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Histoire de la recherche sur le changement climatique

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L'histoire de la recherche sur le changement climatique décrit la découverte et l'étude des événements liés au changement climatique dans le contexte de périodes géologiques et historiques, notamment le réchauffement planétaire qui se produit depuis le XXe siècle.

L'étude systématique des changements climatiques naturels a commencé dans la première moitié du XIXe siècle avec la reconstruction progressive des cycles glaciaires et d'autres changements environnementaux induits par le climat dans le cadre de la paléoclimatologie et de la recherche sur le Quaternaire. L'influence de l'homme sur le système climatique de la Terre par le biais des gaz à effet de serre a été soupçonnée dès la fin du 19e siècle, mais les calculs correspondants ont été fortement mis en doute jusque dans les années 1960. Des descriptions détaillées de l'histoire de la recherche sur le changement climatique, en particulier sur le changement climatique anthropique observé au cours du 20e siècle, peuvent être trouvées, par exemple, dans le premier chapitre du quatrième rapport d'évaluation du GIEC et de manière plus détaillée par le physicien et historien des sciences américain Spencer R. Weart.

Alors que l'effet de serre a été découvert dès 1824, l'effet de réchauffement du climat dû à l'augmentation constante de la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère terrestre n'a pu être quantifié que vers la fin des années 1950, grâce à l'amélioration des méthodes de mesure et à l'élargissement de la base de données. Bien que certains scientifiques aient noté que la pollution atmosphérique d'origine humaine pouvait également refroidir le climat, la recherche climatique a de plus en plus privilégié l'hypothèse d'un réchauffement à partir du milieu des années 1970. Dans les années 1990, des modèles informatiques plus avancés et une meilleure compréhension des périodes froides ont conduit au consensus suivant : les gaz à effet de serre jouent un rôle majeur dans le changement climatique, et les émissions d'origine humaine sont principalement responsables du réchauffement planétaire en cours.

Découverte des bases

Premières théories de la période glaciaire

En tant que l'un des pionniers du concept des temps préhistoriques, le polymathe anglais Robert Hooke soupçonne déjà vers la fin du 17e siècle basé sur des fossiles du Jura (tels que les ammonites et les tortues de mer) que le climat du sud de l'Angleterre a dû être considérablement plus chaud au début de la période géologique[1]. Sur cette base, il suggère de déterminer les climats des habitats primitifs à l'aide de fossiles. Contre la croyance alors largement répandue dans le mythe de la création biblique, l'hypothèse d'une époque primitive, qui englobait des périodes considérablement plus longues que l'histoire humaine historiquement documentée, n'a pu prévaloir qu'un siècle plus tard. Au cours du siècle des Lumières et avec le développement de la géologie dans la science moderne à partir de 1750, la notion préhistorique a progressivement gagné du terrain. Néanmoins, de nombreux scientifiques sont alors encore influencés dans leur réflexion par des idées religieuses, comme le montre la dispute sur le basalte[2]. L'ingénieur et géographe Pierre Martel apporte une première contribution à l'établissement de la théorie de la période glaciaire en 1742. Selon lui, les glaciers de Chamonix sont autrefois beaucoup plus étendus, suggérant un climat plus froid dans le passé. Une opinion similaire est partagée par son compatriote suisse Gottlieb Sigmund Gruner, qui, dans son livre Voyages à travers les régions les plus étranges de l'Helvétie en 1778, associe le conglomérat d'anciennes moraines terminales aux peuplements glaciaires antérieurs. Avec ces connaissances, Martel et Gruner ont des décennies d'avance sur leur temps. La possibilité de glaciations étendues en raison d'un climat façonné par l'ère glaciaire est soulevée à la fin du 18e siècle, mais l'idée est trop révolutionnaire pour être acceptée par la science.

Entre 1780 et 1830, un débat fondamental, en partie motivé par la religion, prend place entre les neptunistes et les plutonistes[3]. Un thème central des neptunistes est le déluge, qui dans de nombreux cas continue dans la première moitié du 19e siècle comme véritable événement géologique ou synonyme de plusieurs inondations mondiales. La controverse entre les neptunistes et les plutonistes est également devenue apparente dans le différend sur l'origine et la « migration» des blocs erratiques (blocs rocheux) déposés par les glaciers de la période glaciaire dans la région alpine, dans les plaines du nord de l'Allemagne et en Scandinavie et qui sont caractéristiques des glaciers. L'énigme des rochers largement dispersés est discutée de plus en plus intensément à partir de 1760, où en plus de la théorie de la dérive privilégiée, surtout les inondations d'eau, de boue et de gravats ainsi que les éruptions volcaniques ont été utilisées comme explications pour le transport des blocs erratiques. À cette époque, il y a encore un long chemin à parcourir pour approfondir la compréhension de la dynamique des glaciers et de la morphologie glaciaire, et seuls les travaux et les recherches de Louis Agassiz, Jean de Charpentier, Karl Friedrich Schimper et Ignace Venetz commencent à brosser un tableau de plus en plus différencié du climat de la période glaciaire à partir de 1830 et des processus associés.

