Le réchauffement climatique de l’Holocène

Depuis que les hommes utilisent massivement les combustibles fossiles, la teneur en dioxyde de carbone dans l’atmosphère a augmenté. Elle est passée de 280 ppmv (partie par million en volume, soit 0,028 %) à plus de 410 ppmv en 2020. Puisque le CO₂ est un gaz à effet de serre, il se produit un réchauffement climatique, dont l’existence est à présent largement admise. La température moyenne globale TMG a augmenté d’environ 1,09 °C (presque certainement entre 0,95 et 1,20 °C) depuis la période de référence 1850-1900. Initialement, la TMG devait être de 14 °C, avec une incertitude de quelques dixièmes de degrés Celsius.

L’objet de cet article est de décrire la place que le réchauffement climatique actuel occupe dans l’Holocène, notre période géologique, commencée à la fin de la dernière glaciation et qui correspond presque au Néolithique. On verra que si les climats ont connu d’importantes variations durant ces 11 700 années, elles étaient locales. Durant toute cette période, c’est la première fois que la Terre connaît un changement global et aussi rapide.

Voir Les émissions anthropiques de dioxyde de carbone dans l’atmosphère

Les températures des deux derniers millénaires

Les climats ont toujours changé, dit-on parfois. Il est vrai qu’au cours des 541 millions d’années (durant le dernier éon de la Terre, appelé le Phanérozoïque), beaucoup de changements climatiques se sont produits. D’autres ont eu lieu plus tôt, comme les glaciations globales de la Terre, mais plus on remonte dans le temps, plus il est difficile de les percevoir. On ne sait presque rien des climats d’il y a 3 ou 4 milliards d’années. Pour autant, les climats ne changent pas de manière aléatoire. Ils dépendent du Soleil, de l’albédo de la Terre (son pouvoir réfléchissant) et de ses paramètres astronomiques, des gaz à effet de serre, de la disposition des continents, des montagnes et des courants océaniques, donc de la tectonique des plaques. Des changements très rapides peuvent être provoqués par des chutes de météorites massives ou des éruptions pliniennes (comme celle du Vésuve en 79, décrite par Pline le Jeune). Celles-ci ont un effet refroidissant. Les éruptions volcaniques émettant d’épaisses coulées de lave basaltiques (les trapps) ont plutôt un effet réchauffant à cause des gaz à effet de serre émis. Elles évoquent le réchauffement climatique actuel.

Le fait que les modèles climatiques réussissent à reproduire les climats de l’Holocène dans leurs grandes lignes, en fonction de ces paramètres, montre que leurs mécanismes sont compris, même s’il reste bien entendu des progrès à faire.

Ce qui compte, c’est de savoir ce qui s’est passé durant les derniers siècles. Les climats changeaient-ils déjà avant le XIXe siècle ? Les scientifiques répondent à cette question en utilisant des proxies (indicateurs paléoclimatiques), comme les glaces, les cernes de croissance des arbres et les coraux. Une première étude a été publiée en 1998, puis une seconde en 1999, par Michael Mann, Raymond Bradley et Malcolm Hughes. Elle concluait que les températures de l’hémisphère Nord avaient une légère tendance à la baisse depuis l’an 1000 avant de monter brusquement au cours du XXe siècle. Cela donnait à la courbe une allure en crosse de hockey, rendant évident le réchauffement climatique actuel :

Certains scientifiques, comme Wallace S. Broecker (1931-2019) du prestigieux Lamont-Doherty Earth Observatory à New York, ont reproché à cette courbe de ne pas faire apparaître l’optimum climatique médiéval, une période chaude allant approximativement de 800 à 1200 durant laquelle les Vikings ont colonisé les côtes du Groenland. Pour lui, des périodes chaudes se mettent en place sur Terre environ tous les 1 500 ans, depuis le début de l’Holocène il y a 11 700 ans. Le réchauffement climatique actuel ne serait qu’un épisode de plus. Selon Broecker, il aurait commencé avant que les émissions de gaz à effet de serre ne deviennent substantielles. Cette argumentation a été reprise par tous les climatosceptiques, qui voudraient que l’évolution de la température moyenne globale ressemble à ceci :

Cette courbe n’a pas été inventée par eux. Elle se trouve dans le premier rapport du GIEC, publié en 1990. Essentiellement basée sur des documents historiques, elle inclut les travaux du climatologue Hubert Horace Lamb (1913-1997) pour l’Angleterre centrale et s’arrête en 1975, après une trentaine d’années de légère diminution de la TMG et juste avant qu’elle ne reparte à la hausse.

