Planète

Le refroidissement de l’océan était dû... à une erreur instrumentale

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En 2006 paraissait un article qui montrait que depuis 2003 et contrairement à toute attente, l'océan mondial se refroidissait à un rythme soutenu. Cette conclusion était en contradiction flagrante avec l'idée que le réchauffement actuel est, au moins en partie, dû à une augmentation des gaz à effet de serre. Elle contredisait aussi d'autres observations (hausse du niveau de la mer, mesures satellitaires d'un déséquilibre positif du radiatif...). L'explication est aujourd'hui comprise : il s'agissait d'erreurs de calibration... L'histoire vaut la peine d'être racontée.

Une balise Argo en surface, prête à transmettre ses données aux satellites. © 2004 Sabrina Speich/Argo Information Centre

L'affaire est exemplaire non seulement parce qu'elle a fait l'objet d'une vive polémique copieusement amplifiée dans la blogosphère mais aussi et surtout parce qu'elle illustre à merveille l'approche scientifique. Voyons cela en détail.

Le système climatique comporte quatre éléments principaux qui sont en fait eux-mêmes des sous-systèmes : l'atmosphère, l'océan, la cryosphère (c'est-à-dire la glace) et la biosphère. L'interaction de ces sous-systèmes est la cause d'un certain nombre d'oscillations propres du climat (El Niño en est un exemple). Les contraintes externes exercées sur ce système global sont responsables des variations climatiques.

L'augmentation de la concentration en gaz à effet de serre (GES) diminue l'énergie perdue par la Terre, elle tend donc à accumuler de la chaleur dans le système qui se réchauffe jusqu'à l'obtention d'un nouvel équilibre. La vitesse à laquelle cet équilibre est atteint dépend de la capacité calorifique des divers éléments. C'est, de loin, l'océan qui a la capacité la plus élevée et c'est lui qui stocke temporairement cet excédent de chaleur. La quantité de chaleur stockée dans l'océan devrait donc avoir augmenté au cours des deux derniers siècles.

Figure 1. (Cliquez pour agrandir.) Dans de précédentes études, Josh Willis et ses collègues avaient conclu que les océans ont gagné de la chaleur entre 1993 et 2003 (figure de haut). Mais une étude ultérieure portant sur les années 2003 à 2005 a montré une diminution de température jusqu’à 5 fois rapide que le réchauffement de la décennie précédente (voir les explications dans le texte). Les régions chaudes sont en rouge, les régions froides en bleu. Notez que les échelles sont différentes (de -12 à + 12 W/m2 de 1993 à 2003 et de -60 à +60 W/m2 pour les années 2003-2005. © Nasa

Mesurer cette quantité est évidemment extrêmement difficile. Les océans sont vastes et profonds et les mesures y sont rares. La seule détemination de la température de surface ne suffisant pas, il faut disposer de sondes capables d'enregistrer le profil de température en profondeur. A partir des années 1960, on a disposé d'un réseau de mesures de sondes bathythermographiques (XBT). Lestée et équipée d'une thermistance, la sonde XBT est jetée depuis le navire auquel elle est reliée par un fil de cuivre qui retransmet les informations. Elles s'enfonce à vitesse constante jusqu'à rupture du fil de cuivre. L'échantillonnage des XBT est donc totalement dépendant des trajets des navires.

Des informations de sources très différentes

Cet inconvénient a été dépassé dans les années 1990 grâce au réseau de sondes Argo. Autonomes, elles plongent d'abord en profondeur jusque vers 2.000 m puis remontent en mesurant régulièrement la température et la salinité. Revenues en surface, elles retransmettent les informations vers un satellite relais. L'échantillonnage effectué est donc très différent de celui des sondes XBT.

Pour mesurer la variation du contenu en chaleur de l'océan, il faut ainsi homogénéiser et intégrer des mesures éparses dans l'espace et dans le temps. La procédure est délicate mais elle est connue puisque c'est ainsi qu'on opère en météo.

Figure 2. Originellement, la température en profondeur diminuait de plus de 1,5°C dans l’Atlantique entre 2004 et 2006. Ce refroidissement était le résultat d’erreurs de calibration des sondes XBT et Argo. Une fois les données corrigées, le refroidissement disparaît. Il reste des variations importantes de température qui, cette fois, sont liées à des déplacements des courants océaniques. © Nasa

En 2000, Levitus et ses collègues publient dans Science un article dans lequel ils estiment qu'entre 1958 et 1998, l'océan a en effet accumulé la bagatelle d'environ 2.1023 joules, soit environ 0,3 W/m2 pendant 40 ans. Ce résultat est confirmé en 2004 par Willis et ses collègues. En estimant les différents forçages auxquels le système climatique est soumis, Hansen et al. (2005) montrent que leur modèle climatique (celui du Godard Institute for Space Sciences à New York) prédit un déséquilibre radiatif un peu inférieur à 1 W/m2 pour la fin des années 1990 et un réchauffement de l'océan en assez bon accord avec ces résultats.