Cependant, dans cette première phase de recherche, les changements climatiques alors découverts ne peuvent pas être datés, et leur cause n'est pas connue.

Le soleil comme cause du changement climatique ?

En 1801, l'astronome William Herschel découvre qu'entre 1650 et 1800, une période plus tard connue sous le nom de petit âge glaciaire, un petit nombre de taches solaires semble être associé à de mauvaises récoltes de blé et, selon lui, à des températures inhabituellement basses[4]. La relation qu'il déduit entre les changements cycliques de l'activité solaire et les fluctuations naturelles du climat est cependant déjà controversée à l'époque et est ensuite discutée jusqu'à la fin du 20e siècle[5],[6].

Recherche sur l'âge glaciaire quaternaire

Jusqu'au milieu du 19e siècle, les partisans désormais plus nombreux de la théorie de la période glaciaire ont rassemblé tellement de preuves et de « témoins climatiques » de l'existence d'une période glaciaire antérieure qu'il devient progressivement plus difficile d'ignorer les arguments avancés. Au cours de l'exploration géologique de l'Amérique du Nord, il est également devenu clair que la phase froide observée en Europe n'était pas un phénomène régional, mais avait apparemment affecté tout l'hémisphère nord. Le modèle de l'âge glaciaire est confirmé par la découverte de traces de glaciation très anciennes en Afrique, en Australie et en Inde, qui, selon les connaissances actuelles, sont attribuées à la glaciation du permocarbone il y a environ 300 millions d'années[7].

En tant que l'un des représentants les plus infatigables, le naturaliste suisse Louis Agassiz (1807–1873) a fait campagne pour l'acceptation scientifique du concept de la période glaciaire. Lors de nombreux voyages, combinés à des conférences devant un public académique, et à travers la publication de plusieurs ouvrages, il apporte une contribution décisive à la vulgarisation de ses idées. Néanmoins, vers 1850, un consensus scientifique sur ce sujet n'est pas encore en vue.

Cela a été retardé principalement pour les raisons suivantes :

  • Pour la plupart des géoscientifiques contemporains, un "hiver mondial", tel que le postulaient des chercheurs comme Karl Friedrich Schimper, signifiait un retour au catastrophisme fondé par Georges de Cuvier et à la théorie du cataclysme qui lui était associée. Ce point de vue a été remplacé par le concept "moderne" d'uniformitarisme du géologue anglais Charles Lyell.
  • En même temps que les résultats géologiques d'une période glaciaire, on trouvait aussi dans les couches stratigraphiques correspondantes des indices clairs de périodes chaudes antérieures. Cette apparente incompatibilité est devenue sans objet avec les progrès de la chronostratigraphie et de la géochronologie, notamment avec la découverte que la période glaciaire quaternaire avait été interrompue à plusieurs reprises par des interglaciaires comme la période chaude de l'Eémien.
  • Pendant des décennies, les idées sur l'extension possible et le comportement d'écoulement des glaciers se sont orientées sur l'exemple des glaciers alpins. Tirant des conclusions globales de cette perspective locale, les géoscientifiques de l'époque rejetaient presque unanimement l'idée d'une croissance en taille de champs de glace couvrant la moitié des continents. Cette doctrine a changé radicalement avec le début de l'exploration et de la mesure de la calotte glaciaire du Groenland dans la deuxième moitié du 19e siècle.

A quelques exceptions près, la théorie des périodes glaciaires a été généralement acceptée au plus tard vers 1880 et est devenue un pilier important des géosciences sous la forme de la recherche sur le quaternaire. Cependant, il a longtemps manqué un modèle théorique solide capable de décrire correctement, d'un point de vue physique, les causes des différentes périodes chaudes et froides de l'histoire de la Terre. Malgré cela, les bases de la climatologie actuelle se sont développées en partie parallèlement à la théorie des périodes glaciaires et remontent, dans leurs débuts, loin dans le 19e siècle.