La courbe de Mann a été adoptée par le troisième rapport d’évaluation, publié en 2001, ce qui a contribué à sa célébrité. Elle a été attaquée de toutes les manières possibles : les méthodes statistiques seraient erronées, le choix des données serait biaisé, les données et les procédures n’ont pas été partagées pour que d’autres scientifiques vérifient le travail de Mann. La tentative de réfutation la plus complète est venue d’un acteur de l’industrie minière diplômé de mathématiques, Stephen McIntyre, et d’un économiste évangéliste, Ross McKitrick. Leur premier article a été publié dans le journal Energy & Environment en 2003.

Face à cette controverse qui prenait un tour politique, le National Research Council, l’une des quatre Académies nationales des USA, a demandé à un groupe de scientifiques de réfléchir à la possibilité de reconstituer les températures de surface de la Terre depuis 2000 ans. Il fallait tout remettre à plat. On remarque la présence de John R. Christy, un spécialiste des sciences de l’atmosphère qui admet que l’humanité puisse modifier les climats mais ne pense pas que cela puisse avoir des conséquences catastrophiques. Le rapport a été publié en 2006. Sa conclusion a été qu’un réchauffement de 0,6 °C s’est produit durant le XXe siècle, qu’il est visible par des indicateurs comme les forages (mesures des températures des roches ou du pergélisol près de la surface) et le retrait des glaciers et qu’il peut être simulé par des modèles climatiques. Auparavant, à partir de 1500 à 1850, la Terre a connu une période froide, bien attestée par les proxies, appelée le petit âge glaciaire. L’existence d’une période chaude antérieure, environ de 900 à 1600, appelée l’optimum climatique médiéval, est moins certaine.

Le rapport a présenté cette compilation de publications :

Une nouvelle étude de Mann, rédigée avec Philip D. Jones et publiée en 2003, a été utilisée. Elle s’étend aux deux hémisphères et aux deux derniers millénaires. L’estimation des anciennes températures par forage (borehole), effectuée par Huang Shaopeng et Henry N. Pollack, ne fait pas apparaître les variations brèves : la courbe est lissée. Elle repose sur le principe que les changements de température sont enregistrés par le sous-sol, grâce à sa conductivité thermique. Un feu de forêt peut ainsi rester en « mémoire » pendant un certain temps. L’article de Jan Esper, Edward R. Cook et Fritz H. Schweingruber utilise uniquement les cernes des arbres de l’hémisphère Nord, en dehors des tropiques. Il affirme qu’il y a bien eu un optimum climatique médiéval à ces latitudes et qu’il est visible grâce à des méthodes d’analyse appropriées. Quant à la méthode de Johannes Oerlemans présentée dans Science en 2005, elle est basée sur 169 glaciers répartis dans le monde entier, dont les variations de longueur ont été reliées aux variations des températures :

Toutes les études mettent en évidence une baisse de la TMG après la seconde guerre mondiale, alors que les émissions de gaz à effet de serre ont augmenté. Elle s’explique par les rejets de poussières industrielles. Ce sont les mesures anti-pollution prises à partir des années 1970 qui ont fait repartir la TMG à la hausse.

Dans les années 2010, le réseau PAGES (Past Global Changes) a marqué son empreinte. Fondé en 1991, il a été financé par les USA et la Suisse, puis la Chine a remplacé les USA en 2019. Son siège est à Bern. Il comprend actuellement plus de 5000 scientifiques de 125 pays. Des membres de ce réseau se sont consacrés à la reconstitution des températures des deux derniers millénaires, en prenant le nom de consortium PAGES 2k (2k pour 2000 ans). Une première publication a été effectuée en 2013. Elle a été signée par 78 auteurs. En plus des proxies déjà cités, ils ont utilisé des pollens, des sédiments marins et lacustres, des stalagmites et des documents historiques de 511 lieux. L’Afrique est le seul continent pour lequel l’histoire des températures n’a pas pu être reconstituée. Pour l’Asie, l’Amérique du Sud et l’Australasie, la reconstitution ne couvrait que le dernier millénaire. Pour l’Europe et l’Arctique, en revanche, elle s’étendait bien sur 2 000 ans. Le réchauffement actuel y est visible partout sauf en Antarctique.

Le consortium a reconnu le petit âge glaciaire. Dans une autre étude publiée le 24 juillet 2019, il attribue un rôle dominant aux éruptions pliniennes. Cette période froide a été précédée d’un optimum climatique médiéval, qui n’a pas été synchrone. Il a commencé en Amérique du Sud et en Australasie vers 1 100, au moment où il se terminait dans l’hémisphère Nord. Ce décalage le rend peu visible dans l’évolution de la température moyenne globale.

