Le climat est une moyenne des conditions météorologiques et atmosphériques sur une période donnée, incluant les variations et les pics au cours de cette période. Les variations quotidiennes du temps sont tellement grandes qu’il n’est pas facile de remarquer les petits changements constatés en moyenne, autrement dit les changements climatiques. Toutefois, un changement climatique limité peut avoir des conséquences considérables, il peut agir par exemple sur la faculté de la faune et de la flore à survivre dans une région donnée ainsi que sur la stabilité des grandes masses de glace et donc sur le niveau de la mer.

Le climat varie considérablement indépendamment de l’action de l’homme. Ces variations sont, en partie, les simples fluctuations chaotiques d’un système dynamique complexe, l’atmosphère et l’océan étant en mouvement permanent. Le climat réagit également à des pressions naturelles, telles que les variations de luminosité solaire ou les éruptions de grands volcans qui libèrent de fines particules dans l’atmosphère supérieure où elles réfléchissent le soleil et refroidissent la planète.

Forçage climatique. Un forçage climatique est une perturbation de l’équilibre énergétique de la Terre ayant des répercussions sur sa température (Hansen et al. 2005a). Ainsi, une augmentation de 2% de la luminosité solaire représente un forçage positif d’environ 4,5 W/m2 (watts par mètre carré), car elle provoque une augmentation équivalente à ce nombre de l’énergie absorbée par la Terre. […]

La Terre répond à ce forçage en se réchauffant jusqu’à ce que les radiations thermiques qu’elle émet soient équivalentes à l’énergie solaire absorbée.

La multiplication par deux de la quantité de dioxyde de carbone (CO2) présente dans l’atmosphère provoque un forçage climatique mondial d’une ampleur comparable à celui provoqué par une augmentation de 2% de l’intensité du rayonnement solaire. Le forçage CO2 rend l’atmosphère plus opaque à la radiation infrarouge, qui est la longueur d’onde des radiations thermiques émises par la Terre. […] Les physiciens spécialistes en radiations ont calculé que l’énergie émise dans une atmosphère deux fois plus chargée en CO2 est réduite d’environ 4,5 W/m2. Ainsi, le déséquilibre de l’énergie planétaire est à peu près équivalent à celui causé par une hausse de 2% de l’intensité du rayonnement solaire. Dans les deux cas, la Terre réagit en se réchauffant suffisamment pour restaurer l’équilibre radiatif. […]

Sensibilité climatique et réactions climatiques.

La sensibilité climatique globale désigne habituellement le changement des températures globales à l’équilibre, c’est-à-dire au terme d’une longue période au cours de laquelle le système climatique a pu s’adapter à un forçage spécifique. On prend généralement comme exemple de ce forçage spécifique la multiplication par deux de la quantité de CO2, équivalant à un forçage de 4 W/m2.

Il est possible d’évaluer la sensibilité climatique de manière théorique, grâce à des modèles climatiques, ou empirique, en étudiant l’histoire du climat de la Terre. Dans les deux cas, il faut reconnaître que la sensibilité climatique obtenue est évaluée selon des variables climatiques fixes et ne prend pas en compte la possibilité de changement de ces variables en réponse à des forçages climatiques. […]

En réalité, toutes les conditions limites peuvent évoluer en réponse au changement climatique et devenir soit des réactions climatiques positives (qui amplifient les changements climatiques), soit des réactions négatives (qui atténuent les changements climatiques). Le choix des réactions prises en compte dans l’étude de Charney de 1979 (vapeur d’eau, nuages, glace de mer) était en partie fondé sur le fait que ces variables changent rapidement et qu’elles constituent donc des « réactions rapides ». Ces réactions entrent ainsi en compte si l’on s’intéresse au changement climatique à l’échelle de dizaines d’années ou plus. Les miroirs de glace et le boisement sont quant à eux considérés comme des « réactions lentes », autrement dit, ils ne subiront pas de changement considérable avant plusieurs dizaines d’années. […]

L’étude de Charney de 1979 suggère que l’équilibre de la sensibilité climatique se situerait autour de 3°C (5,4°F) pour une quantité de CO2 multipliée par deux, avec une marge d’erreur d’au moins 50% (1,5°C). Les calculs effectués à partir de modèles de climat actuels situent toujours la sensibilité climatique globale autour de 3°C pour un doublement de CO2, mais une marge d’erreur subsiste, car il reste très difficile d’effectuer des simulations précises en matière de nuages. […]

Temps de réaction du climat.

