Dans Silent Spring, Rachel Carson considère le sagebrush occidental. «Car ici, le paysage naturel est éloquent de l’interaction des forces qui l’ont créé», écrit-elle. «Il se répand devant nous comme les pages d'un livre ouvert dans lequel nous pouvons savoir pourquoi la terre est ce qu'elle est et pourquoi nous devrions préserver son intégrité. Mais les pages ne sont pas lues. »Elle déplore la disparition d'un paysage menacé, mais elle pourrait tout aussi bien parler de marqueurs du paléoclimat.
Pour savoir où vous allez, vous devez savoir où vous êtes allé. Cela est particulièrement vrai pour les climatologues qui doivent comprendre toute la gamme des changements survenus sur la planète pour tracer la voie de notre avenir. Mais sans machine à remonter le temps, comment obtiennent-ils ce type de données?
Comme Carson, ils doivent lire les pages de la Terre. Heureusement, la Terre a tenu des journaux intimes. Tout ce qui pose des couches chaque année - coraux d'océan, stalagmites de grottes, arbres vivaces, minuscules créatures marines décortiquées - enregistre fidèlement les conditions du passé. Pour aller plus loin, les scientifiques draguent des carottes de sédiments et de glace du fond de l'océan et des pôles glacés, qui écrivent leurs propres mémoires sous forme de poussées de cendres et de poussières et de bulles de gaz longtemps piégés.
Dans un sens, nous avons donc des machines du temps: chacune de ces approximations raconte une histoire légèrement différente, que les scientifiques peuvent associer pour former une compréhension plus complète du passé de la Terre.
En mars, le Musée national d'histoire naturelle de la Smithsonian Institution a organisé un symposium de trois jours sur l'histoire de la température de la Terre, qui a réuni enseignants, journalistes, chercheurs et le public afin de mieux comprendre le paléoclimat. Au cours d'une conférence du soir, Gavin Schmidt, modélisateur du climat et directeur de l'Institut Goddard pour les études spatiales de la NASA, et Richard Alley, géologue de renommée mondiale de la Pennsylvania State University, ont expliqué comment les scientifiques utilisent les climats passés de la Terre pour améliorer leurs modèles climatiques. notre futur.
Voici votre guide sur le passé climatique de la Terre - pas seulement ce que nous savons, mais comment nous le savons.
Comment examinons-nous le climat passé de la Terre?
Il faut un peu de créativité pour reconstruire les incarnations passées de la Terre. Heureusement, les scientifiques connaissent les principaux facteurs naturels qui déterminent le climat. Ils comprennent les éruptions volcaniques dont les cendres bloquent le soleil, les changements d'orbite terrestre qui déplacent la lumière du soleil sous différentes latitudes, la circulation des océans et de la glace de mer, la disposition des continents, la taille du trou dans la couche d'ozone, les explosions des rayons cosmiques et la déforestation. Les plus importants sont les gaz à effet de serre qui retiennent la chaleur du soleil, en particulier le dioxyde de carbone et le méthane.
Comme le notait Carson, la Terre enregistre ces changements dans ses paysages: couches géologiques, arbres fossiles, coquilles fossiles, même du pipi de rat cristallisé - en gros tout ce qui est vraiment vieux et qui est préservé. Les scientifiques peuvent ouvrir ces pages de journal et leur demander ce qui se passait à ce moment-là. Les cernes d’arbre sont des enregistreurs particulièrement assidus, enregistrant les précipitations dans leurs cernes annuels; Les carottes de glace peuvent conserver des comptes rendus détaillés des conditions saisonnières remontant à près d'un million d'années.
Les carottes de glace révèlent des couches annuelles de neige, de cendres volcaniques et même de vestiges de civilisations anciennes. (Goddard / Ludovic Brucker de la NASA) Que peut encore dire une carotte de glace?
«Wow, il y a tellement de choses», dit Alley, qui a passé cinq saisons à creuser la glace sur la calotte glaciaire du Groenland. Pensez à ce qu’est réellement un noyau de glace: une section de couches de neige qui remonte à des millénaires.
Lorsque la neige recouvre le sol, elle contient de petits espaces d'air remplis de gaz atmosphériques. Aux pôles, les couches les plus anciennes sont enfouies et comprimées dans la glace, transformant ces espaces en bulles d'air du passé, comme l'écrivent les chercheurs Caitlin Keating-Bitonti et Lucy Chang dans Smithsonian.com. Les scientifiques utilisent la composition chimique de la glace elle-même (le rapport entre les isotopes lourd et léger de l'oxygène dans H2O) pour estimer la température. Au Groenland et en Antarctique, des scientifiques comme Alley extraient des carottes de glace d'une longueur inconcevable, certaines de plus de trois kilomètres!
Les carottes de glace nous disent combien de neige est tombée pendant une année donnée. Mais ils révèlent également de la poussière, du sel marin, des cendres provenant d'explosions volcaniques lointaines, voire de la pollution laissée par la plomberie romaine. «Si c'est dans l'air, c'est dans la glace», dit Alley. Dans le meilleur des cas, nous pouvons dater les carottes de glace à leur saison et à leur année exactes, en comptant leurs couches annuelles comme des cernes. Et les carottes de glace préservent ces détails exquis datant de centaines de milliers d'années, ce qui en fait ce que Alley appelle «l'étalon-or» des mandataires du paléoclimat.