Les résultats du consortium PAGES 2k ont été repris dans le sixième rapport d’évaluation du GIEC (AR6) :

Les grandes éruptions pliniennes du dernier millénaire y figurent. La première est celle du Samalas en 1257. C’est un volcan indonésien situé sur l’île de Lombok. La grande éruption suivante est peut-être celle du Kuwae, un volcan sous-marin de la région des îles Vanuatu, dans le Pacifique occidental, qui a explosé en 1453. La dernière est celle du Tambora le 10 avril 1815, en Indonésie, dont les conséquences climatiques sont connues grâce à des documents historiques. Ces éruptions ont éjecté d’énormes quantités de dioxyde de soufre et de sulfure d’hydrogène dans la stratosphère, qui ont engendré des aérosols sulfatés. L’assombrissement du ciel a provoqué des « hivers volcaniques ». Ces sulfates se retrouvent dans les glaces du Groenland et de l’Antarctique.

Une équipe de chercheurs qui se sont exprimés dans Nature Geoscience en 2015 pense avoir détecté une tendance au refroidissement dans les eaux de surface des océans entre les années 800 et 1 800, à cause d’une fréquence élevée de volcanisme explosif. Les influences du Soleil et du CO₂ n’ont pas été jugées suffisantes. A priori, les aérosols sulfatés ne peuvent pas obscurcir le ciel plus de deux ou trois ans, mais les échanges de chaleur entre l’atmosphère et les océans prolongent les refroidissements. Cela a d’abord été démontré avec le Tambora. Dans un article publié le 24 juillet 2019, Stefan Brönnimann et ses collègues attribuent à plusieurs éruptions des années 1820 et 1830 les basses températures et les précipitations élevées que l’Europe a connues, d’où une avancée des glaciers alpins. Les trajectoires des tempêtes au-dessus de l’Atlantique et de l’Europe ont été décalées vers le sud. L’Afrique, l’Inde et l’Australie ont subi un affaiblissement des moussons pendant des décennies.

C’est cohérent avec les résultats du consortium PAGES 2k présentés le même jour dans la même revue, mais cela jette un doute sur le début du réchauffement actuel, au milieu du XIXe siècle : était-il vraiment dû à l’action de l’Homme ou à la fin de perturbations provoquées par le volcanisme ? Un article publié dans Nature également le 24 juillet 2019 apporte des précisions : durant les deux derniers millénaires, les variations de températures n’ont jamais été globales. Le réchauffement actuel est une exception, en s’étendant sur presque toute la Terre. Pour les auteurs, menés par Raphael Neukom, le petit âge glaciaire n’a pas été synchrone, puisqu’il a atteint son apogée au XVe siècle dans l’océan Pacifique, au XVIIe siècle en Europe et au XIXe siècle sur le reste du Globe.

Les températures depuis le dernier maximum glaciaire

Depuis environ 2,6 millions d’années, la Terre connaît une succession de glaciations et de périodes interglaciaires. L’intensité des glaciations s’est accentuée au fil du temps et leur durée est d’environ 100 000 ans. La dernière, celle de Würm, s’est terminée il y a 11 700 ans, au début de l’Holocène. C’est seulement alors que les premières sociétés agricoles sont apparues. Auparavant, les Hommes ne cultivaient pas la terre.

En 2013, Shaun Marcott, Jeremy Shakun, Peter Clark et Alan Mix ont présenté, dans la revue Science, une évaluation de la température moyenne globale basée sur des proxies durant l’essentiel de l’Holocène. Ils ont trouvé que la TMG a augmenté de 0,6 °C durant une période allant de 11 300 à 9 500 ans avant le présent, avant de stagner durant 4 000 ans, puis de redescendre de 0,7 °C jusqu’au début de l’ère industrielle et de remonter brusquement. La « crosse de hockey » a été retrouvée de manière tout à fait indépendante. L’Holocène aurait donc eu un optimum climatique il y a entre 9 500 et 5 500 ans, suivi d’un refroidissement atteignant son maximum avec le petit âge glaciaire. Ce résultat est resté une référence.

Dans l’AR6, publié en 2021, les variations de la température moyenne globale de l’Holocène ont été présentées ainsi :

Il est précisé que l’élévation moyenne de température est actuellement plus importante sur les continents que sur les océans, à cause de l’inertie thermique de ces derniers : 1,59 °C au lieu de 0,88 °C. L’article cité pour le début de l’Holocène (siècles agricoles) est celui de Darrell Kaufman et al., paru en juin 2020 dans Scientific Data. Il confortait les travaux de Marcott et Shakun. Malgré la présence de l’optimum climatique de l’Holocène moyen, l’élévation actuelle de TMG dépassait tout ce qui avait été connu dans cette période.