Température, chaleur et rayonnement thermique

L'utilisation généralisée des thermomètres, y compris dans les serres, a commencé dans la première moitié du XVIIIe siècle. Siècle (échelles de température selon Fahrenheit, Réaumur et Celsius 1724, 1730 et 1742). En 1767, Horace-Bénédict de Saussure mesurait l'intensité du rayonnement solaire dans les vallées et en hauteur sous forme de température dans des boîtes en verre superposées. Dans une version améliorée, une première " boîte de cuisson solaire ", il a atteint des températures de plus de 100°C. [8]

L'observation de la dynamique des changements de température a conduit Joseph Black, le découvreur du dioxyde de carbone, à distinguer la quantité de chaleur de la température dans la seconde moitié du 18e siècle. Il a fondé les concepts de chaleur latente et de capacité thermique, mais avait une idée erronée de l'impulsion du flux de chaleur compensant les différences de température, voir Théorie calorique. En 1791, Pierre Prévost a déduit des expériences de Saussure et de Marc-Auguste Pictet, qui avaient représenté des corps chauds ou froids sur des thermomètres à l'aide de miroirs concaves métalliques, qu'un équilibre thermique pouvait s'établir entre des corps uniquement par rayonnement (voir théorème de Prévost).

Jean-Baptiste Fourier

Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830) a expliqué en 1824 l'effet de serre atmosphérique[9]. Il remarqua que la terre était beaucoup plus chaude qu'elle ne devait l'être, selon une estimation grossière, sans atmosphère. Il a constaté que l'atmosphère est très bien "transparente" à la lumière visible, mais pas au rayonnement infrarouge émis par le sol réchauffé. Les nuages adouciraient les nuits en absorbant ce rayonnement. Il a comparé cet effet à celui de la boîte de cuisson de Saussure[10],[11].

Fourier a correctement reconnu que la majeure partie du réchauffement résultant de la boîte de cuisson n'était pas due à l'effet de serre, mais à l'arrêt de la convection. Le réchauffement de la boîte était donc principalement dû au fait que le rayonnement solaire agissait comme source de chaleur et que la circulation entre l'air extérieur et l'air intérieur était empêchée. Le terme d'effet de serre, créé au début du 20e siècle, est encore utilisé aujourd'hui en climatologie, bien que l'effet de serre atmosphérique soit principalement basé sur l'effet climatique de différents gaz à effet de serre. Fourier constatait tout aussi correctement que des changements naturels ainsi que des influences de la civilisation humaine pouvaient avoir un impact sur le climat. Il s'attendait toutefois à ce que de tels changements soient uniquement dus à des modifications de la réflectivité, c'est-à-dire de l'albédo de la Terre. Bien que Fourier comptait sans aucun doute parmi les meilleurs mathématiciens et scientifiques de son époque, il n'a pas réussi à décrire mathématiquement l'effet de réchauffement de l'effet de serre[12].

John Tyndall

« De la même manière qu'un barrage provoque un gonflement local d'un fleuve, notre atmosphère, qui agit comme une barrière aux radiations provenant de la Terre, génère une augmentation des températures à la surface de la Terre. »

— John Tyndall[13]

C'est ainsi que John Tyndall (1820-1893) a décrit en 1862 l'effet de serre naturel. Il a identifié les gaz responsables de cet effet au cours de nombreuses mesures effectuées avec la plus grande précision possible à l'époque. Il a découvert que la vapeur d'eau était responsable de la majeure partie de l'effet de serre. Il qualifia tout aussi correctement la contribution des autres gaz, comme le dioxyde de carbone (CO2) ou l'ozone (O3), de nettement plus faible, mais non négligeable.

Dès 1856, l'américaine Eunice Newton Foote avait observé, lors d'expériences, un réchauffement plus important dans des cylindres de verre remplis d'air, sous l'effet du rayonnement solaire, lorsque l'air qu'ils contenaient était humide ou remplacé par du CO2. Elle a noté que des concentrations plus élevées de CO2 dans l'atmosphère seraient associées à une température plus élevée sur la Terre[14],[15]. Cependant, dans son dispositif expérimental, d'autres propriétés des gaz dominaient les différences de température mesurées[16].

