Par Thimothy M. Lenton, Johan Rockstöm, Owen Gaffney, Stefan Rahmstrof, Katherine Richardson, Will Steffen, Han Joachim Schellnhuber
La menace croissante de changements climatiques abrupts et irréversibles doit contraindre à une action politique et économique ayant trait aux émissions.
Les politiques, les économistes et même certains chercheurs en sciences naturelles ont eu tendance à supposer que les points de basculement [1] du système terrestre – comme la perte de la forêt amazonienne ou de l’inlandsis [calotte polaire] de l’Antarctique occidental – relèvent d’une probabilité faible et sont peu compris. Pourtant, il est de plus en plus évident que ces événements pourraient être plus probables qu’on ne le pensait, avoir des impacts élevés et être interconnectés entre différents systèmes biophysiques, ce qui pourrait engager le monde dans des changements irréversibles à long terme.
Nous résumons ici les données probantes sur la menace de dépasser les points de basculement [points de non-retour – climate tipping points], identifiant les lacunes dans les connaissances et suggérant des façons de les combler. Nous explorons les effets de changements d’une telle ampleur, la rapidité avec laquelle ils pourraient se produire et la question de savoir si nous avons encore un contrôle sur eux.
Selon nous, la prise en compte des points de basculement contribue à définir que nous sommes dans une situation d’urgence climatique et renforce les appels lancés cette année en faveur d’une action urgente pour le climat – des écoliers aux scientifiques, en passant par des villes et des pays.
Le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) a introduit l’idée des points de basculement il y a deux décennies. A cette époque, ces «discontinuités à grande échelle» du système climatique n’étaient considérées comme probables que si le réchauffement planétaire dépassait de 5°C les niveaux préindustriels. Les informations résumées dans les deux derniers rapports spéciaux du GIEC (publiés en 2018 et en septembre de cette année) [2 et 3] suggèrent que les points de basculement pourraient être dépassés même entre 1 et 2°C de réchauffement (voir le graphique ci-dessous «Trop près pour le réconfort»).
Les changements brusques et irréversibles dans le système climatique sont devenus un risque plus élevé à des températures moyennes mondiales plus basses.
Si les engagements nationaux actuels de réduction des émissions de gaz à effet de serre sont mis en œuvre – et c’est un grand «si» – ils entraîneront probablement au moins 3°C de réchauffement planétaire. Ceci malgré l’objectif de l’accord de Paris de 2015 de limiter le réchauffement à bien en dessous de 2°C. Certains économistes, supposant que les points de basculement climatiques relèvent d’une très faible probabilité (même s’ils étaient catastrophiques), ont suggéré que le réchauffement de 3°C est optimal d’un point de vue coûts-avantages. Cependant, si les points de basculement semblent plus probables, alors la recommandation de «politique optimale» de modèles simples coûts-avantages [coûts-bénéfices] climat-économie [4] s’aligne sur ceux du récent rapport du GIEC [2]. En d’autres termes, le réchauffement doit être limité à 1,5°C. Cela nécessite une intervention d’urgence.
Effondrement des glaces
Nous pensons que plusieurs points de basculement de la cryosphère [les portions de la surface des mers ou terres émergées où l’eau est présente à l’état solide] sont dangereusement proches, mais l’atténuation des émissions de gaz à effet de serre pourrait encore ralentir l’accumulation inévitable des impacts et nous aider à nous adapter.
Les recherches menées au cours de la dernière décennie ont montré que l’échancrure de la mer d’Amundsen dans l’Antarctique occidental pourrait avoir franchi un point de basculement [3]: la «grounding line» [ligne de faille, d’ancrage] où la glace, l’océan et le substratum rocheux se rencontrent recule de manière irréversible. Une étude modélisée [5] montre que lorsque ce secteur s’effondre, il pourrait déstabiliser le reste de la calotte glaciaire de l’Antarctique occidental comme des dominos renversés, entraînant une élévation du niveau de la mer d’environ 3 mètres sur une échelle de temps allant de plusieurs siècles à plusieurs millénaires. Des preuves du paléo [Eocène] montrent que cet effondrement généralisé de la calotte glaciaire de l’Antarctique occidental s’est produit à maintes reprises dans le passé.
