Analyse : Pourquoi les scientifiques pensent que 100% du réchauffement climatique est dû à l’homme | Carbon Brief

L’ampleur de la contribution humaine au réchauffement climatique moderne est un sujet très débattu dans les milieux politiques, notamment aux États-Unis.

Lors d’une récente audition au Congrès, Rick Perry, le secrétaire américain à l’énergie, a fait remarquer que « se lever et dire que 100% du réchauffement climatique est dû à l’activité humaine, je pense que sur le fond, c’est juste indéfendable ».

Pourtant, la science sur la contribution humaine au réchauffement moderne est assez claire. Les émissions et les activités humaines ont causé environ 100% du réchauffement observé depuis 1950, selon le cinquième rapport d’évaluation du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC).

Carbon Brief examine ici comment chacun des principaux facteurs affectant le climat de la Terre influencerait les températures de manière isolée – et comment leurs effets combinés prédisent presque parfaitement les changements à long terme de la température mondiale.

L’analyse de Carbon Brief révèle que :

• Depuis 1850, la quasi-totalité du réchauffement à long terme peut être expliquée par les émissions de gaz à effet de serre et d’autres activités humaines.
• Si les seules émissions de gaz à effet de serre réchauffaient la planète, nous nous attendrions à voir environ un tiers de réchauffement de plus que ce qui s’est réellement produit. Elles sont compensées par le refroidissement dû aux aérosols atmosphériques produits par l’homme.
• Les aérosols devraient diminuer de manière significative d’ici 2100, ce qui rapprocherait le réchauffement total de tous les facteurs du réchauffement dû aux seuls gaz à effet de serre.
• Il est peu probable que la variabilité naturelle du climat de la Terre joue un rôle majeur dans le réchauffement à long terme.

Animation réalisée par Rosamund Pearce pour Carbon Brief. Images via Alamy Stock Photo.

Combien le réchauffement est causé par les humains?

Dans son cinquième rapport d’évaluation de 2013, le GIEC a déclaré dans son résumé à l’intention des décideurs qu’il est « extrêmement probable que plus de la moitié de l’augmentation observée de la température moyenne à la surface du globe » de 1951 à 2010 soit causée par l’activité humaine. Par « extrêmement probable », il entendait qu’il y avait entre 95 % et 100 % de probabilité que plus de la moitié du réchauffement moderne soit dû à l’homme.

Cette déclaration quelque peu alambiquée a souvent été mal interprétée comme impliquant que la responsabilité humaine du réchauffement moderne se situe quelque part entre 50 % et 100 %. En fait, comme l’a souligné le Dr Gavin Schmidt de la NASA, la meilleure estimation implicite du GIEC était que les humains étaient responsables d’environ 110% du réchauffement observé (allant de 72% à 146%), les facteurs naturels pris isolément ayant conduit à un léger refroidissement au cours des 50 dernières années.

De même, la récente quatrième évaluation climatique nationale américaine a conclu qu’entre 93% et 123% du réchauffement observé de 1951 à 2010 était dû aux activités humaines.

Ces conclusions ont entraîné une certaine confusion quant à la façon dont plus de 100% du réchauffement observé pouvait être attribuable à l’activité humaine. Une contribution humaine supérieure à 100 % est possible car le changement climatique naturel associé aux volcans et à l’activité solaire aurait très probablement entraîné un léger refroidissement au cours des 50 dernières années, compensant une partie du réchauffement associé aux activités humaines.

Les « forçages » qui modifient le climat

Les scientifiques mesurent les différents facteurs qui affectent la quantité d’énergie qui atteint et reste dans le climat de la Terre. Ils sont connus sous le nom de « forçages radiatifs ».

Ces forçages comprennent les gaz à effet de serre, qui piègent la chaleur sortante, les aérosols – provenant à la fois des activités humaines et des éruptions volcaniques – qui reflètent la lumière solaire entrante et influencent la formation des nuages, les changements dans la production solaire, les changements dans la réflectivité de la surface de la Terre associés à l’utilisation des terres, et de nombreux autres facteurs.