Les mesures de Tyndall se basaient entre autres sur les travaux préliminaires de Macedonio Melloni, qui avait fait œuvre de pionnier en ce qui concerne la technique de mesure nécessaire. Dans l'appareil de Tyndall, un tube d'environ un mètre de long a été utilisé, dont les extrémités ont été recouvertes de fenêtres en sel gemme, car contrairement aux vitres, celles-ci sont transparentes au rayonnement infrarouge. À une extrémité, il a placé de l'eau bouillante, dont la température est très facile à maintenir stable au point d'ébullition, et à l'autre extrémité, un thermocouple connecté à un ampèremètre sensible. L'oscillation de l'ampèremètre était une mesure de la quantité de rayonnement infrarouge qui pouvait traverser le tube jusqu'au thermocouple. L'étude du spectre d'absorption des gaz de l'atmosphère terrestre ne faisait pas l'objet de ses mesures ; il se concentrait sur une quantification de la capacité d'absorption du rayonnement infrarouge[17].

Convaincu du bien-fondé de la théorie de la glaciation, alors controversée, il se rendit à plusieurs reprises en Suisse à partir du milieu des années 1850 (en 1856 avec le biologiste Thomas Henry Huxley), où il étudia sur place la plasticité de la glace et le comportement d'écoulement des glaciers. Il en résulta, dans les années qui suivirent, un grand nombre d'articles sur ce thème, publiés dans des revues anglophones, germanophones et francophones. En partant de questions géologiques et géophysiques, Tyndall s'est également consacré à la météorologie et à l'impact des gaz à effet de serre sur le climat[18].p. 495 Il a fait valoir qu'une légère diminution de la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère terrestre entraînerait une légère baisse de la température globale. Cependant, la concentration de vapeur d'eau, un gaz à effet de serre beaucoup plus puissant, s'en trouverait affectée, ce qui entraînerait un refroidissement important[19].

Cependant, pour comprendre en détail les mécanismes climatiques des périodes chaudes et froides précédentes, il fallait d'autres connaissances physiques, qui n'ont été acquises pour l'essentiel qu'au cours du 20e siècle. Les scientifiques qui, à la fin du XIXe et au début du XXe siècle, ont indiqué que l'homme était en mesure de modifier le climat de la Terre par son action n'ont guère retenu l'attention pendant longtemps. De l'avis général, il ne fallait pas s'attendre à un réchauffement au cours des prochains siècles, et il n'était pas non plus possible de vérifier par des mesures techniques l'influence de l'homme sur le système climatique terrestre. De plus, en l'absence de mesures systématiques, il n'existait jusqu'au milieu du 20e siècle aucune preuve significative d'une modification des concentrations de gaz à effet de serre dans l'atmosphère terrestre.

James Croll

Diagramme des cycles de Milanković avec aperçu de la Précession (Precession), obliquité de l'écliptique (Obliquity), Excentricité (Excentricity), variations du rayonnement solaire sur la Terre (Solar Forcing) ainsi que les périodes froides et chaudes (Stages of Glaciation).
Diagramme des cycles de Milanković avec aperçu de la Précession (Precession), obliquité de l'écliptique (Obliquity), Excentricité (Excentricity), variations du rayonnement solaire sur la Terre (Solar Forcing) ainsi que les périodes froides et chaudes (Stages of Glaciation)

Dès le début du 19e siècle, on a spéculé sur différentes causes astronomiques des périodes glaciaires. Ainsi, en 1824, le géologue danois Jens Esmark l'hypothèse selon laquelle l'orbite de la Terre autour du Soleil aurait été fortement excentrique à l'époque préhistorique et aurait ressemblé à celle d'une comète revenant périodiquement. Dans les années 1830, le mathématicien français Siméon Denis Poisson a supposé, sur la base de la théorie de l'éther alors dominante, une subdivision de l'univers en régions plus chaudes et plus froides, à travers lesquelles le système solaire se serait déplacé au cours de longues périodes de temps[18]. Le naturaliste écossais James Croll (1821-1890) a formulé la première théorie de l'ère glaciaire fondée et bien argumentée. S'appuyant sur les calculs du mathématicien Joseph-Alphonse Adhémar et de l'astronome Urbain Le Verrier, il défendit en 1864, dans un article retentissant publié dans le Philosophical Magazine [20] l'idée que des modifications de l'orbite terrestre, associées à la forte rétroaction glace-albédo, pourraient être responsables de l'apparition des périodes glaciaires. Il fut le premier à souligner la puissance de cette rétroaction dans le système climatique mondial. C'est à partir de 1870 environ que la possibilité d'influences cosmiques ou solaires sur le climat terrestre a été discutée scientifiquement sur une base plus large[21].

