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Réchauffement climatique : ce que nous disent les climats anciens

De la toundra sibérienne à la calotte de glace de l’Antarctique, des scientifiques étudient les archives climatiques de notre planète. Ils poursuivent un même objectif : identifier les conséquences à venir du changement climatique en cours sur les écosystèmes et les sociétés humaines pour mieux s’y préparer.

Par Grégory Fléchet
Photographies : Visée.A

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Le réchauffement planétaire actuel est indéniable, singulier et inquiétant par sa soudaineté et son intensité. Des chercheurs remontent désormais plusieurs millions d’années en arrière pour retrouver des conditions atmosphériques similaires et prévenir de la meilleure conduite à adopter afin de s’en sortir sans trop de dommages. L’acceptation de ce phénomène global par la majorité de la population doit beaucoup au travail des climatologues  qui étudient sans relâche l’évolution actuelle du climat. « Alors qu’en l’espace de 150 ans, la température moyenne à la surface de la Terre a déjà augmenté de près de 1°C. Le réchauffement se poursuit à un rythme de plus en plus soutenu, la hausse des températures atteignant désormais 0,2°C par décennie« , souligne Valérie Masson-Delmotte, paléoclimatologue au Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) et co-présidente du groupe de travail du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (Giec) chargé d’étudier les bases physiques du climat. Inédit de par sa rapidité, cet épisode de réchauffement l’est aussi par sa cause : l’injection massive dans l’atmosphère de gaz à effet de serre résultant des activités humaines tel que le dioxyde de carbone (CO2). Pour prendre la mesure des perturbations que risque d’engendrer un tel phénomène, l’étude des climats anciens se révèle nécessaire.

Il faut en effet remonter jusqu’au Pliocène, il y a 3 millions d’années, pour retrouver une concentration atmosphérique en CO2 comprise entre 400 et 500 ppm1 comparable à celle que l’on observe aujourd’hui. Et si l’on veut établir un parallèle avec les projections les plus pessimistes du Giec à l’horizon 2100, il convient cette fois-ci d’effectuer un bond de 56 millions d’années dans le passé. À cette époque, que les géologues qualifient de maximum thermique du Paléocène-Eocène (PETM), la concentration de CO2 atmosphérique dépassait
vraisemblablement les 1 600 ppm.

Un parallèle entre climat passé et actuel

Reconstituer les climats passés de notre planète, c’est le travail qu’effectue Guillaume Suan, enseignant-chercheur en géologie au Laboratoire de géologie de Lyon – Terre, planètes et environnement (LGL-TPE)2. Quel est l’intérêt de connaître le temps qu’il faisait il y a plusieurs millions d’années ? « Les archives associées à ces périodes géologiques chaudes jouent un rôle clé en matière de modélisation climatique. Elles fournissent des contraintes quantitatives qui vont permettre de tester la fiabilité des simulations à de très fortes teneurs atmosphériques en CO2. »

Guillaume Suan - Enseignant-chercheur en géologie au Laboratoire de géologie de Lyon - Terre, planètes et environnement (LGL-TPE)

Les informations sur ces lointaines phases de réchauffement sont issues de carottages sédimentaires profonds réalisés dans le nord-ouest de l’océan Pacifique ou bien sur les couches géologiques affleurantes situées sur l’archipel de Nouvelle-Sibérie, dans l’océan Arctique. Grâce à l’étude des fossiles de micro-organismes et des grains de pollen emprisonnés dans ces roches, couplée à l’analyse des compositions isotopiques de l’oxygène et  du carbone, les chercheurs du LGL-TPE parviennent à reconstituer l’environnement naturel de l’époque. Ces travaux fournissent également de précieux indices sur la façon dont le climat actuel pourrait évoluer en réponse à une forte augmentation de la concentration atmosphérique en CO2. Comme le fait d’ailleurs remarquer Guillaume Suan : « Durant la phase du PETM, au cours de laquelle la température à la surface de la Terre a augmenté d’environ 5°C en l’espace de quelques milliers d’années, ce qui est extrêmement rapide à l’échelle des temps géologiques, nous avons pu constater que les régions les plus humides du globe recevaient des pluies encore plus abondantes tandis que les plus sèches devenaient encore plus arides. » Cet effet amplificateur est bien celui que prédisent les modèles de simulation climatique au cours des prochaines décennies si rien n’est fait pour réduire rapidement nos rejets de gaz à effet de serre.

