. Ils ont en outre démontré de manière concordante qu'une période chaude comme celle de l'Holocène n'était pas la règle, mais l'exception dans l'histoire climatique du Quaternaire[90]. De courtes périodes chaudes ont alterné avec de longues périodes froides. Même dans les années 1970, aucune preuve métrologique n'a pu être fournie concernant le réchauffement climatique prédit depuis longtemps mais jamais confirmé. De plus, la période chaude actuelle, l'Holocène, a déjà duré 11 700 ans, alors que la dernière période chaude, l'Eémien, s'est terminée après une durée de 11 000 ans. Pour certains, une période glaciaire imminente semblait donc plus probable qu'un réchauffement[91] - [92].

Cycle simplifié du carbone.

Au début des années 1980, les chercheurs ont découvert que le cycle du carbone avait une sorte de mécanisme de régulation qui maintenait la Terre dans une plage de température favorable au développement de la vie la plupart du temps. On savait depuis longtemps que le dioxyde de carbone entrait dans l'atmosphère via l'activité volcanique et en sortait via l'altération des roches. Le processus d'altération des roches a deux caractéristiques essentielles. D'une part, son intensité dépend de la température moyenne de la Terre, et plus la température est élevée, plus le carbone est lié, et d'autre part, il se déroule très lentement. On pouvait donc supposer qu'il y avait eu des phases dans l'histoire de la Terre où ce processus avait échoué parce qu'il réagissait trop lentement. Les géologues ont finalement trouvé des couches de roches adaptées en Namibie : Les couches les plus anciennes témoignent d'une longue période de glaciation qui a touché une grande partie du globe. Étant donné que les surfaces glacées réfléchissent très efficacement la lumière du soleil, une très forte concentration de gaz à effet de serre était nécessaire pour libérer la Terre de cette glaciation. Et en effet, les couches plus récentes qui se trouvaient au-dessus témoignaient d'un taux d'altération très élevé par la suite, comme on pouvait s'y attendre dans un climat chaud. Pendant la longue période glaciaire, l'altération était très faible, tandis que les volcans augmentaient continuellement la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère jusqu'à ce que les masses de glace commencent à fondre et que le « miroir » refroidissant des surfaces de glace blanche devienne de plus en plus petit, ce qui, via la rétroaction glace-albédo accélère le processus de réchauffement jusqu'à ce que toute la glace ait fondu et que la terre soit dans un climat chaud. Ce climat extrêmement chaud a duré des dizaines de milliers d'années, comme on pouvait s'y attendre d'après la dynamique de l'altération des roches. La raison en était que les masses de glace fondaient beaucoup plus vite que le dioxyde de carbone ne disparaissait de l'atmosphère. Avec la découverte du mécanisme de contrôle, un élément essentiel pour clarifier le soi-disant paradoxe du jeune soleil faible a été trouvé. Les scientifiques ont longtemps cherché à expliquer le fait que l'eau liquide a existé tout au long de l'histoire de la Terre, bien que le rayonnement solaire de l'Archéen était environ 25% plus faible qu'aujourd'hui et n'a augmenté régulièrement qu'au cours de quelques milliards d'années[95].

Les chercheurs ont maintenant inclus les fluctuations de l'activité solaire dans leurs calculs et ont commencé à prendre en compte les détails des masses terrestres. Par exemple, ils ont paramétré la vitesse à laquelle la pluie s'écoule sur les différents sols, ainsi que la réflectivité (albédo) plus faible des forêts par rapport aux déserts. Malgré de gros efforts, les modèles climatiques des années 1980 étaient également déficients à bien des égards. Les modélisateurs choisissaient souvent des paramètres sans base empirique pour exclure ces conditions impossibles, faute d'alternatives.

L'un des problèmes non résolus dans les années 1980 était le faible contraste de température entre les régions polaires et équatoriales, qui ne se retrouvait pas dans les modèles climatiques, et qui existait apparemment pendant les périodes glaciaires. Les données CLIMAP ne correspondaient pas aux modèles, peu importe comment les chercheurs essayaient de les paramétrer. Une comparaison de 14 modèles climatiques a également montré que les nuages n'étaient pas du tout représentés de manière adéquate dans les modèles[96]. Malheureusement, les données de mesure disponibles provenant des satellites n'étaient pas non plus assez précises pour corriger ce défaut à l'aide d'observations[97].