La théorie de Croll a été étayée par des calculs concrets dans les années 1920 et 1930 par Milutin Milanković et Vladimir Köppen. Cependant, jusque dans les années 1960, peu de climatologues pensaient que c'était dans les cycles de Milanković que se trouvait la cause des périodes glaciaires : la variation de l'intensité du rayonnement solaire était très faible par rapport aux variations de température observées. Elle était également trop petite si l'on tenait compte de la rétroaction de la vapeur d'eau et de l'albédo glaciaire. De plus, on a trouvé des preuves géologiques sur les périodes glaciaires passées qui semblaient contredire la théorie. Au cours de la première moitié du XXe siècle, les données climatiques relatives aux périodes glaciaires passées et à leurs processus cycliques étaient en outre trop imprécises pour étayer ou réfuter les thèses de Croll et Milanković[22].

Lois physiques

Outre les travaux de Tyndall, la loi de Kirchhoff sur le rayonnement, formulée par Gustav Robert Kirchhoff en 1859, et la loi de Stefan-Boltzmann, développée en 1879 par Josef Stefan et Ludwig Boltzmann, ont constitué des bases essentielles. Cette dernière permettait de calculer la puissance émise par un émetteur d'une température donnée. Wilhelm Wien a complété la loi de Stefan-Boltzmann en 1893 et, à l'aide de sa loi de Wien sur le déplacement, il a été possible de calculer la longueur d'onde du flux de photons le plus élevé émis par un émetteur à une température donnée. En 1900, Max Planck a finalement réuni ces lois dans la loi de Planck sur le rayonnement, qui constitue encore aujourd'hui la base physique la plus importante pour comprendre le bilan radiatif de la Terre.

Svante Arrhenius

Svante Arrhenius, l'un des pionniers de l'histoire de la science du réchauffement climatique

Le physicien et chimiste suédois Svante Arrhenius (1859-1927) était fasciné par l'idée de Tyndall selon laquelle les concentrations variables de dioxyde de carbone pouvaient être un facteur essentiel pour expliquer les grands sauts de température entre les périodes chaudes et glaciaires. Se basant sur les travaux préliminaires de Samuel Pierpont Langley, il a été le premier à effectuer des calculs approfondis. Il a finalement calculé un modèle climatique simplifié qu'il a exécuté pendant plusieurs mois sans l'aide de machines. En 1896, il a publié ses résultats, ainsi que son hypothèse selon laquelle une réduction de moitié de la concentration de dioxyde de carbone suffirait à déclencher une ère glaciaire[23].

Il a reçu un soutien important pour sa théorie, entre autres de Nils Ekholm et Thomas Chrowder Chamberlin. Dans une publication parue en 1899, Cyrus F. Tolman estimait que les océans du monde entier contenaient, sous forme d'acide carbonique, environ 18 fois plus de dioxyde de carbone que l'atmosphère ; la solubilité du dioxyde de carbone dépend toutefois de la température. Il est donc tout à fait possible qu'il s'agisse des réservoirs dans lesquels le CO2 atmosphérique a été dissous pendant les périodes glaciaires. Il pourrait être libéré en cas d'augmentation du réchauffement climatique, ce qui renforcerait la tendance actuelle des températures moyennes mondiales. [24],[25]

Le fait qu'un enrichissement anthropique en CO2 dans l'atmosphère puisse continuer à augmenter la température actuelle de la Terre n'a d'abord été mentionné par Arrhenius que comme un aspect secondaire[26],[23]. Ce n'est que dans une publication parue en 1906 qu'il en a discuté en détail. Il a calculé une sensibilité climatique de 5 à 6 °C. Sur la base des taux d'émission mondiaux de l'année 1896, il s'attendait à ce que la teneur en dioxyde de carbone atmosphérique nécessaire pour une telle augmentation de température soit deux fois plus élevée dans environ 3 000 ans, et ce n'est que dans quelques siècles qu'il s'attendait à ce qu'une augmentation de température soit mesurable[9]. Il espérait ainsi "des conditions climatiques plus régulières et meilleures" ainsi que "des récoltes multipliées"[27]. Mais il a également compris qu'une utilisation durable des combustibles fossiles entraînerait des problèmes à long terme en raison du réchauffement climatique qui en résulterait[28]. Le contemporain d'Arrhenius, Walther Nernst, a repris l'idée d'Arrhenius et a proposé de produire du dioxyde de carbone supplémentaire pour réchauffer l'atmosphère terrestre. Il voulait pour cela brûler du charbon qui ne pouvait pas être extrait de manière rentable[9].