Pour évaluer le rôle de chaque forçage différent dans les changements de température observés, Carbon Brief a adapté un modèle climatique statistique simple développé par le Dr Karsten Haustein et ses collègues de l’Université d’Oxford et de l’Université de Leeds. Ce modèle trouve la relation entre les forçages climatiques humains et naturels et la température qui correspond le mieux aux températures observées, à la fois à l’échelle mondiale et sur les zones terrestres uniquement.

La figure ci-dessous montre le rôle estimé de chaque forçage climatique différent dans l’évolution des températures de surface mondiales depuis le début des enregistrements en 1850 – y compris les gaz à effet de serre (ligne rouge), les aérosols (bleu foncé), l’utilisation des terres (bleu clair), l’ozone (rose), le solaire (jaune) et les volcans (orange).

Les points noirs montrent les températures observées à partir du projet de température de surface de Berkeley Earth, tandis que la ligne grise montre le réchauffement estimé à partir de la combinaison de tous les différents types de forçages

Températures de surface moyennes mondiales de Berkeley Earth (points noirs) et influence modélisée de différents forçages radiatifs (lignes colorées), ainsi que la combinaison de tous les forçages (ligne grise) pour la période de 1850 à 2017. Voir les méthodes à la fin de l’article pour plus de détails. Graphique par Carbon Brief en utilisant Highcharts.

La combinaison de tous les forçages radiatifs correspond généralement assez bien aux changements à plus long terme des températures observées. Il existe une certaine variabilité d’une année à l’autre, principalement due aux événements El Niño, qui n’est pas déterminée par les changements de forçages. Il y a également des périodes de 1900-1920 et 1930-1950 où des désaccords plus importants sont évidents entre le réchauffement projeté et observé, à la fois dans ce modèle simple et dans des modèles climatiques plus complexes.

Le graphique met en évidence que, parmi tous les forçages radiatifs analysés, seule l’augmentation des émissions de gaz à effet de serre produit l’ampleur du réchauffement connu au cours des 150 dernières années.

Si les émissions de gaz à effet de serre seules réchauffaient la planète, nous nous attendrions à voir un réchauffement d’environ un tiers supérieur à celui qui s’est réellement produit.

Alors, quels rôles jouent tous les autres facteurs ?

Le réchauffement supplémentaire dû aux gaz à effet de serre est compensé par le dioxyde de soufre et d’autres produits de la combustion de combustibles fossiles qui forment des aérosols atmosphériques. Les aérosols dans l’atmosphère réfléchissent à la fois le rayonnement solaire entrant vers l’espace et augmentent la formation de nuages élevés et réfléchissants, ce qui refroidit la Terre.

L’ozone est un gaz à effet de serre à courte durée de vie qui piège la chaleur sortante et réchauffe la Terre. L’ozone n’est pas émis directement, mais se forme lorsque le méthane, le monoxyde de carbone, les oxydes d’azote et les composés organiques volatils se décomposent dans l’atmosphère. L’augmentation de l’ozone est directement attribuable aux émissions humaines de ces gaz.

Dans la haute atmosphère, les réductions d’ozone associées aux chlorofluorocarbones (CFC) et autres halocarbones appauvrissant la couche d’ozone ont eu un effet de refroidissement modeste. Les effets nets des changements combinés de l’ozone de la basse et de la haute atmosphère ont modestement réchauffé la Terre de quelques dixièmes de degré.

Les changements dans la façon dont les terres sont utilisées modifient la réflectivité de la surface de la Terre. Par exemple, le remplacement d’une forêt par un champ augmente généralement la quantité de lumière solaire réfléchie dans l’espace, en particulier dans les régions enneigées. L’effet net sur le climat des changements d’utilisation des terres depuis 1850 est un refroidissement modeste.

Les volcans ont un effet de refroidissement à court terme sur le climat en raison de leur injection d’aérosols sulfatés très haut dans la stratosphère, où ils peuvent rester en altitude pendant quelques années, renvoyant la lumière solaire entrante dans l’espace. Cependant, une fois que les sulfates sont redescendus vers la surface, l’effet de refroidissement des volcans disparaît. La ligne orange montre l’impact estimé des volcans sur le climat, avec de grands pics de température à la baisse pouvant atteindre 0,4C associés aux éruptions majeures.