Les dernières données montrent qu’une partie de l’inlandsis de l’Antarctique oriental – le bassin Wilkes – pourrait être également instable [3]. Les travaux de modélisation suggèrent qu’elle pourrait accroître de 3 à 4 m le niveau de la mer sur des échelles de temps supérieures à un siècle.
L’inlandsis du Groenland fond à un rythme accéléré [3]. Il pourrait ajouter 7 mètres de plus au niveau de la mer sur des milliers d’années s’il dépasse un seuil particulier. De plus, à mesure que la hauteur de la calotte glaciaire diminue, elle fond davantage, exposant la surface à de l’air de plus en plus chaud. Les modèles suggèrent que la calotte glaciaire du Groenland pourrait être condamnée à 1,5°C de réchauffement [3], ce qui pourrait se produire dès 2030.
Ainsi, nous avons peut-être déjà engagé les générations futures à vivre avec une élévation du niveau de la mer d’environ 10 mètres sur des milliers d’années [3]. Mais ce délai est toujours sous notre contrôle. La vitesse de fonte dépend de l’ampleur du réchauffement au-dessus du point de basculement. A 1,5°C, il pourrait s’écouler 10’000 ans [3]; au-delà de 2°C, il pourrait s’écouler moins de 1000 ans [6]. Les chercheurs ont besoin de plus de données d’observation pour déterminer si les calottes glaciaires atteignent un point de basculement, et ils ont besoin de meilleurs modèles délimités par les données passées et présentes pour déterminer à quel moment et à quelle vitesse les calottes glaciaires pourraient s’affaisser.
Quelles que soient ces données, des mesures doivent être prises pour ralentir l’élévation du niveau de la mer. Cela facilitera l’adaptation, y compris la réinstallation éventuelle de bassins de populations situés à basse altitude.
Une autre pression clé pour limiter le réchauffement à 1,5°C est que d’autres points de basculement pourraient être déclenchés à de faibles niveaux de réchauffement planétaire. Les derniers modèles du GIEC prévoyaient une série de changements brusques [7] entre 1,5 °C et 2°C, dont plusieurs concernaient la glace de mer. Cette glace rétrécit déjà rapidement dans l’Arctique, ce qui indique qu’à 2°C de réchauffement, la région a de 10 à 35% de chances [3] de devenir largement libre de glace en été.
Limites de la biosphère
Le changement climatique et d’autres activités humaines risquent de déclencher des points de basculement de la biosphère dans toute une série d’écosystèmes et d’échelles (Voir ci-dessous le graphique «Donner l’alerte» avec les points de non-retour, de basculement et les interconnexions. Avec les effets dominos de même présentés.)
Les vagues de chaleur océaniques ont entraîné le blanchissement massif des coraux et la perte de la moitié des coraux d’eau peu profonde de la Grande Barrière de corail d’Australie. On s’attend à ce que 99% des coraux tropicaux [2] soient perdus si la température moyenne mondiale augmente de 2°C, en raison des interactions entre le réchauffement, l’acidification des océans et la pollution. Cela représenterait une perte profonde de la biodiversité marine et des moyens de subsistance de l’homme.
En plus de miner notre système de survie, les points de basculement de la biosphère peuvent déclencher un rejet soudain de carbone dans l’atmosphère. Cela peut amplifier le changement climatique et réduire les budgets d’émissions restants.
La déforestation et le changement climatique déstabilisent l’Amazonie: la plus grande forêt tropicale humide du monde qui abrite une espèce connue sur dix. Selon les estimations, le point de basculement de l’Amazonie pourrait se situer entre 40% de déforestation et seulement 20% de perte de couverture forestière [8]. Environ 17% ont été perdus depuis 1970. Le taux de déforestation varie en fonction de l’évolution des politiques. Pour trouver le point de basculement, il faut des modèles qui intègrent la déforestation et le changement climatique en tant que facteurs d’interaction, et qui intègrent les rétroactions du feu et du climat en tant que mécanismes d’interaction de basculement à divers niveaux.