Début du 20e siècle : critique et rejet

Dans la première moitié du 20e siècle, la théorie d'Arrhenius a d'abord été majoritairement rejetée. Ses hypothèses reposaient sur un trop grand nombre d'hypothèses non confirmées et simplificatrices, ce qui justifiait le scepticisme. Dans ses calculs, Arrhenius n'avait pris en compte la rétroaction glace-albédo et la rétroaction de la vapeur d'eau que par des estimations, en l'absence de données concrètes. Il n'a pas du tout considéré le transport de chaleur par convection et les courants marins, et pour étayer sa théorie de l'ère glaciaire, il lui manquait la connaissance des concentrations atmosphériques de gaz à effet de serre à l'époque glaciaire. Il n'a pas non plus intégré dans ses calculs les éventuelles modifications de la formation des nuages provoquées par un réchauffement. Or, les nuages peuvent modifier de manière significative le bilan radiatif de la Terre, et certains scientifiques de l'époque pensaient qu'un réchauffement dû à une formation accrue de nuages le compenserait entièrement[29].

En 1900, un physicien renommé, Knut Ångström, a publié un ouvrage sur le sujet[30]. Il y expliquait qu'une réduction de moitié de la teneur atmosphérique en dioxyde de carbone ne modifierait l'absorption infrarouge que de 0,4 %, ce qui n'aurait pas d'impact significatif sur le climat. Il s'est avéré par la suite que l'assistant de laboratoire d'Ångström avait mal effectué la mesure, les spectromètres disponibles à l'époque étant trop imprécis pour cette tâche, et qu'il avait mal interprété les résultats de la mesure. Ångström a supposé à tort que les spectres d'absorption de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone se chevauchaient largement et que l'effet d'absorption du gaz à l'état de trace était donc négligeable. C'était toutefois le résultat d'appareils de mesure insuffisants à l'époque pour cette mesure. Si la mesure avait été correcte, l'assistant d'Ångström aurait trouvé un changement d'absorption de 1 % résultant de la division par deux de la concentration de dioxyde de carbone. Une autre erreur provient du fait que l'assistant d'Ångström a effectué ses mesures à la hauteur du niveau de la mer. Même s'il n'y avait pas de différence d'absorption mesurable à cet endroit, cela ne changerait rien à l'effet d'un changement de concentration du gaz à effet de serre qu'est le dioxyde de carbone : L'effet de serre dans les couches supérieures de l'atmosphère, où l'air est très sec en raison du froid ambiant, est déterminant pour l'intensité de l'effet de serre global. C'est pourquoi le chevauchement des bandes d'absorption du dioxyde de carbone avec celles de la vapeur d'eau n'a guère d'effet global. Étant donné qu'en haute altitude, l'air est non seulement très sec, mais aussi nettement moins dense qu'au sol, une augmentation de la concentration de dioxyde de carbone peut tout à fait y renforcer l'effet de serre sous la forme d'une absorption accrue[31]. En moyenne, la Terre émet sa chaleur dans l'espace à une altitude de 5500 mètres. Une augmentation des concentrations mondiales moyennes de gaz à effet de serre a pour effet de déplacer la zone de rayonnement de la Terre vers des altitudes plus élevées. Mais comme il y fait plus froid, la chaleur qui y est émise est moins efficace ; l'accumulation de chaleur supplémentaire fait que toutes les couches atmosphériques situées en dessous deviennent plus chaudes, jusqu'à ce que la couche émettrice perde à nouveau autant d'énergie vers l'espace qu'elle en reçoit du soleil[9]. Arrhenius a détecté les erreurs dans le raisonnement d'Ångström et s'est violemment opposé à lui[9].

Les universitaires François Jarrige et Thomas Le Roux indiquent que « les circulations scientifiques internationales des années 1900 expliquent sans doute que l'idée d'un réchauffement climatique produit par les rejets de l'industrie soit discutée avant la Grande Guerre. Ainsi, le Français Louis de Launay, ingénieur des Mines et membres de l'Académie des sciences, conclut un article sur les réserves charbonnières dans le monde par une mise en garde :

« Pour produire quelque 8 000 milliards de combustibles minéraux, combien n'a-t-il pas fallu de végétaux accumulés et très accidentellement préservés de la combustion dans la durée des temps géologiques ; le jour où cet acide carbonique aura été restitué aux couches inférieures de l'air par nos cheminées d'usines, quels changements (dont nous avons déjà les prodromes sur les grandes villes industrielles) ne manqueront pas d'être réalisés peu à peu dans nos climats[32] ? »