Il y avait cependant un problème : les modèles climatiques n’étaient pas d’accord. Ils ne prévoyaient aucun refroidissement, mais un réchauffement lent et continu depuis la fin de la dernière glaciation, à cause du retrait tardif des glaciers et d’une hausse continue de la concentration en CO₂ atmosphérique. Soit les modèles se trompaient, soit les proxies donnaient des résultats biaisés. L’équipe de Samantha Bova a réexaminé ces derniers et a présenté les résultats en janvier 2021 dans la revue Nature. Ces proxies sont des foraminifères et des coccolithophoridés, des organismes unicellulaires synthétisant des coquilles carbonatées. La craie est une roche calcaire formée par accumulation de coccolithes, des plaques microscopiques constituant les coquilles des coccolithophoridés. Elles comportent des molécules organiques, les alcénones, qui sont utilisées comme paléothermomètres. Les chercheurs ont démontré que ces proxies ne reflètent pas l’évolution des températures moyennes annuelles, mais des températures saisonnières. Les coquilles analysées ont toutes été prélevées dans des sédiments marins situés entre 40 ° de latitude Nord et Sud, si bien qu’ils ne fournissent pas d’informations sur les hautes latitudes.

Les chercheurs ont déchiffré ces signaux en étudiant les proxies datant de la dernière période interglaciaire, l’Éémien, il y a entre 128 000 et 115 000 ans. L’avantage est que les saisons étaient plus marquées que durant l’Holocène, à cause d’une plus grande inclinaison de l’orbite terrestre (obliquité) et qu’il y avait moins de glaciers et de gaz à effet de serre. À partir de là, les chercheurs ont élaboré une méthode permettant de transformer les températures saisonnières en températures annuelles moyennes. Ils ont trouvé que celles-ci ont augmenté continuellement durant tout l’Holocène, d’abord à cause du retrait des glaciers puis, durant les dernières 6 500 années, à cause de l’augmentation de la concentration en CO₂.

Les températures étaient plus stables durant l’Éémien. D’après l’AR6, la TMG était supérieure de 0,5 à 1,5 °C à celle de la période de référence, pour une concentration en CO₂ comprise entre 266 et 282 ppm. La calotte glaciaire du Groenland, et peut-être aussi celle de l’Antarctique, était moins développée que maintenant et le niveau des mers était de 5 à 10 mètres plus élevé qu’en 1900.

L’optimum climatique de l’Holocène, comme évènement climatique global, peut être oublié, mais cela ne veut pas dire que les climats n’aient pas varié localement, car les paramètres astronomiques de la Terre ont changé. La première moitié de l’Holocène a vu le retrait de tous les glaciers de l’Amérique du Nord et le remplacement de larges bandes de toundra par des forêts au nord-ouest du Canada. Le Sahara a connu une phase d’aridité, mais la modifications des moussons dans l’hémisphère Nord l’a rendu verdoyant. Au même moment, l’accroissement des précipitations en Europe et des températures clémentes ont facilité l’implantation de l’agriculture. L’humidité est arrivée à son maximum durant l’Holocène moyen, il y a 6000-5000 ans, avant de décroître et d’obliger le Sahara à redevenir un désert, obligeant les hommes à se replier dans la vallée du Nil.

Dans les plaines centrales de Chine, au début de l’Holocène, l’arrivée de moussons venues du sud-ouest a remplacé les steppes par des forêts et permis l’installation de villages sédentaires. Les premières cultures néolithiques sont apparues dans la vallée du fleuve Jaune il y a 7000-5000 ans. Les forêts étaient alors tempérées en Chine du Nord-Est, subtropicales dans les vallées du fleuve Jaune et du Yangzi, tropicales plus au sud. La région du lac Bleu (Qinghai en chinois, Khökh Nuur en mongol), au nord-est du plateau tibétain, qui est aujourd’hui une steppe, était alors recouverte par des forêts de conifères et de feuillus, grâce à des précipitations annuelles de 600 mm et des températures supérieures de 3 °C à celles d’aujourd’hui. À l’ouest de la Chine, l’expansion de la végétation a réduit la taille du désert du Taklamakan. Sur les côtes orientales, le niveau de la mer était plus bas de 40 mètres au début de l’Holocène. La fonte des calottes glaciaires a permis à la mer d’atteindre son niveau actuel durant l’Holocène moyen.