L’une des difficultés pratiques rencontrées avec le changement climatique vient du fait que le système climatique ne réagit pas immédiatement aux forçages climatiques. […] Ainsi, pour un forçage qui se produit à un instant t = 0 […] il faudra environ 30 ans pour constater 50% du réchauffement climatique global, 250 ans pour que ce chiffre atteigne 75% et jusqu’à mille ans pour 90%.

La forme exacte de cette réaction dépend du taux de mélange dans l’océan et donc du réalisme du modèle océanique utilisé pour les calculs. Le temps de réaction dépend également de la sensibilité climatique: plus elle est élevée, plus la réaction est lente. Cette lenteur s’explique par le fait que les réactions climatiques interviennent en réponse au changement climatique, et non au forçage en lui-même, c’est pourquoi plus les réactions climatiques sont fortes et la sensibilité climatique est élevée, plus le temps de réaction est long. En effet, sa variation correspond au carré de la sensibilité climatique (Hansen et al. 1985). Une courbe […] a été tracée pour une sensibilité de 3°C correspondant à un doublement de CO2.

Cette longueur du temps de réaction implique que même lorsque l’émission de gaz à effet de serre cessera d’augmenter, le réchauffement se poursuivra. Ainsi, nous n’avons pas encore ressenti l’impact climatique complet des gaz qui ont été rejetés dans l’atmosphère. Cet effet de décalage rend les stratégies de lutte contre le réchauffement plus difficiles.

Réactions climatiques lentes.

La sensibilité climatique définie par l’étude de Charney (ou réaction rapide) se mesure sur des décennies. Mais il devient évident que d’autres réactions, négligées parce qu’elles étaient lentes et difficiles à appréhender, pourraient également s’avérer importantes.

L’une de ces réactions « lentes » est le recul vers les pôles des forêts, en raison du réchauffement global. Si des forêts à feuillage persistant remplacent la végétation de la toundra et de la brousse, la surface de la Terre s’assombrit. Les arbres capturent les radiations photosynthétiques et peuvent donc constituer une très forte réaction climatique positive. La surface boisée représente ainsi une réaction positive considérable dans les hautes latitudes de l’Hémisphère Nord, et des changements conséquents sont déjà en cours (Zhou et al. 2001; Piao et al. 2006). Bien que cette réaction positive puisse être en partie équilibrée à l’échelle globale par un albédo de surface plus élevé dans les régions subtropicales dû à une désertification croissante, la réaction positive domine dans les régions pouvant être des points de basculement de la glace de mer et des miroirs de glace.

Une autre réaction « lente » est associée aux miroirs de glace. Un miroir de glace ne doit pas nécessairement disparaître pour qu’une réaction positive apparaisse: le simple changement de l’albédo de la glace (la réflectivité), accompagné d’un élargissement de la zone de fonte et d’un allongement de la durée de la saison des fontes contribue à une réaction climatique locale d’envergure. […] On a observé un élargissement de la zone de fonte ainsi qu’un allongement de la saison des fontes au Groenland (Steffen et al. 2004; Fettweis et al. 2007; Tedesco 2007) et dans l’Antarctique Ouest (Nghiem et al. 2007).

L’effet du réchauffement sur les émissions de gaz à effet de serre persistants provenant de la terre ou de l’océan constitue une autre forme de réaction « lente ». On a observé que le dégel de la toundra en Amérique du Nord et en Eurasie a provoqué des émanations de méthane (Archer 2007; Zimov et al. 2006). En outre, la capacité de l’océan à absorber le CO2 produit par l’homme diminue à mesure que les émissions augmentent [Archer, 2005] et il pourrait même être possible que la biosphère terrestre devienne une source de CO2 [Cox et al. 2000; Jones et al. 2006].

Il apparaît clairement, et c’est l’objet du débat ci-dessous, qu’au moins certaines de ces réactions « lentes », qui sont les causes principales de la très grande sensibilité climatique sur des échelles de temps paléoclimatiques, commencent déjà à agir en réaction à la forte tendance au réchauffement global de ces 30 dernières années.