Attendez, mais l'histoire de la Terre n'est-elle pas beaucoup plus longue que cela?
Oui c'est vrai. Les scientifiques du paléoclimat doivent remonter des millions d'années en arrière - et pour cela, nous avons besoin d'éléments plus anciens que les carottes de glace. Heureusement, la vie a une longue histoire. Les archives fossiles de la vie complexe remontent à environ 600 millions d'années. Cela signifie que nous disposons de données approximatives sur les changements de climat remontant à peu près aussi loin. L'un des plus importants est celui des conodontes - des créatures éteintes ressemblant à des anguilles - qui remontent à 520 millions d'années.
Mais certains des indicateurs les plus courants du climat à cette époque sont encore plus infimes. Les foraminifères (connus sous le nom de «forams») et les diatomées sont des êtres unicellulaires qui ont tendance à vivre sur le fond de l'océan et ne sont souvent pas plus grands que la période à la fin de cette phrase. Parce qu'ils sont dispersés un peu partout sur la Terre et qu'ils existent depuis le Jurassique, ils ont laissé aux scientifiques un solide record de fossiles leur permettant de sonder les températures passé. En utilisant des isotopes d'oxygène dans leurs coquilles, nous pouvons reconstruire les températures des océans remontant à plus de 100 millions d'années.
«Chaque bord de pointe, chaque plage courbe, chaque grain de sable contient une histoire de la terre», a écrit Carson. Il se trouve que ces histoires se cachent également dans les eaux qui ont créé ces plages et dans des créatures plus petites qu'un grain de sable.
Foraminifères. (Ernst Haeckel) Quelle certitude avons-nous pour le passé profond?
Pour les scientifiques paléoclimatiques, la vie est cruciale: si vous avez des indicateurs de la vie sur Terre, vous pouvez interpréter la température en fonction de la distribution des organismes.
Mais quand nous sommes revenus si loin qu'il n'y a plus de dents de conodontes, nous avons perdu notre indicateur principal. Dans le passé, nous devons compter sur la répartition des sédiments et sur les marqueurs des glaciers du passé, que nous pouvons extrapoler pour indiquer grossièrement les régimes climatiques. Donc, plus nous reculons, moins nous avons de mandataires et plus notre compréhension devient granulaire. «Cela devient de plus en plus brumeux», déclare Brian Huber, un paléobiologiste du Smithsonian qui a aidé à organiser le symposium avec le confrère scientifique et chercheur en paléobiologie, Scott Wing.
Comment le paléoclimat nous montre-t-il l'importance des gaz à effet de serre?
Les gaz à effet de serre, comme leur nom l'indique, agissent en retenant la chaleur. Essentiellement, ils finissent par former une couverture isolante pour la Terre. (Vous pouvez en apprendre davantage sur la chimie de base ici.) Si vous regardez un graphique des âges de glace passés, vous pouvez voir que les niveaux de CO2 et les âges de glace (ou la température globale) s'alignent. Plus de CO2 équivaut à des températures plus chaudes et à moins de glace, et inversement. «Et nous connaissons le sens de la causalité ici», note Alley. «C’est principalement du CO2 à (moins) de glace. Pas l'inverse. "
Nous pouvons également nous pencher sur des instantanés spécifiques à temps pour voir comment la Terre réagit aux pics de CO2 passés. Par exemple, lors d'une période de réchauffement extrême durant l'ère cénozoïque de la Terre, il y a environ 55, 9 millions d'années, une quantité de carbone libérée suffisante pour générer environ le double de la quantité de CO2 dans l'atmosphère. La chaleur qui en a résulté a semé le chaos, provoquant des migrations et des extinctions massives. à peu près tout ce qui a vécu a déménagé ou s'est éteint. Les plantes fanées. Océans acidifiés et chauffés à la température des baignoires.
Malheureusement, cela pourrait être un signe avant-coureur de notre avenir. "C'est ce qui fait peur aux modélisateurs du climat", déclare Huber. «Au rythme où nous en sommes, nous sommes en train de remonter un peu en arrière vers ces périodes de chaleur extrême.» C'est pourquoi comprendre le rôle du dioxyde de carbone dans les changements climatiques passés nous aide à prévoir les changements climatiques à venir.
Cela semble assez mauvais.
Oui.
Je suis vraiment impressionné par la quantité de données paléoclimatiques dont nous disposons. Mais comment fonctionne un modèle climatique?
Bonne question! En science, vous ne pouvez créer un modèle que si vous comprenez les principes de base du système. Donc, le simple fait de pouvoir créer de bons modèles signifie que nous comprenons comment tout cela fonctionne. Un modèle est essentiellement une version simplifiée de la réalité, basée sur ce que nous savons des lois de la physique et de la chimie. Les ingénieurs utilisent des modèles mathématiques pour construire des structures sur lesquelles des millions de personnes comptent, des avions aux ponts.