En moyenne, l’insolation, c’est-à-dire le flux d’énergie que la Terre reçoit du Soleil, varie très peu. Il est actuellement de 340 W/m², moyenné sur toute la surface de notre planète. Durant tout l’Holocène, ce chiffre n’a varié que d’un seul watt par mètre carré. Mais grâce aux changements des paramètres astronomiques, l’insolation estivale de l’hémisphère Nord a connu des variations beaucoup plus importantes.

Pour Matthew Osman et ses confrères, il restait des éclaircissements à effectuer et ces résultats avaient l’inconvénient de ne pas inclure la dernière déglaciation (ou terminaison pour utiliser le vocabulaire spécialisé). Leurs travaux, présentés dans Nature en novembre 2021, ont été salués par Shaun Marcott et Jeremy Shakun. Mais chez eux non plus, il n’y avait plus d’optimum climatique de l’Holocène. Leur méthode a consisté a combiner les proxys, dont 500 enregistrements marins, et les modèles. Pour eux, l’évolution de la température moyenne globale a été la suivante :

Elle a augmenté de 6,8 ± 0,8 °C depuis le début de la déglaciation il y a 17 200 ans jusqu’il y a 9 200 ans, et elle est restée stable jusqu’à l’avènement de l’ère industrielle.

Ce ne sont que des moyennes planétaires. Les courbes ci-dessous montrent des évolutions différentes pour l’hémisphère Nord (NH) et l’hémisphère Sud (SH). La première, la courbe rouge, a été décalée pour que le graphique soit lisible. Une irrégularité, visible dans les moyennes planétaires, n’apparaît plus que dans l’hémisphère Nord : le réchauffement, qui était en bonne voie, s’est brusquement interrompu. Ce refroidissement subi est appelé le Dryas récent (Younger Dryas YD). Il est daté par Osman et al. de 12 800 à 11 700 ans avant le présent. L’Holocène commence à la fin de ce coup de froid, lié à la calotte glaciaire de l’Amérique du Nord et aux courants de l’Atlantique Nord.

Un coup de chaud a précédé le Dryas récent : l’évènement Bølling-Allerød (BA), il y a 14 800-12 800 ans.

Qu’en est-il du CO₂ ? Sa concentration a très peu varié durant l’Holocène. Elle est en revanche montée durant la déglaciation, passant de 190 à 265 ppm, avec une pause à 240 ppm durant les évènements BA et YP. Les moyennes et hautes latitudes de l’hémisphère Nord ont été les premières à se réchauffer, à la suite de la variation des paramètres astronomiques. La TMG était en phase avec la concentration en CO₂ ou légèrement en retard. La fonte des calottes glaciaires américaine et européenne a libéré de grandes masses d’eau douce, perturbant un courant océanique appelé la circulation méridienne de retournement de l’Atlantique (AMOC en anglais). Sous l’afflux de chaleur dans l’hémisphère Sud, la banquise de l’Antarctique a fondu, provoquant la hausse de la concentration en CO₂ : quand l’eau est chauffée, elle libère du CO₂ dissous. Dès lors, c’est cette hausse qui a été le moteur du réchauffement planétaire.

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Michael E. Mann et al., Northern hemisphere temperatures during the past millennium: Inferences, uncertainties, and limitations, Geophysical Research Letters, 5 March 1999.

Johannes Oerlemans, Extracting a Climate Signal from 169 Glacier Records, Science, 29 April 2005.

National Research Council, Surface Temperature Reconstructions for the Last 2,000 Years. Washington, DC, The National Academies Press, 2006.

Michael E. Mann et al., Proxy-based reconstructions of hemispheric and global surface temperature variations over the past two millennia, PNAS, September 9, 2008.

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Shaun A. Marcott et al., A Reconstruction of Regional and Global Temperature for the Past 11,300 Years. Science, 8 March 2013.

PAGES 2k Consortium, Continental-scale temperature variability during the past two millennia, Nature Geoscience, 21 April 2013.

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PAGES 2k Consortium, Consistent multidecadal variability in global temperature reconstructions and simulations over the Common Era, Nature Geoscience, 24 July 2019.

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Samantha Bova et al., Seasonal origin of the thermal maxima at the Holocene and the last interglacial, Nature, 27 January 2021.

Matthew B. Osman et al., Globally resolved surface temperatures since the Last Glacial Maximum, Nature, 10 November 2021.

Le sixième rapport d’évaluation du GIEC peut être intégralement et gratuitement téléchargé.