Enfin, l’activité solaire est mesurée par les satellites au cours des dernières décennies et estimée en fonction du nombre de taches solaires dans un passé plus lointain. La quantité d’énergie atteignant la Terre en provenance du soleil fluctue modestement sur un cycle d’environ 11 ans. Il y a eu une légère augmentation de l’activité solaire globale depuis les années 1850, mais la quantité d’énergie solaire supplémentaire atteignant la Terre est faible par rapport aux autres forçages radiatifs examinés.

Au cours des 50 dernières années, l’énergie solaire atteignant la Terre a en fait légèrement diminué, alors que les températures ont augmenté de façon spectaculaire.

Les forçages humains correspondent au réchauffement observé

L’exactitude de ce modèle dépend de l’exactitude des estimations du forçage radiatif. Certains types de forçage radiatif comme celui provenant des concentrations atmosphériques de CO2 peuvent être directement mesurés et ont des incertitudes relativement faibles. D’autres, comme les aérosols, sont soumis à des incertitudes beaucoup plus grandes en raison de la difficulté à mesurer avec précision leurs effets sur la formation des nuages.

Ces derniers sont pris en compte dans la figure ci-dessous, qui montre les forçages naturels combinés (ligne bleue) et les forçages humains (ligne rouge) et les incertitudes que le modèle statistique associe à chacun. Ces zones ombragées sont basées sur 200 estimations différentes des forçages radiatifs, intégrant des recherches qui tentent d’estimer une gamme de valeurs pour chacun. Les incertitudes liées aux facteurs humains augmentent après 1960, principalement en raison de l’augmentation des émissions d’aérosols après cette date.

Températures moyennes à la surface de la Terre de Berkeley (points noirs) et influence modélisée de tous les forçages radiatifs naturels (ligne bleue) et humains (ligne rouge) combinés, avec leurs incertitudes respectives (zones ombrées) pour la période allant de 1850 à 2017. La combinaison de tous les forçages naturels et humains (ligne grise) est également représentée. Voir les méthodes à la fin de l’article pour plus de détails. Graphique réalisé par Carbon Brief à l’aide de Highcharts.

Dans l’ensemble, le réchauffement associé à tous les forçages humains concorde assez bien avec le réchauffement observé, montrant qu’environ 104 % du total depuis le début de la période « moderne » en 1950 provient des activités humaines (et 103 % depuis 1850), ce qui est similaire à la valeur rapportée par le GIEC. Les forçages naturels combinés montrent un refroidissement modeste, principalement dû aux éruptions volcaniques.

Le modèle statistique simple utilisé pour cette analyse par Carbon Brief diffère des modèles climatiques beaucoup plus complexes généralement utilisés par les scientifiques pour évaluer l’empreinte humaine sur le réchauffement. Les modèles climatiques ne se contentent pas de « faire correspondre » les forçages aux températures observées. Les modèles climatiques incluent également les variations de température dans l’espace et le temps, et peuvent tenir compte des différentes efficacités des forçages radiatifs dans différentes régions de la Terre.

Cependant, lorsqu’ils analysent l’impact de différents forçages sur les températures mondiales, les modèles climatiques complexes trouvent généralement des résultats similaires aux modèles statistiques simples. La figure ci-dessous, tirée du cinquième rapport d’évaluation du GIEC, montre l’influence de différents facteurs sur la température pour la période allant de 1950 à 2010. Les températures observées sont indiquées en noir, tandis que la somme des forçages humains est indiquée en orange.

Cela suggère que les forçages humains seuls auraient entraîné environ 110% du réchauffement observé. Le GIEC a également inclus dans les modèles l’ampleur estimée de la variabilité interne sur cette période, qui, selon eux, est relativement faible et comparable à celle des forçages naturels.