Le réchauffement de l’Arctique étant au moins deux fois plus rapide que la moyenne mondiale, la forêt boréale subarctique est de plus en plus vulnérable. Déjà, le réchauffement a déclenché des perturbations à grande échelle chez les insectes et une augmentation des incendies qui ont entraîné le dépérissement des forêts boréales nord-américaines, ce qui pourrait transformer certaines régions d’un puits de carbone à une source de carbone [9]. Le pergélisol de l’Arctique commence à dégeler et à libérer irréversiblement du dioxyde de carbone et du méthane: un gaz à effet de serre qui est environ 30 fois plus puissant que le CO2 sur une période de 100 ans.
Les chercheurs doivent améliorer leur compréhension de ces changements observés dans les principaux écosystèmes, ainsi que des points de basculement futurs. Les réserves de carbone existantes et les rejets potentiels de CO2 et de méthane doivent être mieux quantifiés.
Le budget d’émissions [budget carbone résiduel, soit la quantité de CO2 qui peut encore être envoyée dans l’atmosphère] restant à l’échelle mondiale pour disposer d’une chance sur deux de rester à moins de 1,5°C du réchauffement n’est que d’environ 500 gigatonnes (Gt) de CO 2. Les émissions du pergélisol pourraient réduire d’environ 20% (100 Gt CO2) ce budget [10], sans compter le méthane provenant du pergélisol profond ou des hydrates sous-marins. Si les forêts sont proches des points de basculement, le dépérissement de l’Amazonie pourrait libérer 90 Gt de CO2 supplémentaires et les forêts boréales 110 Gt de CO2 supplémentaires [11]. Avec des émissions mondiales totales de CO2 de plus de 40 Gt par an, le budget restant pourrait déjà être presque entièrement effacé.
Cascade mondiale
A notre avis, l’urgence la plus évidente serait que nous nous approchions d’une cascade mondiale de points de non-retour, de basculement qui conduirait à un nouvel état climatique, moins habitable, un climat comparable à une «serre» [11]. Les interactions peuvent se produire par la circulation océanique et atmosphérique ou par des rétroactions qui augmentent les niveaux de gaz à effet de serre et la température mondiale. Par ailleurs, de fortes rétroactions nuageuses pourraient causer un point de basculement global [12 et 13].
Nous soutenons que les effets en cascade pourraient être courants. L’an dernier [14] des recherches ont analysé 30 types de changement de régime couvrant le climat physique et les systèmes écologiques, de l’effondrement de la calotte glaciaire de l’Antarctique occidental à un passage de la forêt tropicale humide à la savane. Cela indique que le dépassement des points de basculement dans un système peut augmenter le risque de les franchir dans d’autres. De tels liens ont été trouvés pour 45% des interactions possibles [14].
A notre avis, des exemples commencent à être observés. Par exemple, la perte de glace de mer dans l’Arctique amplifie le réchauffement régional, et le réchauffement de l’Arctique ainsi que la fonte du Groenland entraînent un afflux d’eau douce dans l’Atlantique Nord. Cela aurait pu contribuer à un ralentissement de 15% [15] depuis le milieu du XXe siècle de la Circulation méridienne de retournement atlantique (AMOC-Atlantic meridional overturning circulation), un élément clé du transport mondial de chaleur et de sel par les océans [3]. [Voir figure présentée suite aux notes.]
La fonte rapide de la calotte glaciaire du Groenland et un nouveau ralentissement de l’AMOC pourraient déstabiliser la mousson ouest-africaine et déclencher une sécheresse dans la région africaine du Sahel. Un ralentissement de l’AMOC pourrait également assécher l’Amazonie, perturber la mousson de l’Asie de l’Est et provoquer une accumulation de chaleur dans l’océan Austral, ce qui pourrait accélérer la perte de glace en Antarctique.