Par ailleurs, et depuis les années 1980 et l'expérience Erbe, on mesure directement le bilan radiatif de la planète depuis l'espace. Ce n'est pas une mince affaire non plus mais en épluchant soigneusement l'ensemble des mesures disponibles depuis cette date, Wong et al., de la Nasa, ont trouvé que la planète présentait un déséquilibre positif de l'ordre de 1,4 W/m2.

Tout cela semblait donc assez cohérent...

Mais, patatras, en examinant les dernières données, Willis et ses collègues (Lyman et al., 2006) ont trouvé que l'océan ne se réchauffait plus mais qu'au contraire il semblait se refroidir (figure 1). C'est tout l'Atlantique qui avait pris un sérieux coup de froid. Cette nouvelle a fait grand bruit dans les milieux spécialisés mais le bruit a été encore plus grand parmi les dénigreurs du réchauffement global. C'était à leurs yeux la preuve qu'il n'y avait pas de réchauffement du tout et que les experts n'y connaissaient rien. Pourtant, Willis avait pris soin de souligner un peu partout que le refroidissement qu'il observait ne remettait pas en cause le réchauffement global. Mais rien n'y a fait.

Figure 3. Evolution du contenu thermique des océans. L’échelle est relative. La correction des données XBT (revised data) donne une augmentation plus régulière en assez bon accord avec les modèles. La variabilité à court terme restante est probablement due à des causes naturelles telle que El Niño par exemple. © Nasa

Des erreurs révélées grâce aux mesures de satellites

Willis a donc fait ce que font tous les scientifiques en pareil cas : il est retourné éplucher les données dont il disposait. Or le niveau des océans en permet un contrôle indirect. En effet, si l'océan se réchauffe, il se dilate et le niveau de la mer monte et inversement s'il se refroidit. On dispose depuis une quinzaine d'années de mesures fines du niveau des océans grâce aux radars altimétriques des satellites Topex Poseidon puis Jason I et II, construits en collaboration entre le Cnes et la Nasa. C'est ainsi que Willis a identifié un lot de bouées Argo qui présentait une erreur systématique et une tendance à fournir des températures trop basses. L'histoire ne s'arrête pas là. Un mois plus tôt, un article (Gouretski et Koltermann 2007) soulignait un autre biais mais un biais chaud. Cette fois, les coupables étaient les sondes XBT.

Les erreurs systématiques présentent un avantage : on peut les corriger. C'est ce qu'a fait Willis, en collaboration avec des chercheurs du CSIRO à Melbourne (figure 2). Une fois cela fait, l'essentiel du « refroidissement  » a disparu (Domingues et al., 2008).

Une autre conséquence est que les fluctuations décennales du contenu thermique de l'océan qui étaient difficilement explicables ont été considérablement réduites. C'est le cas, en particulier d'une bosse aux environs des années 1980 qui gênait beaucoup Lévitus (figure 3).

Mais ce n'est pas tout. Grâce aux marégraphes puis aux données altimétriques, on a pu suivre l'évolution du niveau de la mer depuis les années 1960 (figure 4). La hausse observée est de 1,8 mm par an en moyenne avec une accélération à 3 mm par an ces dernières années. La hausse est due à plusieurs facteurs dont les plus importants sont la fonte des masses glaciaires et la dilatation des océans. Avec un océan qui se refroidissait, il était impossible de reconstituer la hausse observée. La correction des données XBT a permis d'obtenir enfin un accord acceptable entre observations et reconstitution.

Figure 4. Avec la correction des données XBT, la dilatation des océans (expansion thermique) est plus importante qu’estimée auparavant. Les effets combinés de la dilatation, de la fonte des masses glaciaires et du stockage continental donnent une évolution du niveau de la mer (courbe bleue) compatible avec les mesures des marégraphes (courbe rouge) et les mesures satellitaires (courbe noire)… au moins jusqu’à la fin des années 1990. © Nasa

Le problème n'est pas complètement réglé puisque les toutes dernières années (2003 - 2005) laissent encore apparaître un refroidissement bien que beaucoup plus faible. Celui-ci peut parfaitement être réel et dû à un changement de la circulation océanique ou à une augmentation du flux net infrarouge à la surface. Il faudrait, bien entendu, les expliquer et les confirmer. Ces questions sont ouvertes mais là encore, il faudra creuser les données et s'assurer de la cohérence de l'ensemble des observations disponibles.

On peut tirer de cette affaire quelques conclusions :

- Les océans se sont réchauffés au cours des dernières décennies et ils l'ont fait à une vitesse compatible avec les prévisions des modèles. Il n'y a pas de surprise.

- Ce qui importe n'est pas tant que la précision des mesures soit aussi élevée que possible mais que la cohérence soit maximale entre les observations les plus variées, mais aussi avec la théorie et la modélisation. Cela implique nécessairement que l'on boucle constamment entre ces trois éléments. C'est le plus sûr moyen d'améliorer la qualité de chacun des maillons de la boucle.

- Avant de prendre les conclusions d'un article scientifique pour parole d'évangile, il faut lui laisser passer l'épreuve du temps et de la critique...

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