Comme le dit le professeur Gabi Hegerl de l’Université d’Édimbourg à Carbon Brief : « Le rapport du GIEC a une estimation qui dit essentiellement que la meilleure estimation est l’absence de contribution avec pas tant d’incertitude que cela. »

Les zones terrestres se réchauffent plus rapidement

Les températures terrestres se sont réchauffées considérablement plus vite que les températures mondiales moyennes au cours du siècle dernier, avec des températures atteignant environ 1,7C au-dessus des niveaux préindustriels ces dernières années. L’enregistrement des températures terrestres remonte également plus loin dans le temps que l’enregistrement des températures mondiales, bien que la période antérieure à 1850 soit sujette à des incertitudes beaucoup plus grandes.

Les forçages radiatifs tant humains que naturels peuvent être mis en correspondance avec les températures terrestres à l’aide du modèle statistique. L’ampleur des forçages humains et naturels sera un peu différente entre les températures terrestres et les températures globales. Par exemple, les éruptions volcaniques semblent avoir une plus grande influence sur les terres, car les températures terrestres sont susceptibles de répondre plus rapidement aux changements rapides des forçages.

La figure ci-dessous montre la contribution relative de chaque forçage radiatif différent aux températures terrestres depuis 1750.

Températures moyennes de surface terrestre de Berkeley Earth (points noirs) et influence modélisée des différents forçages radiatifs (lignes colorées), ainsi que la combinaison de tous les forçages (ligne grise) pour la période de 1750 à 2017. Graphique réalisé par Carbon Brief à l’aide de Highcharts.

La combinaison de tous les forçages correspond généralement assez bien aux températures observées, la variabilité à court terme autour de la ligne grise étant principalement due aux événements El Niño et La Niña. Il y a une plus grande variation des températures avant 1850, reflétant les incertitudes beaucoup plus grandes dans les enregistrements d’observation si loin en arrière.

Il y a encore une période autour de 1930 et 1940 où les observations dépassent ce que le modèle prédit, bien que les différences soient moins prononcées que dans les températures globales et la divergence 1900-1920 est principalement absente dans les enregistrements terrestres.

Les éruptions volcaniques à la fin des années 1700 et au début des années 1800 se démarquent nettement dans les enregistrements terrestres. L’éruption du Mont Tambora en Indonésie en 1815 peut avoir refroidi les températures terrestres d’un énorme 1,5C, bien que les enregistrements de l’époque étaient limités à certaines parties de l’hémisphère nord et qu’il soit donc difficile de tirer une conclusion ferme sur les impacts mondiaux. En général, les volcans semblent refroidir les températures terrestres de près de deux fois plus que les températures mondiales.

Que peut-il se passer à l’avenir ?

Carbon Brief a utilisé le même modèle pour projeter les changements de température futurs associés à chaque facteur de forçage. La figure ci-dessous montre les observations jusqu’en 2017, ainsi que les futurs forçages radiatifs post-2017 du RCP6.0, un scénario de réchauffement futur moyen à élevé.

Températures moyennes globales de surface de la Terre de Berkeley (points noirs) et influence modélisée de différents forçages radiatifs (lignes colorées) pour la période de 1850 à 2100. Les forçages postérieurs à 2017 sont tirés du RCP6.0. Graphique par Carbon Brief en utilisant Highcharts.

Lorsqu’on lui fournit les forçages radiatifs pour le scénario RCP6.0, le modèle statistique simple montre un réchauffement d’environ 3C d’ici 2100, presque identique au réchauffement moyen que les modèles climatiques constatent.

Le forçage radiatif futur du CO2 devrait continuer à augmenter si les émissions augmentent. Les aérosols, en revanche, devraient culminer aux niveaux actuels et diminuer de manière significative d’ici 2100, en grande partie en raison des préoccupations liées à la qualité de l’air. Cette réduction des aérosols renforcera le réchauffement global, rapprochant le réchauffement total dû à tous les forçages radiatifs du réchauffement dû aux seuls gaz à effet de serre. Les scénarios RCP supposent qu’il n’y aura pas d’éruptions volcaniques spécifiques à l’avenir, car on ne peut pas en connaître le moment, tandis que la production solaire poursuit son cycle de 11 ans.

Cette approche peut également être appliquée aux températures terrestres, comme le montre la figure ci-dessous. Ici, les températures terrestres sont indiquées entre 1750 et 2100, avec les forçages post-2017 également issus du RCP6.0.