Dans les années 1930, Alfred Wegener prélevait déjà des carottes de glace dans la glace du Groenland afin d'en tirer de précieuses informations sur le passé climatique. Les progrès en matière d'analyse physique et chimique ont permis aux chercheurs d'extraire de plus en plus d'informations des échantillons au cours des années suivantes. Après des années d'efforts infructueux, au début de l'année 1980, on était enfin prêt à reconstruire de manière fiable la concentration en dioxyde de carbone des jours passés à partir de minuscules bulles d'air stockées dans la glace. Ce que l'on a trouvé était une sensation : à l'apogée de la dernière période glaciaire, il y a 20 000 ans, la concentration de dioxyde de carbone n'était que la moitié de celle de la période chaude du XX^e siècle. Cela prouvait pour la première fois ce que John Tyndall, Svante Arrhenius et Thomas Chamberlin avaient supposé 80 ans plus tôt, mais n'avaient pas pu le prouver de leur vivant[98] - [99] : une baisse drastique de la concentration atmosphérique en dioxyde de carbone était essentielle à l'apparition des périodes glaciaires. Un forage dans l'Antarctique a apporté une certitude supplémentaire : une carotte a permis de reconstruire les 150 000 dernières années. Il a montré l'évolution de la concentration de dioxyde de carbone au cours d'un cycle glaciaire complet : chaud - froid - chaud. La concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère était étonnamment synchrone avec l'évolution de la température, elle était faible pendant la période glaciaire, élevée pendant la période chaude[100].

Les carottes de glace ont montré non seulement une augmentation et une diminution de la concentration de CO₂, mais aussi, presque parallèlement, une augmentation et une diminution de la concentration de méthane. Cette dernière était élevée lorsqu'il faisait chaud et faible lorsqu'il faisait froid. Des études isotopiques ont montré que les êtres vivants étaient les sources de ce méthane. En cherchant des candidats potentiels, on a trouvé de nombreuses sources potentielles: Les rizières, les bactéries dans l'estomac des ruminants, dans le sol des marais et des marécages. Les êtres vivants ont manifestement eu une influence significative sur l'évolution du climat mondial.

Bien que la concentration de ce gaz à effet de serre soit nettement inférieure à celle du CO₂ et que sa durée de vie moyenne dans l'atmosphère ne soit que de 12 ans, l'impact du méthane en tant que gaz à effet de serre est 72 fois plus important que celui du CO₂ sur une période de 20 ans[101]. Dans les années 1980, la concentration atmosphérique de méthane a augmenté de 1 % par an. Il est en hausse depuis la fin du XVI^e siècle[102].

Veerabhadran Ramanathan, 2009

L'océanographe Veerabhadran Ramanathan faisait partie du groupe qui, au milieu des années 1970, a mis en garde contre les gaz à effet de serre à très faible concentration, dont on parlait peu à l'époque[102]. En 1981, Ramanathan a écrit que le très fort effet de serre des CFC pourrait à lui seul réchauffer la Terre d'un degré entier d'ici l'an 2000 si les émissions de ce gaz se poursuivaient au rythme actuel ; en 1985, il a publié un travail retentissant selon lequel pas moins de 30 gaz à l'état de traces agissent comme des gaz à effet de serre et que l'homme a déjà augmenté et continue d'augmenter considérablement la concentration d'un certain nombre de ces gaz. Ensemble, ces gaz auraient presque le même potentiel d'effet de serre que le dioxyde de carbone, qui était jusqu'à présent le seul à faire l'objet de toutes les attentions[103].

