Climat : Modélisation millénaire des températures

Suite du billet sur les cycles de Milankovitch. L’index général de la série de billets sur le réchauffement climatique est disponible ici

Nous arrivons enfin à l’aboutissement des travaux précédents : la modélisation finale ! 🙂

Nous allons commencer aujourd’hui par la modélisation de la température passée depuis 400 000 ans.

Nous avons présenté dans ce billet passé son évolution :

Analysons.

Évolution des températures et cycles de Milankovitch

Comme il y a plusieurs cycles de Milankovitch, en voici la résultante depuis 250 000 ans, représentée sous la forme de l’irradiance solaire, c’est-à-dire de la quantité de chaleur reçue par la planète :

On note que la variation a été de ± 10 % d’énergie reçue.

Nous pouvons dès lors mettre en parallèle l’évolution des températures passées avec la résultante des cycles de Milankovitch :

On observe bien une influence assez claire de la quantité de chaleur reçue du soleil sur la température (c’est une évidence, notez…), mais que si la « corrélation temporelle » est claire, la « corrélation en intensité » est loin d’être parfaite.

En fait, comme nous l’avons vu dans ce billet, ces cycles sont bien le moteur des évolutions climatiques passées (comme l’ont montré mathématiquement plusieurs chercheurs), mais il y a eu en plus des phénomènes complexes de rétroaction et d’emballement (en particulier avec le CO₂) qui ont largement amplifié le phénomène – l’astronomie « seule » ne peut expliquer de tels écarts de température…

En fait, pour le problème de « l’intensité » tout s’éclaire quand on représente bien les données de température, d’irradiance solaire et de concentration en gaz carbonique :

On observe bien 2 phénomènes distincts :

1. Dans les temps historiques :
   • l’irradiance solaire a augmenté, plus de chaleur a donc atteint la Terre ;
   • la température de la Planète a donc augmenté ;
   • en réponse, la Planète (les Océans pour être précis) et la Biosphère ont dégagé et produit plus de CO₂ ;
   • le CO₂ a contribué à augmenter l’effet de serre, et donc a encore plus augmenté la température ;
   • et ce phénomène de rétroaction s’est auto-entretenu, d’où la très forte hausse des températures observée.
2. Actuellement, le phénomène est différent. L’irradiance solaire baisse, mais c’est cette fois la hausse du CO₂ (relâché par l’Homme) qui entraîne la hausse des températures, par effet de serre.

Au final, nous allons voir qu’il est possible de travailler « à l’envers », pour décomposer la courbe des températures en plusieurs sous-cycles.

Décomposition empirique 1

Quand on observe la courbe des températures, passés les premiers instants où tout semble confus, il apparaît assez rapidement une espèce de cycle complexe. On peut dès lors le décomposer empiriquement.

Observons en effet cette série de 5 cycles réguliers :

Ils ont été déterminées par un laborieux travail empirique de tâtonnement (pour coller le mieux à la courbe historique) que j’ai réalisé à partir d’une idée de Jean Laherrère, que je remercie chaleureusement pour son aide (vous pouvez d’ailleurs consulter ici ses récentes analyses du pic pétrolier, dont il est un des spécialistes mondiaux).

Si on les cumule, on obtient la courbe suivante :

Et cette courbe s’ajuste plus que bien à la courbe des températures réelles :

Ainsi, on a décomposé « à la main » la courbe de la température comme étant approximée par la somme de 5 cycles réguliers d’environ 100 000 ans, décalés d’environ 20 000 ans.

Mais si on est à ce stade satisfait du petit travail réalisé, on comprend que son interprétation soit assez complexe.

Nous allons en fait l’améliorer dans la partie suivante.

Décomposition empirique 2

En fait, la simulation précédente n’était qu’une première étape, car nous avons décomposé en 5 cycles indépendants.

Or, le décalage observé nous laisse penser que le découpage choisi (5 cycles régulièrement espacés) n’était pas le plus pertinent. On peut conjecturer que les cycles n’étaient pas indépendants, et que, par exemple, il devait exister un cycle de 20 000 ans présent partout.

Observons en effet cette série de 3 cycles de durées différentes (encore obtenue empiriquement) :

Si on les cumule, on obtient la courbe suivante :

Et cette courbe s’ajuste plus que bien à la courbe des températures réelles :

Ainsi, on a décomposé « à la main » la courbe de la température comme étant alors approximée par la somme de 3 cycles relativement réguliers (il faudrait creuser encore plus, rajouter peut être 1 ou 2 autres cycles…) d’environ 20 000 ans, 40 000 ans et 100 000 ans. Ce sont justement les durées des 3 cycles de Milankovitch…

La cyclicité étant l’apanage des phénomènes astronomiques, ceci permet démontrer la qualité des travaux de Milankovitch… En 1976, Nick Shackleton a démontré que les variations climatiques correspondent bien aux cycles de Milankovitch, mais sans qu’on puisse expliquer pourquoi, depuis 400 000 ans, ce sont les cycles liés à l’excentricité (100 000 ans) qui paraissent commander les glaciations, alors qu’avant c’était plutôt l’inclinaison de l’axe (40 000 ans). Le mathématicien et astronome belge André Berger a grandement complété ces travaux dans les années 1980 et 1990.

Prochaine glaciation : d’ici 10 000 ans – couvrez-vous bien… 😉

Dans le billet suivant, nous étudierons le phénomène El Niño, préalable à la compréhension des évolutions récentes des températures de la planète…