Températures moyennes de surface terrestre de Berkeley Earth (points noirs) et influence modélisée de différents forçages radiatifs (lignes colorées) pour la période de 1750 à 2100. Les forçages postérieurs à 2017 proviennent du RCP6.0. Graphique réalisé par Carbon Brief à l’aide de Highcharts.

Les terres devraient se réchauffer environ 30 % plus vite que le globe dans son ensemble, car le taux de réchauffement au-dessus des océans est tamponné par l’absorption de chaleur par les océans. Cela se voit dans les résultats du modèle, où les terres se réchauffent d’environ 4C d’ici 2100, contre 3C à l’échelle mondiale dans le scénario RCP6.0.

Il existe un large éventail de réchauffement futur possible à partir de différents scénarios RCP et de différentes valeurs pour la sensibilité du système climatique, mais tous montrent un schéma similaire de diminution des émissions futures d’aérosols et un rôle plus important pour le forçage des gaz à effet de serre dans les températures futures.

Le rôle de la variabilité naturelle

Alors que les forçages naturels solaires et volcaniques ne semblent pas jouer un grand rôle dans le réchauffement à long terme, il existe également une variabilité naturelle associée aux cycles océaniques et aux variations de l’absorption de chaleur par l’océan.

Comme la grande majorité de l’énergie piégée par les gaz à effet de serre est absorbée par les océans plutôt que par l’atmosphère, les changements dans le taux d’absorption de chaleur par l’océan peuvent potentiellement avoir de grands impacts sur la température de surface. Certains chercheurs ont fait valoir que les cycles multidécennaux, tels que l’oscillation multidécennale de l’Atlantique (AMO) et l’oscillation décennale du Pacifique (PDO), peuvent jouer un rôle dans le réchauffement à l’échelle décennale.

Bien que les facteurs humains expliquent tout le réchauffement à long terme, il y a certaines périodes spécifiques qui semblent s’être réchauffées ou refroidies plus rapidement que ce qui peut être expliqué sur la base de nos meilleures estimations du forçage radiatif. Par exemple, le décalage modeste entre l’estimation basée sur le forçage radiatif et les observations au milieu des années 1900 pourrait être la preuve d’un rôle de la variabilité naturelle pendant cette période.

Un certain nombre de chercheurs ont examiné le potentiel de la variabilité naturelle à avoir un impact sur les tendances de réchauffement à long terme. Ils ont constaté qu’elle joue généralement un rôle limité. Par exemple, le Dr Markus Huber et le Dr Reto Knutti de l’Institut des sciences atmosphériques et climatiques (IAC) de Zurich ont trouvé une contribution maximale possible de la variabilité naturelle d’environ 26% (+/- 12%) au cours des 100 dernières années et de 18% (+/- 9%) au cours des 50 dernières années.

Knutti déclare à Carbon Brief:

« Nous ne pouvons jamais complètement exclure que la variabilité naturelle soit plus importante que ce que nous pensons actuellement. Mais c’est un argument faible : vous ne pouvez, bien sûr, jamais exclure l’inconnu inconnu. La question est de savoir s’il y a des preuves fortes, ou même des preuves quelconques, pour cela. Et la réponse est non, à mon avis.

Les modèles obtiennent la variabilité de la température à court terme à peu près correctement. Dans de nombreux cas, ils en ont même trop. Et pour le long terme, on ne peut pas être sûr parce que les observations sont limitées. Mais la réponse forcée explique assez bien les observations, donc il n’y a pas de preuve au 20ème siècle que nous manquons quelque chose…

Même si les modèles s’avéraient sous-estimer la variabilité interne par un facteur de trois, il est extrêmement improbable que la variabilité interne puisse produire une tendance aussi importante que celle observée. »

De même, le Dr Martin Stolpe et ses collègues, également à l’IAC, ont récemment analysé le rôle de la variabilité naturelle multidécennale dans les océans Atlantique et Pacifique. Ils ont constaté que « moins de 10% du réchauffement global observé au cours de la seconde moitié du 20ème siècle est causé par la variabilité interne dans ces deux bassins océaniques, renforçant l’attribution de la plupart du réchauffement observé aux forçages anthropiques ».