Années 1930 : Guy Stewart Callendar

Dans les années 1930, les Américains ont remarqué que les températures avaient augmenté dans leur région au cours des décennies précédentes ; la plupart des scientifiques pensaient qu'il s'agissait d'un cycle climatique naturel et qu'un effet de serre accru n'était qu'une des nombreuses causes possibles.[9] Après avoir analysé les données de température des 50 dernières années provenant de 200 stations météorologiques, Guy Stewart Callendar (1898-1964) a déterminé un taux de réchauffement global annuel statistiquement significatif de 0,005 °C. Il a conclu qu'il s'agissait d'un phénomène naturel. Il estimait que ce réchauffement était trop prononcé et trop étendu pour être basé sur une fluctuation naturelle du climat. Dans un article publié en 1938, il a estimé à 150.000 millions de tonnes la quantité de dioxyde de carbone émise au cours des 50 dernières années. Il supposait qu'environ trois quarts de cette quantité se trouvaient encore dans l'atmosphère. Il estimait le réchauffement résultant de cette quantité de gaz à effet de serre à 0,003 °C/an (situation en 2011 : 0,02 °C/an) et partait d'une concentration de CO2 de 274 ppm en 1900 ; en prolongeant le taux d'émission annuel estimé à l'époque à 4.500 millions de tonnes de dioxyde de carbone, il prévoyait une concentration atmosphérique de dioxyde de carbone de 396 ppm en 2100 (cette valeur a été atteinte en 2013). Il estimait le réchauffement résultant de la combustion des combustibles fossiles à 0,16 °C pour le 20e siècle, à 0,39 °C pour le 21e siècle et à 0,57 °C pour le 22e siècle. Callendar considérait également le réchauffement climatique comme un élément positif, car le réchauffement anthropique semblait écarter dans un avenir prévisible le risque d'un retour prochain de l'âge de glace[25].

Années 1940 : Hermann Flohn

Hermann Flohn a été le premier climatologue allemand à défendre l'effet climatique global de l'augmentation anthropique des concentrations de CO2 ou le changement climatique anthropique depuis sa conférence inaugurale en 1941 [33] à l'université de Würzburg et a publié de nombreuses publications à ce sujet jusqu'à sa mort en 1997[34]. Flohn est considéré au niveau international comme l'un des précurseurs de la recherche internationale et nationale sur le climat [35] et n'a cessé d'attirer l'attention sur le problème du CO2 depuis l'après-guerre. Bien que cette position n'ait pas fait l'unanimité parmi les climatologues de l'époque, il a reçu le soutien d'experts, notamment de l'éminent climatologue Mikhaïl Ivanovitch Budyko.

Milieu du 20e siècle : premier rejet, puis acceptation

Même si certains scientifiques ont souligné très tôt l'importance climatique de l'augmentation des concentrations de dioxyde de carbone, les travaux de Callendar ont été largement critiqués. À l'époque, il n'existait aucune preuve solide que la teneur atmosphérique en CO2 augmentait réellement. Les données disponibles sur la teneur atmosphérique en CO2 étaient très imprécises. Les mesures donnaient des valeurs qui variaient tellement en fonction du lieu et de l'heure de mesure qu'il était impossible de connaître une concentration moyenne ou de détecter une éventuelle augmentation. Dans les océans du monde, la quantité de dioxyde de carbone dissoute sous forme d'acide carbonique est 50 fois supérieure à celle contenue dans l'atmosphère. Comme le dioxyde de carbone se dissout bien dans l'eau, la plupart des scientifiques pensaient que toute quantité supplémentaire de gaz traceur de dioxyde de carbone apportée par l'homme disparaîtrait dans l'océan. D'autant plus que l'on savait que la quantité de CO2 émise par la combustion de combustibles fossiles n'était qu'une infime fraction de la quantité transformée dans le cadre de processus métaboliques tels que la photosynthèse et la respiration.

Les travaux de Tyndall, Arrhenius et Callendar n'étaient plus guère discutés. Ils contenaient également trop de thèses invérifiables dans un avenir prévisible. Le constat indéniable des périodes glaciaires attendait certes encore une solution, mais on expliquait les périodes glaciaires par des causes géologiques qui avaient influencé localement le climat par le biais de modifications des vents et des courants marins. A cette époque, personne ne pensait que des changements climatiques globaux étaient possibles.[19] Certes, des recherches financées par l'armée américaine dans les années 1940 ont conduit à des prévisions précoces concernant le changement climatique et la fonte des calottes polaires. Mais comme ces découvertes étaient tenues secrètes par l'armée, le sujet n'était abordé que de manière sporadique et non publique[36].