Il se trouve que l'année de sa publication, le trou dans la couche d'ozone a été découvert au-dessus de l'Antarctique. Les chimistes de l'atmosphère avaient donc eu raison de mettre en garde contre les menaces pesant sur la couche d'ozone. Et même les politiciens non spécialistes pouvaient désormais constater l'ampleur de l'influence des gaz à l'état de traces à très faible concentration sur l'atmosphère. Si le réchauffement climatique dû au dioxyde de carbone constituait à lui seul une menace, il était désormais clair que le problème était bien plus important. Une action internationale s'imposait. Deux ans plus tard, en 1987, le Protocole de Montréal décide d'interdire la fabrication des CFC, et l'année suivante 1988 voit la formation du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat, en abrégé GIEC.

Dans les années 1980, alors que le réchauffement attendu depuis de nombreuses années commençait à apparaître dans les enregistrements des données de température globale, les scientifiques se sont demandé quels effets du changement climatique d'origine humaine étaient encore acceptables et où se trouvait la limite d'un changement climatique dangereux. Dans ce contexte, la Société allemande de physique a plaidé pour le respect d'un objectif d'un degré lors d'une conférence de presse le 22 janvier 1986[104] et conjointement avec la Société météorologique allemande en 1987. En cas de dépassement d'un degré de réchauffement global par rapport à la moyenne qui existait avant l'intervention humaine sur le climat mondial, il faut s'attendre à de graves conséquences négatives[105].

Logo du GIEC

En novembre 1988, le Programme des Nations Unies pour l'environnement (PNUE) et l'Organisation météorologique mondiale (OMM) ont créé le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC)[106]. Le GIEC a été créé sous la direction de l'administration américaine conservatrice Reagan avec pour tâche de rassembler les rapports et les recommandations de tous les plus grands scientifiques mondiaux dans le domaine de la climatologie, le consensus des gouvernements concernés étant obligatoire pour chaque rapport[107].

Évaluation de la carotte de glace de Vostok : le profil de température, le profil de la concentration en dioxyde de carbone, la concentration en méthane et la force du rayonnement solaire, ce que l'on appelle l'insolation, sont présentés au cours des 400 000 dernières années.

À la fin des années 1990, une équipe de recherche russo-française de la station antarctique orientale de Vostok réussi à récupérer une carotte de glace d'une longueur record de plus de 3 000 mètres. Celle-ci montrait, dans l'évolution climatique des 420 000 dernières années, quatre cycles glaciaires complets d'une durée de 100 000 ans chacun. Grâce à l'amélioration des méthodes d'analyse, la concordance avec les cycles de Milanković, déjà surprenante au Groenland, a pu être reproduite, ainsi que l'augmentation et la diminution parallèles des concentrations de dioxyde de carbone et de méthane. Une analyse approfondie a confirmé une hypothèse émise des années auparavant[108] - [109] : L'augmentation de la concentration en dioxyde de carbone a toujours eu lieu après l'augmentation de la température. Alors que les résultats précédents suggéraient un décalage de 600 à 800 ans, des travaux plus récents indiquent qu'il n'y a pas eu de décalage ou seulement un léger décalage de quelques années ou décennies entre le réchauffement et l'augmentation de la concentration en CO₂[110] - [111].

Le réchauffement n'était pas synchrone ; il y avait une différence temporelle significative entre les hémisphères nord et sud, le réchauffement de l'hémisphère sud commençant avant le réchauffement de l'hémisphère nord[112].

Forage du Cape Roberts Project, dans la mer de Ross en Antarctique qui a fourni de nombreuses carottes de glace

L'analyse de la carotte de glace a démontré une fois de plus l'importance des gaz à effet de serre et des autres mécanismes de rétroaction : la légère modification du bilan radiatif de la Terre provoquée par les cycles de Milanković a été renforcée par une modification de la concentration des gaz à effet de serre atmosphériques. Avec la rétroaction glace-albédo, la rétroaction vapeur d'eau et d'autres éléments de rétroaction plus faibles, l'effet était si important qu'il a entraîné l'apparition et la disparition de périodes glaciaires. On ne savait pas si le dioxyde de carbone libéré provenait des océans, du pergélisol, des hydrates de méthane ou d'autres sources. Ce qui était sûr, c'est que l'augmentation de la concentration de ces gaz était une conséquence de ce faible réchauffement et l'avait encore accentué.

