Il est de plus en plus clair que les conditions de sécheresse prolongée, la chaleur record, les incendies de forêt soutenus et les tempêtes fréquentes et plus extrêmes subies ces dernières années sont le résultat direct de la hausse des températures mondiales provoquée par l’ajout de dioxyde de carbone par l’homme dans l’atmosphère. Et une nouvelle étude du MIT sur les événements climatiques extrêmes dans l’histoire ancienne de la Terre suggère que la planète d’aujourd’hui pourrait devenir plus volatile à mesure qu’elle continue de se réchauffer.
L’étude, parue aujourd’hui dans Avancées scientifiques, examine le dossier paléoclimatique des 66 derniers millions d’années, au cours de l’ère cénozoïque, qui a commencé peu après l’extinction des dinosaures. Les scientifiques ont découvert qu’au cours de cette période, les fluctuations du climat de la Terre ont connu un « biais de réchauffement » surprenant. En d’autres termes, il y a eu beaucoup plus d’événements de réchauffement – des périodes de réchauffement global prolongé, durant des milliers à des dizaines de milliers d’années – que d’événements de refroidissement. De plus, les événements de réchauffement avaient tendance à être plus extrêmes, avec des changements de température plus importants, que les événements de refroidissement.
Les chercheurs disent qu’une explication possible de ce biais de réchauffement peut résider dans un « effet multiplicateur », selon lequel un degré modeste de réchauffement – par exemple des volcans libérant du dioxyde de carbone dans l’atmosphère – accélère naturellement certains processus biologiques et chimiques qui améliorent ces fluctuations, conduisant, en moyenne, à encore plus de réchauffement.
Fait intéressant, l’équipe a observé que ce biais de réchauffement avait disparu il y a environ 5 millions d’années, à peu près au moment où les calottes glaciaires ont commencé à se former dans l’hémisphère nord. On ne sait pas quel effet la glace a eu sur la réponse de la Terre aux changements climatiques. Mais alors que la glace arctique actuelle recule, la nouvelle étude suggère qu’un effet multiplicateur pourrait revenir, et le résultat pourrait être une nouvelle amplification du réchauffement climatique induit par l’homme.
« Les calottes glaciaires de l’hémisphère Nord se rétrécissent et pourraient potentiellement disparaître en tant que conséquence à long terme des actions humaines », déclare l’auteur principal de l’étude, Constantin Arnscheidt, un étudiant diplômé du département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes du MIT. « Nos recherches suggèrent que cela peut rendre le climat de la Terre fondamentalement plus sensible aux événements de réchauffement planétaire extrêmes et à long terme tels que ceux observés dans le passé géologique. »
Le co-auteur de l’étude d’Arnscheidt est Daniel Rothman, professeur de géophysique au MIT, et co-fondateur et co-directeur du Lorenz Center du MIT.
Une poussée volatile
Pour leur analyse, l’équipe a consulté de grandes bases de données de sédiments contenant des foraminifères benthiques d’eau profonde – des organismes unicellulaires qui existent depuis des centaines de millions d’années et dont les coquilles dures sont préservées dans les sédiments. La composition de ces coquilles est affectée par les températures de l’océan à mesure que les organismes se développent ; les coquilles sont donc considérées comme un indicateur fiable des anciennes températures de la Terre.
Pendant des décennies, les scientifiques ont analysé la composition de ces coquillages, collectés dans le monde entier et datés à différentes périodes, pour suivre la fluctuation de la température de la Terre au cours de millions d’années.