La civilisation à l’épreuve du réchauffement

L’analyse des bulles d’air emprisonnées dans les glaces du continent Antarctique montre que le réchauffement actuel n’a pas eu d’équivalent (en ampleur et en rapidité) durant les derniers 800 000 ans.Toujours est-il qu’au cours de son histoire, l’humanité a été confrontée à plusieurs reprises à des périodes inhabituellement chaudes. Face à ces perturbations climatiques, les sociétés humaines ont longtemps pu miser sur l’adaptation en se réorganisant dans l’espace et sur le plan économique.

« Depuis les débuts du Néolithique, il y a environ 10 000 ans, les phases de changement climatique rapide associées à des épisodes de stress thermique se sont succédé à intervalles réguliers …

…à l’image de l’optimum climatique romain situé entre 250 av. J.-C. et 400 ap. J.-C.« , confirme Jean-François Berger, géo-archéologue au sein du laboratoire Environnement, ville, société (EVS)3 où il étudie notamment les impacts des changements climatiques sur les civilisations anciennes. L’Empire romain qui est alors au faîte de sa puissance, compte de nombreuses cités érigées à mesure de son expansion le long des grands axes fluviaux. Mais à la suite de pénuries d’eau prolongées, la plupart de ces centres urbains sont en déclin à la fin de l’optimum climatique romain. « Leurs quartiers périphériques vont peu à peu laisser la place à des jardins, ce qui atteste d’une réduction significative du nombre de citadins, précise Jean-François Berger. Dans les campagnes, on assiste à une reconquête de la forêt consécutive à un fort abandon de l’activité agricole traduisant une diminution générale de la population. » Un autre exemple significatif de la réorganisation sociale et économique d’une société suite à un stress climatique est celui de la sécheresse exceptionnelle qui affecta le sud de la France au début du Néolithique. Elle conduisit les populations d’agriculteurs à opter pour deux stratégies différentes : rejoindre les montagnes pour développer l’élevage à proximité de points d’eau pérennes ou gagner les côtes pour pratiquer la pêche en mer. Migrer pour espérer échapper au changement climatique est aujourd’hui une réalité prégnante et – à rebours du Néolitique très peu peuplé – elle concerne désormais des centaines de millions de personnes. Il s’agit dès lors d’une fatidique conséquence plus que d’une solution, dans un monde globalisé et surpeuplé.

Une adaptation devenue inévitable

Faute de temps ou de volonté politique pour initier de nouveaux modèles socioéconomiques à même de relever ce défi, d’aucuns envisagent de recourir à des méthodes « correctives » dites de géo-ingénierie dans l’espoir de contrecarrer au plus vite les effets du réchauffement climatique. Alors que le développement à grande échelle de telles solutions n’est pas sans présenter certains risques, elles pourraient bien devenir incontournables si nos émissions de gaz à effet de serre ne diminuent pas plus rapidement. « Pour espérer contenir le réchauffement climatique au-dessous de 1,5°C, nous devons réduire nos rejets de CO2 de moitié d’ici 2030 tout en atteignant la neutralité carbone à l’horizon 2050, c’est-à-dire faire en sorte d’injecter moins de CO2 dans l’atmosphère que nous sommes capables d’en enlever, rappelle Valérie Masson-Delmotte. Or, en prenant en compte toutes les promesses d’action des États qui ont participé à la Conférence de Paris de 2015 sur les changements climatiques et sous réserve qu’elles soient toutes appliquées, nous devons plutôt nous attendre à un réchauffement de 3°C d’ici la fin du siècle. » Bien que l’heure ne soit donc pas à l’optimisme, l’élaboration de stratégies visant à s’adapter au changement climatique est toutefois en train de monter en puissance. Pour passer à la vitesse supérieure, il convient désormais de coordonner ces initiatives avec les stratégies de transition énergétiques et agricoles, d’éradication de la pauvreté ou de développement de l’économie circulaire. « Il est fondamental de penser toutes ces approches en système et non plus en silo comme on le fait aujourd’hui pour déployer des trajectoires de développement résilientes à l’égard du changement climatique », conclut Valérie Masson-Delmotte.