Alors que pendant la période glaciaire quaternaire, la concentration de gaz à effet de serre a souvent augmenté en réponse à la tendance au réchauffement des cycles de Milanković, les émissions humaines (anthropiques) sont actuellement responsables de l'anticipation de la concentration de gaz à effet de serre par rapport à l'augmentation de la température proprement dite. Dans les deux cas, l'effet est le même : une augmentation du réchauffement couplée à un nouveau dégagement de gaz à effet de serre, comme cela pourrait être le cas dans les zones de permafrost en fonte. Il en va de même pour les hydrates de méthane présents dans de nombreuses zones océaniques, qui sont stockés sous forme solide sur les plateformes et dans les eaux profondes et qui fixent des quantités importantes de méthane, de l'ordre de 10 000 milliards de tonnes[113] - [114]. Dans les décennies à venir, une libération accrue de méthane à partir d'hydrates de méthane ou du pergélisol pourrait être un signal d'alarme clair pour une spirale de réchauffement auto-renforcée[45].

Le premier rapport d'évaluation du GIEC, publié en 1990, indiquait qu'il était certain qu'il existait un effet de serre naturel et que l'homme augmentait la concentration de certains gaz à effet de serre, ce qui entraînerait une augmentation globale de la température[115]. Cependant, en 1990, il y avait peu de preuves empiriques d'un changement climatique causé par l'homme ("little observational evidence").

Dans le deuxième rapport d'évaluation, publié six ans plus tard et présidé par Benjamin D. Santer, il était déclaré pour la première fois : « La comparaison des données suggère que l'homme a eu une influence notable sur le climat global du 20^e siècle ("'the balance of evidence suggested there had been a discernable human influence on the climate of the 20th century")[116]. »

Dès les années 1950, les effets des aérosols sur le climat ont été discutés : l'effet de serre dû à l'interaction avec le rayonnement infrarouge et la diffusion et l'absorption de la lumière solaire comme effets directs, ainsi que l'effet indirect en tant que germes de condensation de la vapeur d'eau, ce qui permettrait aux aérosols, même sombres, d'avoir un effet refroidissant - le signe de l'effet global était encore incertain après les années 1990.

La situation était différente pour les aérosols de sulfate clairs. James E. Hansen avait utilisé les données des éruptions volcaniques du Mont Agung en 1963 et d'El Chichón en 1982 pour quantifier l'effet refroidissant des éruptions volcaniques. Dès les années 1960, il était donc clair que les aérosols de sulfate avaient un effet refroidissant sur le climat, ce qui pouvait être facilement vérifié à l'aide de carottes de glace, même pour des éruptions très anciennes.

L'éruption du mont Pinatubo en 1991 s'est avérée être une aubaine pour les climatologues. Ils ont pu vérifier si leurs hypothèses sur les effets des sulfates étaient correctes, car le volcan a émis près de 20 millions de tonnes de dioxyde de soufre, un nuage de sulfate de la taille de l'État américain de l'Iowa. Le groupe de Hansen a prédit un refroidissement d'un demi-degré principalement sur les latitudes nord plus élevées et durant quelques années[117]. C'est exactement ce qui a été observé[118].

Les modèles climatiques ont été paramétrés dans les années 1990 grâce à la connaissance des émissions de sulfate refroidissant des éruptions volcaniques. Une contradiction a ainsi pu être résolue : Si la sensibilité climatique, c'est-à-dire le réchauffement attendu en cas de doublement de la concentration de dioxyde de carbone, devait effectivement être de l'ordre de trois degrés, cela aurait dû apparaître dans l'évolution de la température moyenne mondiale dans les années 1960 et 1970, ce qui n'a pas été observé. Une fois que l'effet refroidissant du dioxyde de soufre est devenu partie intégrante des modèles, l'évolution de la température au cours du 20^e siècle a été bien représentée[97].

Le problème de la trop grande différence de température entre les latitudes polaires et équatoriales a également été résolu au cours de cette décennie : Des études sur des carottes de glace ont révélé que les reconstructions de l'étude CLIMAP, qui indiquaient des températures quasiment inchangées aux latitudes équatoriales pendant les périodes glaciaires, n'étaient probablement pas correctes.