La variabilité interne est susceptible de jouer un rôle beaucoup plus important dans les températures régionales. Par exemple, en produisant des périodes exceptionnellement chaudes dans l’Arctique et aux États-Unis dans les années 1930. Cependant, son rôle dans l’influence des changements à long terme des températures de surface mondiales semble être limité.

Conclusion

Bien qu’il y ait des facteurs naturels qui affectent le climat de la Terre, l’influence combinée des volcans et des changements dans l’activité solaire aurait entraîné un refroidissement plutôt qu’un réchauffement au cours des 50 dernières années.

Le réchauffement global observé au cours des 150 dernières années correspond presque parfaitement à ce qui est attendu des émissions de gaz à effet de serre et d’autres activités humaines, à la fois dans le modèle simple examiné ici et dans des modèles climatiques plus complexes. La meilleure estimation de la contribution humaine au réchauffement moderne est d’environ 100 %.

Une certaine incertitude demeure en raison du rôle de la variabilité naturelle, mais les chercheurs suggèrent que les fluctuations océaniques et les facteurs similaires ne sont probablement pas à l’origine de plus d’une petite fraction du réchauffement climatique moderne.

Méthodologie

Le modèle statistique simple utilisé dans cet article est adapté de l’indice de réchauffement global publié par Haustein et al (2017). À son tour, il est basé sur le modèle d’Otto et al (2015).

Le modèle estime les contributions au changement climatique observé et supprime l’impact des fluctuations naturelles d’une année sur l’autre par une régression linéaire multiple des températures observées et des réponses estimées aux forçages totaux d’origine humaine et aux forçages totaux naturels du changement climatique. Les réponses au forçage sont fournies par le modèle climatique simple standard donné au chapitre 8 du GIEC (2013), mais la taille de ces réponses est estimée par l’ajustement aux observations. Les forçages sont basés sur les valeurs du GIEC (2013) et ont été mis à jour jusqu’en 2017 à l’aide des données de la NOAA et d’ECLIPSE. 200 variations de ces forçages ont été fournies par le Dr. Piers Forster de l’Université de Leeds, reflétant l’incertitude des estimations de forçage. Une feuille de calcul Excel contenant leur modèle est également fournie.

Le modèle a été adapté en calculant les réponses de forçage pour chacun des différents forçages climatiques majeurs plutôt que simplement le total des forçages humains et naturels, en utilisant l’enregistrement de Berkeley Earth pour les observations. Le temps de décroissance de la réponse thermique utilisé pour convertir les forçages en réponses de forçage a été ajusté à un an plutôt qu’à quatre ans pour les forçages volcaniques afin de mieux refléter le temps de réponse rapide présent dans les observations. Les effets des événements El Niño et La Niña (ENSO) ont été retirés des observations en utilisant une approche adaptée de Foster et Rahmstorf (2011) et l’indice Kaplan El Niño 3,4 lors du calcul de la réponse thermique volcanique, car le chevauchement entre les volcans et ENSO complique autrement les estimations empiriques.

La réponse thermique pour chaque forçage individuel a été calculée en mettant à l’échelle leurs réponses de forçage par les coefficients humains ou naturels totaux du modèle de régression. Le modèle de régression a également été exécuté séparément pour les températures terrestres. Les réponses de température pour chaque forçage entre 2018 et 2100 ont été estimées en utilisant les données de forçage du RCP6.0, normalisées pour correspondre à l’ampleur des forçages observés à la fin de 2017.

Les incertitudes dans la réponse de température humaine totale et naturelle totale ont été estimées à l’aide d’une analyse de Monte Carlo de 200 séries de forçages différents, ainsi que les incertitudes dans les coefficients de régression estimés. Le code Python utilisé pour exécuter le modèle est archivé sur GitHub et disponible en téléchargement.

Les données d’observation de 2017 présentées dans les figures sont basées sur la moyenne des 10 premiers mois de l’année et sont susceptibles d’être assez similaires à la valeur annuelle ultime.

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