« Lors de l’utilisation de ces données pour étudier des événements climatiques extrêmes, la plupart des études se sont concentrées sur des pics de température individuels importants, généralement de quelques degrés Celsius de réchauffement », explique Arnscheidt. « Au lieu de cela, nous avons essayé d’examiner les statistiques globales et de considérer toutes les fluctuations impliquées, plutôt que de choisir les plus importantes. »
L’équipe a d’abord effectué une analyse statistique des données et a observé qu’au cours des 66 derniers millions d’années, la distribution des fluctuations de la température mondiale ne ressemblait pas à une courbe en cloche standard, avec des queues symétriques représentant une probabilité égale de chaleur extrême et de froid extrême. fluctuation. Au lieu de cela, la courbe était sensiblement déséquilibrée, biaisée vers des événements plus chauds que froids. La courbe présentait également une queue sensiblement plus longue, représentant des événements chauds plus extrêmes, ou de température plus élevée, que les événements froids les plus extrêmes.
« Cela indique qu’il y a une sorte d’amplification par rapport à ce à quoi vous vous attendriez autrement », explique Arnscheidt. « Tout indique quelque chose de fondamental qui est à l’origine de cette poussée, ou de ce biais envers les événements de réchauffement. »
« Il est juste de dire que le système terrestre devient plus volatil, dans un sens de réchauffement », ajoute Rothman.
Un multiplicateur de réchauffement
L’équipe s’est demandé si ce biais de réchauffement pouvait être le résultat d’un « bruit multiplicatif » dans le cycle climat-carbone. Les scientifiques ont compris depuis longtemps que des températures plus élevées, jusqu’à un certain point, ont tendance à accélérer les processus biologiques et chimiques. Étant donné que le cycle du carbone, qui est un facteur clé des fluctuations climatiques à long terme, est lui-même composé de tels processus, les augmentations de température peuvent entraîner des fluctuations plus importantes, inclinant le système vers des événements de réchauffement extrêmes.
En mathématiques, il existe un ensemble d’équations qui décrivent de tels effets amplificateurs ou multiplicatifs généraux. Les chercheurs ont appliqué cette théorie multiplicative à leur analyse pour voir si les équations pouvaient prédire la distribution asymétrique, y compris le degré de son asymétrie et la longueur de ses queues.
En fin de compte, ils ont constaté que les données et le biais observé vers le réchauffement pouvaient s’expliquer par la théorie multiplicative. En d’autres termes, il est très probable qu’au cours des 66 derniers millions d’années, les périodes de réchauffement modeste aient été en moyenne encore renforcées par des effets multiplicateurs, tels que la réponse des processus biologiques et chimiques qui ont encore réchauffé la planète.
Dans le cadre de l’étude, les chercheurs ont également examiné la corrélation entre les événements de réchauffement passés et les changements de l’orbite terrestre. Pendant des centaines de milliers d’années, l’orbite de la Terre autour du soleil devient régulièrement plus ou moins elliptique. Mais les scientifiques se sont demandé pourquoi de nombreux événements de réchauffement passés semblaient coïncider avec ces changements, et pourquoi ces événements présentent un réchauffement démesuré par rapport à ce que le changement de l’orbite terrestre aurait pu provoquer par lui-même.
Ainsi, Arnscheidt et Rothman ont incorporé les changements orbitaux de la Terre dans le modèle multiplicatif et leur analyse des changements de température de la Terre, et ont découvert que les effets multiplicateurs pouvaient, de manière prévisible, amplifier, en moyenne, les modestes augmentations de température dues aux changements de l’orbite terrestre.
« Le climat se réchauffe et se refroidit en synchronisation avec les changements orbitaux, mais les cycles orbitaux eux-mêmes ne prédisent que des changements modestes du climat », explique Rothman. « Mais si nous considérons un modèle multiplicatif, alors un réchauffement modeste, associé à cet effet multiplicateur, peut entraîner des événements extrêmes qui ont tendance à se produire en même temps que ces changements orbitaux. »
« Les humains forcent le système d’une nouvelle manière », ajoute Arnscheidt. « Et cette étude montre que, lorsque nous augmentons la température, nous allons probablement interagir avec ces effets amplificateurs naturels. »
Cette recherche a été financée, en partie, par la School of Science du MIT.
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