Alors qu'au cours des décennies précédentes, certains paramètres des modèles climatiques devaient être choisis sans fondement physique pour éviter que le modèle n'atteigne des conditions irréalistes, les modèles climatiques des années 1990 semblent avoir atteint un niveau de qualité tel qu'ils ne peuvent plus être amenés à reproduire des données de mesure erronées en choisissant des paramètres appropriés[97].

L'objectif de deux degrés a été formulé à la fin des années 1990 comme la limite applicable au niveau international pour un changement climatique à peu près acceptable. Il a peut-être été proposé pour la première fois par le Conseil consultatif allemand sur le changement global (WGBU). Le WBGU a approuvé la limite dans un rapport de 1995. L'objectif des deux degrés a été adopté par les politiciens et a été au centre de la politique européenne de protection du climat. Il repose sur l'hypothèse que si le réchauffement global dépasse deux degrés, des points de basculement (tipping points) seront atteints, entraînant des conséquences négatives irréversibles et difficilement évaluables[119].

Dans le troisième rapport d'évaluation du GIEC, publié en 2001, l'influence de l'homme sur le climat a non seulement été démontrée avec plus de certitude, mais l'amélioration des données a également permis de quantifier l'ampleur de l'influence de l'homme sur le changement climatique[124]. Alors que le deuxième rapport d'évaluation faisait état d'une influence notable de l'homme sur le climat, il est désormais écrit qu'il existe des preuves solides que l'homme modifie le climat de la Terre. Pour illustrer l'ampleur de l'influence humaine, le rapport contenait une reconstruction de la température par Michael E. Mann, connue sous le nom de graphique en crosse de hockey

Éléments de basculement possibles dans le système climatique.

On savait déjà depuis les années 1970 que le climat de la Terre réagissait souvent de manière chaotique : De petits changements peuvent avoir de grands effets, ce qui s'est souvent produit dans le passé lors de changements climatiques brutaux. Dans les années 2000, Hans Joachim Schellnhuber a souligné que le système climatique et les écosystèmes comportaient un certain nombre d'éléments qui avaient tendance à changer de manière difficilement réversible, voire irréversible, c'est-à-dire qu'ils restaient dans leur nouvel état même après la disparition de l'effet qui avait déclenché le changement. Ce comportement est connu sous le nom d'hystérésis dans la théorie des systèmes. Depuis qu'ils ont été mentionnés pour la première fois dans la littérature scientifique, un certain nombre d'éléments de basculement ont été trouvés dans le système terrestre, notamment la calotte glaciaire du Groenland ou la [[forêt amazonienne|forêt amazonienne]].

En comparant des données satellites enregistrées en 1970 avec des mesures effectuées en 1997, une publication parue en 2001 a pu démontrer pour la première fois par des mesures que le spectre d'émission de la Terre avait changé. Les spectres montraient clairement le renforcement de l'effet de serre dû à l'augmentation significative de la concentration de gaz à effet de serre depuis 1970[125]. Dans le cadre d'une autre étude, il a également été démontré que l'augmentation de la concentration atmosphérique de dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre, avait entraîné une telle augmentation du forçage radiatif qu'il a été possible de le mesurer sur une série de données de huit ans[126]. Le résultat de cette étude a été confirmé en 2015 dans le cadre d'un autre travail portant sur des données recueillies sur une période de 10 ans[127].

En 2003, une autre prédiction s'est réalisée : le météorologue britannique Ernest Gold avait publié en 1908 qu'il fallait s'attendre à ce que la tropopause s'élève plus haut à mesure que la concentration de CO₂ augmente, en raison de l'effet de serre qui en résulte[128]. Cela aussi peut maintenant être mesuré[129].

Depuis des décennies, les climatologues pensaient qu'un monde plus chaud entraînerait une libération de dioxyde de carbone et de méthane du permafrost. Comme on l'a découvert dans les années 1990 en analysant les données des carottes de forage, cela s'était même produit régulièrement dans l'histoire de la Terre. Dès les années 2000, les craintes se sont concrétisées : Durant les mois d'été, une forte augmentation de la concentration de ces gaz a été observée dans les grandes régions de permafrost de Sibérie et d'Alaska[130] - [131] - [132]. Outre les émissions de gaz à effet de serre d'origine humaine, il existe désormais également des émissions provenant de sources de carbone fossiles, qui se dégazent de la terre en raison du réchauffement induit par l'homme.