1 > PPM signifie « partie par million ». En climatologie, cette unité de mesure sert à indiquer le nombre de molécules de gaz à effet de serre (dioxyde de carbone (CO2), méthane (CH4), protoxyde d’azote (N2O)…) parmi un million de molécules d’air.

2 > ENS de Lyon, CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1.

3 > CNRS, Université Lyon 3, Université Lyon 2, Université J. Monnet Saint-Étienne, Mines Saint-Étienne, INSA Lyon, ENS de Lyon, ENTPE, ENSAL

Courir les continents sur les traces d'anciens climats

Guillaume Suan, géologue et enseignant-chercheur (LGL-TPE), traque les archives sédimentaires témoignant de lointaines périodes de réchauffement climatique. Leur analyse au Laboratoire de géologie de Lyon contribue notamment à décrypter les mécanismes du dérèglement climatique en cours.

Des forêts en Nouvelle Sibérie

Ce paysage lunaire est celui de l’île russe de Nouvelle-Sibérie, dans l’océan Arctique. Il y a 90 millions d’années, elle était occupée par de vastes zones marécageuses couvertes de forêts. Les prélèvements effectués par Guillaume Suan et son équipe devraient aider à comprendre comment un tel écosystème a pu s’installer sous ces hautes latitudes.

Une mangrove au pôle Nord.

Cette succession de couches sédimentaires affleurantes située sur la péninsule Faddeïev, en Russie, s’est formée près du pôle Nord lors de l’optimum climatique de l’Éocène inférieur, il y a environ 55 millions d’années. Les échantillons de pollens, collectés par les chercheurs du Laboratoire de géologie de Lyon ont montré que cet environnement avait abrité la mangrove la plus septentrionale jamais documentée.

L’escargot comme archive climatique.

Prélèvement d’un fragment de coquille de gastéropode. Une fois l’échantillon réduit en poudre, diverses analyses chimiques pourront ensuite être pratiquées. Elles serviront notamment à estimer la concentration de CO2 atmosphérique dans l’environnement de l’organisme en question.

Un platane en Sibérie.

Cette feuille fossilisée,  découverte sur l’île de Nouvelle-Sibérie, appartient à une espèce de la même famille que le platane. Associée à d’autres vestiges de plantes fossiles, sa découverte suggère qu’un climat chaud et humide régnait en Arctique, il y a près de 100 millions d’années.

Cuisine géologique.

Préparation d’un échantillon sédimentaire sur le point d’être analysé. Une fois séché et finement broyé, une fraction de l’échantillon est placée dans une capsule métallique adapté à l’analyse par spectrométrie de masse.

Cette technique sert à mesurer l’abondance relative des différents isotopes du carbone et de l’oxygène dans les échantillons pour détecter des perturbations du cycle du carbone, ou mesurer l’évolution des températures de l’océan.

Mémoire de phytoplancton.

Observation au microscope électronique d’un échantillon de sédiments marins constitué de nanofossiles calcaires. Ceux-ci résultent de l’activité du phytoplancton qui vivait à la surface des océans durant le Maximum Thermique du Paléocène-Éocène.

