Caractériser les éléments de basculement et les seuils d’un changement climatique irréversible
Le système climatique terrestre est caractérisé par des interactions extrêmement complexes dans le temps et l’espace. Les scientifiques ont identifié plusieurs composants essentiels susceptibles de subir des transitions abruptes et irréversibles qui pourraient déclencher des réactions en chaîne dramatiques. Pour compliquer encore les choses, des transitions critiques dans l’un de ces «éléments de basculement» pourraient avoir des répercussions sur d’autres. Il est nécessaire de caractériser ces éléments de basculement et leurs interactions pour développer des modèles prédictifs, une étape fondamentale pour prévenir le changement climatique irréversible. Soutenu par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), le projet CriticalEarth(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) a formé 15 chercheurs en début de carrière pour relever ce défi. Les travaux ont porté sur la mise au point d’outils statistiques avancés, basés sur des reconstitutions paléoclimatiques et des observations récentes, afin d’aider les scientifiques à identifier les «signaux d’alerte précoce» de basculement.
Rétroaction positive incontrôlée
La plupart des systèmes dynamiques subissent à la fois des rétroactions positives et négatives. «Lorsque la rétroaction positive commence à dominer, il peut en résulter une amplification incontrôlable, qui fait qu’un “paramètre de contrôle” franchit un seuil critique entraînant un changement d’état brutal et irréversible» explique Peter Ditlevsen, coordinateur du projet CriticalEarth, de l’Institut Niels Bohr, université de Copenhague(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). Dans le cas des calottes glaciaires, plus leur hauteur diminue à mesure qu’elles fondent, plus l’atmosphère qui les recouvre se réchauffe (les températures sont plus élevées à basse altitude) et plus la glace fond. À partir d’un certain seuil critique de température atmosphérique, cette rétroaction positive incontrôlée ne peut être inversée. Parmi les autres événements de basculement potentiels, citons le changement irréversible des forêts tropicales en savanes et l’arrêt de la circulation méridienne de retournement de l’Atlantique (AMOC pour «Atlantic Meridional Overturning Circulation»), à l’origine du climat tempéré de l’Europe septentrionale.
États limites et signaux d’alerte précoce
La détermination des valeurs exactes des paramètres de basculement s’est avérée extrêmement difficile. «Nous avons appliqué des techniques mathématiques avancées pour déterminer les limites entre l’état actuel et l’état “basculé” alternatif dans les modèles climatiques multidimensionnels», explique Peter Ditlevsen. Les chercheurs ont caractérisé les états limites à ces limites, obtenant ainsi des informations pertinentes pour prédire les transitions futures. Ils ont utilisé de nouveaux outils statistiques open source pour détecter les signaux d’alerte précoce, des signatures statistiques dans les données de séries chronologiques indiquant que le système climatique approche d’un point de basculement critique.
Révélations sur les éléments de basculement de la Terre
«De nouvelles techniques d’apprentissage automatique et d’événements rares ont permis d’estimer efficacement les probabilités de transition dans des modèles climatiques à haute dimension, améliorant ainsi notre compréhension des changements brusques», explique Peter Ditlevsen. Dépassant les objectifs initiaux, CriticalEarth a extrapolé ses signaux d’alerte précoce vers l’avenir, révélant un effondrement de l’AMOC(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) au milieu du XXIe siècle. Cette prévision affinée, aux conséquences importantes à court terme pour le climat de l’Europe du Nord, a été relayée par plus de 2 500 médias à travers le monde. L’équipe a identifié des seuils clés, des bifurcations et une irréversibilité du basculement dans les modèles d’éléments de basculement et a découvert de nouveaux mécanismes de variabilité et de résistance au basculement. L’extension de la théorie de la bifurcation a révélé comment l’effondrement de l’AMOC affecterait les précipitations mondiales et comment le basculement couplé peut stabiliser ou déstabiliser des sous-systèmes climatiques clés soumis au bruit. Enfin, les outils de prédiction de la réponse climatique aux perturbations apportent un éclairage sur les facteurs qui favorisent ou inhibent le basculement et qui façonnent les statistiques de transition. CriticalEarth a fourni des outils de prédiction et des informations cruciales sur les transitions climatiques critiques. Tout aussi important, ce programme a formé un groupe de 15 jeunes scientifiques brillants pour poursuivre les travaux visant à améliorer notre système de détection des signaux d’alerte précoce, soutenant ainsi les efforts déployés pour prévenir les changements climatiques irréversibles et leurs effets sur les générations futures.