Décrochage de la barrière de glace Larsen B (barrière de Larsen) en février 2002.

En 2002, l'effondrement de la calotte glaciaire de Larsen B en Antarctique a attiré l'attention internationale ; en 2008, la plateforme glaciaire de Wilkins s'est rompue[133] ; c'étaient les indicateurs que John Mercer avait vus en 1978 comme signes d'effondrement imminent de la calotte glaciaire de l'Antarctique occidental[134].

En 2008, la commission stratigraphique de la Geological Society of London a constaté qu'il existe désormais de nombreuses preuves que les humains ont initié une nouvelle époque stratigraphique. L'extinction d'espèces, la surpêche, l'acidification des océans, le réchauffement climatique et d'autres processus induits par l'homme ont déjà eu un tel impact sur la Terre qu'ils ont produit un signal biostratigraphique clair et permanent. Le terme Anthropocène (du grec ancien ἄνθρωπος ánthrōpos « homme ») a été choisi parce que les humains sont devenus le facteur qui modifie principalement la Terre. La décision sur la mise en œuvre de l' Anthropocène dans le système stratigraphique appartient à la Commission internationale de stratigraphie (ICS), au sein de laquelle le groupe de travail sur l'"Anthropocène" examine actuellement en détail les différents aspects de la proposition[135] - [136].

Les changements de forçage radiatif entre 1750 et 2005, tels qu'estimés par le GIEC.

Le quatrième rapport d'évaluation du GIEC de 2007 indique que la cause principale du réchauffement climatique est "très probablement" les émissions de gaz à effet de serre d'origine humaine, avec une probabilité déclarée de plus de 90%. Lors de la présentation du rapport le 2 février 2007, la vice-présidente du GIEC, Susan Solomon, a cité le message central du rapport:

« La conclusion la plus importante est que le réchauffement du climat est maintenant clair, et cela devient évident grâce aux observations des températures de l'air et de l'océan, de la fonte des neiges et des glaces, de l'élévation du niveau de la mer. »

En 2007 également, le GIEC reçoit le prix Nobel de la paix, conjointement avec l'ancien vice-président américain Al Gore. En 2009, le "Diagnostic de Copenhague" a été mis à jour après la parution du rapport AR4 de 2007. Les auteurs ont écrit que l'ampleur de certaines évolutions indiquées dans le dernier rapport du GIEC avait été sous-estimée. Par exemple, la couverture de glace de mer arctique était 40% plus faible que ce que les modèles informatiques prévoyaient l'année de la publication de l'AR4 (2007). L'élévation du niveau de la mer au cours des 15 dernières années a dépassé de 80% les prévisions du GIEC. En conséquence, les prévisions concernant l'élévation future du niveau de la mer jusqu'en 2100 ont été revues à la hausse: on s'attend désormais à une élévation deux fois plus importante[137].

En 2009 également, une nouvelle plateforme a été créée avec la revue Nature Climate Change, sur laquelle les scientifiques peuvent publier leurs découvertes sur les processus et les conséquences du changement climatique.

Le cinquième rapport d'évaluation du GIEC (septembre 2013) a confirmé les conclusions des rapports climatiques précédents et a réduit les incertitudes concernant l'influence de l'homme sur le climat. Ainsi, les experts écrivent désormais qu'il est extrêmement probable que l'homme soit la cause principale du réchauffement global observé depuis 1950.

En 2014, plusieurs publications indépendantes ont établi que la fonte de la calotte glaciaire de l'Antarctique occidental avait très probablement déjà dépassé son point de basculement, c'est-à-dire que la calotte glaciaire est désormais si instable que la poursuite de sa fonte ne peut plus être stoppée (cf. Éléments de basculement dans le système terrestre)[141]. Une calotte glaciaire de la taille de la France risque fort de se désagréger dans les 100 à 300 prochaines années, entraînant une élévation du niveau de la mer d'un mètre en moyenne à l'échelle mondiale[142] - [143]. Ces résultats ont confirmé les prédictions de John Mercer de 1978.