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Le recours à des méthodes de captage du CO2 pourrait se révéler indispensable dès la seconde moitié du XXIe siècle

Directeur de recherche au CNRS et climatologue à l’Institut Pierre-Simon Laplace,  Olivier Boucher a coordonné le chapitre « Nuages et aérosols » du cinquième rapport d’évaluation du Giec publié en 2013. Il nous explique le concept de géo-ingénierie climatique et les enjeux associés au déploiement à grande échelle de ces techniques.

Quelles sont les solutions de géo-ingénierie envisagées pour atténuer le réchauffement climatique ?

Olivier Boucher : Elles sont de deux types. Il y a les techniques qui agissent sur le rayonnement solaire et celles qui visent à capter le CO2 de l’atmosphère. Dans le premier cas de figure, l’injection de particules d’aérosols dans la basse stratosphère, à plus de 15 km d’altitude, reste la mieux étudiée. Certains scientifiques s’intéressent aussi à l’effet de la pulvérisation d’eau de mer à basse altitude dans le but d’augmenter le pouvoir réfléchissant des nuages. Ces méthodes destinées à atténuer le rayonnement solaire sont uniquement  étudiées à partir de modèles mathématiques ou d’analogues naturels comme les éruptions volcaniques explosives. Les techniques de captage du CO2 agissent quant à elles plus en amont en cherchant à réduire la quantité de ce gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Parmi les méthodes envisagées, on peut citer la bioénergie associée au captage et stockage du carbone (BECCS) ou le captage direct du CO2 de l’air avant stockage (DACCS).

À la différence des techniques de gestion du rayonnement solaire, le captage du CO2 existe déjà.

O.B. : Tout à fait, même s’il s’agit essentiellement d’expérimentations menées à petite échelle. C’est par exemple le cas du projet pilote de la start-up Climeworks, lancé en 2017 près de Zurich. Une fois le CO2 de l’air piégé à l’aide d’un filtre, il est transporté jusqu’aux serres d’une exploitation agricole pour servir de fertilisant. La société canadienne Carbon Engineering entend quant à elle capturer puis purifier le CO2 dans le but de produire du carburant liquide. Mais en l’absence de marché d’enfouissement du carbone, les entreprises qui développent actuellement des projets autour du captage du CO2 privilégient toutes son utilisation à son stockage.

Est-il encore possible de limiter ce réchauffement à 1,5°C sans avoir recours à la géo-ingénierie ?

O.B. : Le réchauffement climatique devrait atteindre 1,5°C entre 2030 et 2050 si nos émissions de gaz à effets de serre se poursuivent au rythme actuel. La faisabilité de l’objectif à 1,5°C dépend de la valeur exacte de la sensibilité du climat, autrement dit de l’ampleur du réchauffement de la surface terrestre en réponse à l’augmentation de la concentration de gaz à effet de serre de l’atmosphère. Si cette sensibilité climatique se situe dans la partie haute de la fourchette, le recours à des méthodes de captage du CO2 sera indispensable dès la seconde moitié du XXIe siècle si l’on veut rester sous le seuil des 1,5°C.

Quels seraient les effets de la mise en oeuvre, à grande échelle, de ces techniques de géo-ingénierie ?

O.B. : En raison des caractéristiques particulières du cycle du carbone, le potentiel de déploiement et de mise en oeuvre des solutions de captage et de stockage du CO2 reste limité. Si les techniques d’atténuation du rayonnement solaire autorisent à l’inverse un refroidissement rapide et substantiel, celui-ci ne sera toutefois pas uniforme. La gestion du rayonnement solaire appliquée à grande échelle – on estime qu’il faudrait injecter 10 millions de tonnes de dioxyde de soufre (SO2) chaque année pour abaisser la température planétaire de 1°C – risque en outre de détruire l’ozone stratosphérique qui nous protège du rayonnement ultraviolet. L’application de cette technique engendrerait par ailleurs une réduction des précipitations dans certaines régions du globe sans compter qu’elle n’aurait aucun effet sur le phénomène d’acidification des océans résultant du réchauffement climatique.

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