Le paléo-relevé (enregistrement) montre le basculement global, tel que l’entrée dans les cycles de l’ère glaciaire il y a 2,6 millions d’années et leur changement d’amplitude et de fréquence il y a environ un million d’années, basculement que les modèles sont tout juste capables de reproduire. Le basculement régional s’est produit à plusieurs reprises au cours et à la fin de la dernière période glaciaire, il y a entre 80’000 et 10’000 ans, les événements de Dansgaard-Oeschger [le premier est un paléoclimatologue danois, le second un physicien du climat de l’Université de Berne] – et de Hartmut Heinrich [chercheur en géologie marine et climatologie de l’Université de Hambourg]. [Leurs recherches ont mis en évidence les fluctuations «rapides» durant la dernière période glaciaire.] Bien que ce modèle ne s’applique pas directement à la période interglaciaire actuelle, il souligne que le système terrestre a déjà été instable sur plusieurs échelles de temps auparavant, et cela sous un forçage relativement faible causé par les changements de l’orbite terrestre. Aujourd’hui, nous forçons fortement le système, la concentration de CO2 dans l’atmosphère et la température globale augmentant à des taux qui sont d’un ordre de grandeur supérieur à ceux de la déglaciation la plus récente.
Le CO2 atmosphérique est déjà à son niveau d’il y a environ quatre millions d’années, à l’époque du Pliocène. Il se rapproche rapidement des niveaux observés il y a environ 50 millions d’années – dans l’Eocène – lorsque les températures étaient jusqu’à 14°C plus élevées qu’elles ne l’étaient à l’époque préindustrielle. Il est difficile pour les modèles climatiques de simuler de tels états passés de la Terre en situation de «planète étuve». Une explication possible est que les modèles n’ont pas pris en compte un point de basculement important: un modèle de résolution des nuages publié cette année suggère que la fragmentation abrupte des stratocumulus au-dessus d’environ 1200 parties par million (ppm) de CO2 aurait pu entraîner un réchauffement planétaire d’environ 8°C [12].
Certains résultats préliminaires des derniers modèles climatiques – utilisés pour le sixième rapport d’évaluation du GIEC, prévu pour 2021 – indiquent une sensibilité climatique beaucoup plus grande (définie comme la réponse de la température au doublement du CO2 atmosphérique) que dans les modèles précédents. Beaucoup d’autres résultats sont en attente et d’autres recherches sont nécessaires, mais pour nous, ces résultats préliminaires indiquent qu’un point de basculement global est possible.
Pour résoudre ces problèmes, nous avons besoin de modèles qui saisissent une suite plus riche de couplages et de rétroactions dans le système terrestre, et nous avons besoin de plus de données – actuelles et passées – et de meilleures façons de les utiliser. L’amélioration de la capacité des modèles à saisir les changements climatiques abrupts passés connus et les états climatiques des «serres» devrait accroître la confiance dans leur capacité prévoir de type de changement.
Certains scientifiques rétorquent que la possibilité d’un basculement à l’échelle mondiale demeure hautement spéculative. Nous sommes d’avis que, compte tenu de son énorme impact et de son caractère irréversible, toute évaluation sérieuse des risques doit tenir compte des preuves, même si notre compréhension est encore limitée. Déambuler à côté du danger n’est pas une option responsable.
Si des cascades de basculement préjudiciables peuvent se produire et qu’un point de basculement global ne peut être exclu, alors c’est une menace existentielle pour la civilisation. Aucune analyse coûts-avantages économiques ne nous sera d’un grand secours. Nous devons changer notre approche du problème climatique.