Le satellite Sentinel-3A montre la péninsule antarctique et la plateforme glaciaire adjacente de Larsen, d'où s'est détaché un énorme iceberg en juillet 2017.

Dans la région de la péninsule antarctique, un morceau d'environ 5 800 km² de la calotte glaciaire Larsen C s'est détaché le 12 juillet 2017 (2 fois plus grand que le Luxembourg), réduisant ainsi sa superficie d'environ 12%[144]. La masse de l'iceberg est d'environ un milliard de tonnes ; il compte parmi les plus grands icebergs jamais observés. Sa disparition risque de déstabiliser et de dissoudre Larsen C[145].

En revanche, aucune tendance claire ne se dessine pour l'Antarctique de l'Est. Une équipe internationale d'experts, composée d'environ 80 spécialistes du système terrestre et des géosciences, a publié en juin 2018 l'étude la plus complète jamais réalisée sur ce sujet, dont le résultat est que la calotte glaciaire de l'Antarctique oriental est actuellement stable dans ses zones centrales et ne présente pas de perte de masse significative, contrairement à d'autres régions de l'Antarctique[146].

Les années 2014, 2015 et 2016 ont été les années les plus chaudes à l'échelle mondiale depuis le début des relevés climatiques réguliers[147] - [148] - [149]. C'était la première fois que des records de température globale étaient enregistrés pendant trois années consécutives. L'objectif de 1 degré fixé à la fin des années 1980 comme limite des changements climatiques dangereux a ainsi été atteint. Parallèlement, la concentration atmosphérique de dioxyde de carbone a également dépassé la barre des 400 ppm[150]. En raison de ce réchauffement, les anomalies thermiques extrêmes qui n'avaient qu'une probabilité de 0,13 % de se produire entre 1950 et 1981 - appelées événements 3 sigma - se produisent désormais sur 10 % de la surface du globe chaque été, au lieu de bien moins d'un pour cent auparavant[151]. En 2017, une étude a révélé que les modèles climatiques sur lesquels se basent les rapports du GIEC sous-estiment très probablement le réchauffement attendu d'ici la fin du siècle. Si les émissions ne sont pas freinées, le réchauffement attendu est supérieur d'environ 0,5 degré à ce qui a été estimé jusqu'à présent[152]. Dans ce contexte, plusieurs études récentes concluent que, contrairement aux fluctuations climatiques préindustrielles, le réchauffement actuel se produit simultanément sur tous les continents et n'est surpassé dans son évolution rapide par aucun changement climatique des 2 000 dernières années[153] - [154] et probablement sans aucun exemple comparable dans l'histoire géologique récente[155].En outre, toutes les séries de données paléoclimatologiques indiquent que le réchauffement observé jusqu'à présent au 21^e siècle dépasse très certainement les valeurs de température de l'optimum climatique de l'holocène (il y a environ 8000 à 6 000 ans)[156].

Reconstruction de l'évolution des températures mondiales au cours des 2000 dernières années, y compris le réchauffement anthropique (d'après PAGES 2k Consortium, 2019).

Il existe un large consensus scientifique sur le fait que le changement climatique actuellement observé devrait se dérouler plus rapidement que toute phase de réchauffement connue des cinquante derniers millions d'années[158] - [159]. Même pendant le maximum de température du Paléocène/Éocène - un climat chaud extrêmement prononcé dans une période de temps géologiquement très courte - l'apport de carbone atmosphérique et l'augmentation associée de la température avaient des taux d'augmentation moyens annuels nettement inférieurs à ceux d'aujourd'hui[155]. Contrairement aux hypothèses antérieures, l'apport supplémentaire de CO₂ ne diminuera que progressivement, même si les émissions sont en grande partie stoppées, et sera encore détectable dans une mesure significative dans plusieurs milliers d'années[160]. Sur cette base, certaines études, y compris la sensibilité climatique du système terrestre, postulent une période interglaciaire plus longue de l'ordre de 50 000 à 100 000 ans[161]. Divers éléments de basculement dans le système terrestre ont été identifiés comme des dangers potentiels supplémentaires, qui déclencheraient des processus à court terme et irréversibles si le réchauffement se poursuivait[162]. De telles évolutions modifieraient considérablement l'image de la Terre, notamment en raison du déplacement des zones climatiques et de végétation qui en résulterait et de la fonte généralisée des calottes glaciaires de l'Antarctique occidental et du Groenland, entraînant une hausse correspondante du niveau des mers[163].