Nos modèles sont basés sur un cadre de données, dont une grande partie provient des indicateurs indirects de paléoclimat recueillis par les scientifiques des quatre coins du monde. C'est pourquoi il est si important que les données et les modèles dialoguent entre eux. Les scientifiques testent leurs prévisions sur des données d’un passé lointain et tentent de corriger les divergences éventuelles. «Nous pouvons remonter dans le temps et évaluer et valider les résultats de ces modèles afin de faire de meilleures prédictions pour ce qui va se passer dans le futur», déclare Schmidt.
Voici un modèle:
C'est joli. J'entends dire que les modèles ne sont pas très précis, cependant.
De par leur nature, les modèles ont toujours tort. Considérez-les comme une approximation, notre meilleure hypothèse.
Mais posez-vous la question suivante: ces suppositions nous donnent-elles plus d'informations que nous n'en avions auparavant? Fournissent-ils des prévisions utiles que nous n'aurions pas autrement? Est-ce qu'ils nous permettent de poser de nouvelles et meilleures questions? «En réunissant tous ces éléments, nous aboutissons à quelque chose qui ressemble beaucoup à la planète», déclare Schmidt. «Nous savons que c'est incomplet. Nous savons qu'il y a des choses que nous n'avons pas incluses, nous savons que nous avons inséré des choses qui sont un peu fausses. Mais les modèles de base que nous voyons dans ces modèles sont reconnaissables… comme les modèles que nous voyons dans les satellites tout le temps. "
Donc, nous devrions leur faire confiance pour prédire l'avenir?
Les modèles reproduisent fidèlement les modèles observés dans le passé, le présent et, dans certains cas, le futur de la Terre. Nous en sommes maintenant au stade où nous pouvons comparer les premiers modèles climatiques - ceux de la fin des années 1980 et des années 1990 sur lesquels l'équipe de Schmidt à la NASA a travaillé - à la réalité. «Quand j'étais étudiant, les premiers modèles nous ont dit à quel point il ferait chaud, dit Alley. «Cela se passe. Les modèles sont à la fois prédictifs et explicatifs: ils fonctionnent. »Selon votre position, cela pourrait vous faire dire« Oh, bonjour! Nous avions raison! »Ou« Oh non! Nous avions raison.
Pour vérifier l'exactitude des modèles, les chercheurs reviennent directement aux données paléoclimatiques recueillies par Alley et d'autres. Ils utilisent des modèles dans un passé lointain et les comparent aux données dont ils disposent.
«Si nous pouvons reproduire des climats anciens où nous savons ce qui s'est passé, cela nous indique que ces modèles sont un très bon outil pour savoir ce qui va se passer dans le futur», déclare Linda Ivany, scientifique en paléoclimat à l'Université de Syracuse. Les mandataires de recherche d'Ivany sont d'anciennes palourdes, dont les coquilles enregistrent non seulement les conditions annuelles, mais aussi les hivers et les étés de 300 millions d'années, ce qui en fait un moyen précieux de vérification des modèles. «Plus les modèles réussiront à récupérer le passé», dit-elle, «mieux ils seront capables de prédire l'avenir.
Le paléoclimat nous montre que le climat de la Terre a radicalement changé. Cela ne signifie-t-il pas que, dans un sens relatif, les changements d'aujourd'hui ne sont pas un gros problème?
Lorsque Richard Alley tente d’expliquer la gravité des changements climatiques d’origine humaine, il invoque souvent un phénomène annuel particulier: les incendies de forêt qui flambent chaque année dans les collines de Los Angeles. Ces incendies sont prévisibles, cycliques, naturels. Mais il serait fou de dire que, puisque les incendies sont la norme, il est bien de laisser les incendiaires faire de même. De même, le fait que le climat ait changé depuis des millions d'années ne signifie pas que les gaz à effet de serre d'origine humaine ne constituent pas une menace mondiale grave.
"Notre civilisation est fondée sur un climat et un niveau de la mer stables", explique Wing, "et tout ce que nous savons du passé dit que, lorsque vous mettez beaucoup de carbone dans l'atmosphère, le climat et le niveau de la mer changent radicalement."
Depuis la révolution industrielle, les activités humaines ont contribué à réchauffer le globe de 2 degrés F, un quart de ce que Schmidt considère comme une «unité de la période glaciaire» - le changement de température que la Terre subit entre une période glaciaire et une autre époque. Les modèles actuels prévoient un réchauffement supplémentaire de 2 à 6 degrés Celsius d'ici 2100, soit au moins 20 fois plus rapide que les épisodes de réchauffement des 2 derniers millions d'années.
Bien sûr, il y a des incertitudes: «Nous pourrions avoir un débat pour savoir si nous sommes un peu trop optimistes ou non», dit Alley. "Mais pas beaucoup de débat sur le fait de savoir si nous sommes trop effrayants ou non." Etant donné à quel point nous avions raison, nous devrions ignorer l'histoire à nos risques et périls.