Agir maintenant
A notre avis, les preuves provenant des points de basculement suggèrent à eux seuls que nous sommes dans un état d’urgence planétaire: le risque et l’urgence de la situation sont sévères. (Voir ci-dessous: Urgence et mathématique)
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Niveau d’urgence et mathématique
Nous définissons le niveau d’urgence (E) comme le produit du risque et de l’urgence. Le risque (R) est défini par les assurances comme le produit d’une probabilité (p) et d’un dommage (D). L’urgence (U) est définie dans une situation d’urgence par le rapport entre le temps de réaction à une alerte (t) et le temps d’intervention nécessaire pour éviter la survenue d’une catastrophe (T). Nous pouvons donc poser ainsi le niveau d’urgence :
E = R x U = p x D x t/T
Une situation où le niveau d’urgence E est élevé exige que R (le risque) et U (l’urgence) soient les deux d’un niveau élevé. Si le temps de réaction à une alerte est long par rapport au temps d’intervention T, de manière à ce que le rapport t/T soit plus grand que 1, alors cela signifie que nous avons perdu le contrôle.
[Une probabilité p est un nombre sans dimension. La probabilité est définie par le rapport d’un événement (ou d’un nombre d’évènements) à un ensemble cohérent d’événements. En mathématique p est défini entre 0 et 1 compris. Il est souvent exprimé en % entre 0% (= 0) et 100% (= 1).]
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Nous estimons que le temps à disposition pour prévenir le basculement tend vers zéro, alors que le temps de réaction pour atteindre le zéro net d’émissions est de 30 ans au mieux. Par conséquent, il se pourrait que nous ayons déjà perdu le contrôle sur la question de savoir si le basculement est en train de se produire. Une grâce salvatrice est que la vitesse à laquelle se développeraient les dommages provoqués par ce basculement – et par conséquent l’étendue des risques – pourrait encore être sous notre contrôle, dans une certaine mesure.
La stabilité et la résilience de notre planète sont en péril. L’action internationale – et pas seulement des mots – doit en tenir compte. (Article publié dans Nature, N° 575 (pp.592-595), 27 novembre 2019; traduction rédaction A l’Encontre)
Notes
[1]. Lenton, T. M. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 105, 1786–1793 (2008).
[2] IPCC. Global Warming of 1.5°C (IPCC, 2018).
[3] IPCC. IPCC Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate (IPCC, 2019).
[4] Cai, Y., Lenton, T. M., & Lontzek, T. S. Nature Clim. Change 6, 520–525 (2016).
[5] Feldmann, J. & Levermann, A. Proc. Natl Acad. Sci. USA 112, 14191–14196 (2015).
[6] Aschwanden, A. et al. Sci. Adv. 5, eaav9396 (2019).
[7] Drijfhout, S. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 112, E5777–E5786 (2015).
[8] Lovejoy, T. E. & Nobre, C. Sci. Adv. 4, eaat2340 (2018).
[9] Walker, X. J. et al. Nature 572, 520–523 (2019).
[10] Rogelj, J., Forster, P. M., Kriegler, E., Smith, C. J. & Séférian, R. Nature 571, 335–342 (2019).
[11] Steffen, W. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 115, 8252–8259 (2018).
[12] Schneider, T., Kaul, C. M. & Pressel, K. G. Nature Geosci. 12, 163–167 (2019).
[13] Tan, I., Storelvmo, T. & Zelinka, M. D. Science 352, 224–227 (2016).
[14] Rocha, J. C., Peterson, G., Bodin, Ö. & Levin, S. Science 362, 1379–1383 (2018).
[15] Caesar, L., Rahmstorf, S., Robinson, A., Feulner, G. & Saba, V. Nature 556, 191–196 (2018).
Circulation thermo-haline et MOC
A l’origine les courants d’eau chaude et froide, comme indiqué de manière simplifiée sur la figure ci-dessous, étaient considérés comme provenant des différentes densités en relation avec la salinité de l’eau: l’eau plus froide provenant de la fonte des glaces s’enfonce dans l’océan en direction du Sud et remonte dans l’océan Pacifique.
Compte tenu des analyses scientifiques plus poussées actuellement qui tiennent compte du rôle des vents, de la rotation de la terre, de l’apport d’eau douce des rivières et des fleuves ce phénomène est appelé «Circulation méridienne de retournement » ou MOC en anglais. En fait, il existe toute une série de «points de circulation de retournement» dans les océans en fonction de la géométrie des continents, ce qui rend le phénomène très compliqué.
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