En revanche, les mécanismes naturels de contrôle de la liaison du dioxyde de carbone tels que la sédimentation ou les processus d'altération géochimique (altération CaCO₃) sont trop lents pour entraîner la réduction durable du CO₂ dans un délai raisonnable. L'échange complet de dioxyde de carbone atmosphérique basé sur le cycle carbonate-silicate prend environ 500 000 ans. Bien que les océans soient connus pour être des puits de carbone efficaces, seule une partie relativement faible du CO₂ est stockée dans les sédiments des grands fonds marins à moyen terme. De plus, des quantités importantes de CO₂ (ainsi que de méthane) pourraient être à nouveau dégazées lorsque la température de l'eau de mer augmentera. La réaction relativement lente du cycle du carbone inorganique à une augmentation rapide des gaz à effet de serre était déjà connue de Svante Arrhenius. Bien qu'à la fin du 19^e siècle, les taux d'émission de l'époque étaient encore relativement peu significatifs, Arrhenius mentionne explicitement la longue durée de résidence du carbone dans l'atmosphère et les océans dans son ouvrage Sur l'influence de l'acide carbonique dans l'air sur la température du sol (1896)[164]. Le rôle des processus d'altération en tant que facteur d'influence important dans le système climatique a longtemps été un sujet de niche dans la littérature spécialisée et n'a été traité sur une base plus large qu'à partir des années 1980[165].

Un aspect essentiel du réchauffement global actuel est son impact sur le prochain événement glaciaire au sein de l'ère glaciaire cénozoïque. La tendance au refroidissement de ≈0,1 °C par millénaire en moyenne, qui a débuté après l'optimum climatique de l'Holocène, est considérée comme le signe avant-coureur et le premier signe de l'approche d'un climat glaciaire[166]. Les études récemment publiées, basées sur une analyse précise des phases glaciaires passées, y compris les cycles de Milanković, arrivent à la conclusion qu'une vague de froid est causée par des fluctuations même mineures du système climatique terrestre et, surtout, par les changements graduels dans les paramètres orbitaux de la Terre[167]. Selon celle-ci, dans des conditions normales (c'est-à-dire hors émissions anthropiques), la prochaine période glaciaire ne commencerait pas avant plusieurs dizaines de milliers d'années. Cette période, inhabituellement longue pour un interglaciaire comme l' Holocène, s'étendra vraisemblablement sur un total de 100 000 ans à une valeur initiale de CO₂ atmosphérique supérieure à 500 ppm et donc quasiment le double[168]. Cela signifie la perte d'un cycle complet de période glaciaire en raison de l'intervention humaine dans le système climatique[169].

En 2022, une étude parue dans Nature montre que la calotte glaciaire de l'Antarctique oriental, qui contient la grande majorité de la glace des glaciers de la Terre et ferait augmenter de 52 mètres le niveau des océans si elle fondait entièrement, a perdu de la glace lors des dernières décennies alors qu'on la pensait moins sensible au changement climatique[170].

Toujours en 2022, une étude parue dans Nature explique que la croissance du méthane atmosphérique a atteint un taux exceptionnellement élevé en 2020 malgré la probable diminution des émissions anthropiques de méthane pendant les périodes de confinement liées au COVID-19. Cette hausse est due à deux facteurs : des composés OH moins présents dans l'atmosphère en 2020 (ces composés provenant des émissions d'oxydes d’azote et de monoxyde de carbone) et des émissions de méthane naturelles plus élevées des zones humides à cause du climat plus chaud et plus humide agissant comme un mécanisme de rétroaction positive[171] - [172].