En 1951, l'American Meteorological Society écrivait dans le Compendium of Meteorology : "L'idée qu'une augmentation de la teneur en dioxyde de carbone de l'atmosphère puisse modifier le climat n'a jamais été très répandue et a finalement été rejetée lorsqu'on a découvert que tout le rayonnement infrarouge absorbé par le dioxyde de carbone était déjà absorbé par la vapeur d'eau [37] Le fait que cela soit faux et qu'Arrhenius ait eu raison dans son objection avait cependant déjà été publié près de 20 ans auparavant - entre autres par E.O. Hulburt et Guy Callendar[38],[39],[40].

Fin des années 1950 : la théorie est relancée

Les années 1950 ont vu une énorme augmentation des connaissances dans tous les domaines scientifiques. En raison de la guerre froide, le gouvernement américain a augmenté les dépenses de recherche dans de nombreux domaines des sciences naturelles et de la technologie, y compris la géologie, l'océanographie et la météorologie. Les militaires s'intéressaient à la manière dont les radiations des bombes atomiques étaient absorbées et dont les retombées se répartissaient dans l'atmosphère et les océans. Ils voulaient également savoir quand quelqu'un allait procéder à un essai nucléaire en surface. Il n'y avait pratiquement aucun domaine qui ne pouvait pas être important pour l'armée[19].

L'une des principales avancées de la paléoclimatologie a été la combinaison de la datation radiométrique avec la chromatographie et la spectrométrie de masse. Il est ainsi devenu possible de déterminer l'âge absolu et donc l'époque de formation de nombreux fossiles.

Technologie clé de datation au radiocarbone

Willard Libby avait déjà développé dans les années 1930 des méthodes de comptage pour une très faible radioactivité. Sur cette base, il a présenté en 1949 la datation au radiocarbone. Ce procédé révolutionnaire a permis de déterminer l'âge de fossiles carbonés datant de moins de 50.000 ans avec une précision inconnue jusqu'alors. Les tests en surface des armes nucléaires ont entraîné une forte augmentation de la concentration de carbone 14 (14C) radioactif, l'effet des armes nucléaires. Grâce à la nouvelle technique de Libby, il était désormais possible de détecter également le 14C produit par les essais de bombes atomiques.

Le directeur de la Scripps Institution of Oceanography américaine, Roger Revelle, s'était intéressé de près à la chimie des océans au début de sa carrière, dans les années 1930. Il était considéré comme un expert dans ce domaine et avait accumulé d'énormes connaissances sur les échanges gazeux entre l'atmosphère et les océans. Il ne disposait toutefois pas de méthodes appropriées pour étudier les échanges gazeux de dioxyde de carbone, si bien qu'il s'est tourné vers d'autres choses.[41]

Pour pouvoir absorber le dioxyde de carbone supplémentaire généré par la combustion de combustibles fossiles, les océans devaient se mélanger. Par hasard, dans le cadre d'un projet de recherche, Revelle a découvert que le carbone radioactif produit lors d'un essai de bombe sous-marine se déplaçait dans une couche d'un mètre d'épaisseur seulement, mais qui s'étendait sur des centaines de kilomètres carrés. Cela prouvait, à son grand étonnement, qu'il n'y avait pratiquement pas eu de mélange vertical de la couche d'eau. Si cela s'appliquait au 14C issu des essais nucléaires, cela devait également s'appliquer à toute autre substance introduite dans les océans, y compris le dioxyde de carbone[41]..

Un jour, Revelle a pris connaissance des travaux de Hans E. Suess, qui travaillait sur les méthodes d'optimisation de la nouvelle datation au radiocarbone. Cela correspondait bien à ses projets de recherche sur le mélange et l'échange de gaz dans les océans ; heureusement, il avait des budgets pour recruter Suess afin d'aborder avec lui les questions non résolues sur l'échange de dioxyde de carbone dans les océans[41]..

Résultats contradictoires

Après avoir évalué les études sur le 14C, Revelle et Suess ont publié en 1957 que le temps de séjour moyen du dioxyde de carbone dans l'atmosphère était de l'ordre d'une dizaine d'années[42].. Ceci était en bon accord avec les résultats du groupe de travail de James R. Arnold[43], qui avait travaillé auparavant chez Willard Frank Libby et qui venait d'entrer à l'université de Princeton. En 1958, Arnold rejoint Revelle sur le nouveau campus de l'Université de Californie à San Diego[44].

Les chercheurs ont estimé la durée d'un bouleversement complet des océans à quelques centaines d'années. Les résultats ont permis de conclure que le dioxyde de carbone produit par la combustion de combustibles fossiles se dissout très rapidement dans les océans, et qu'il semblait donc peu probable qu'il s'accumule dans l'atmosphère. Mais cela rendrait sans fondement les spéculations sur un éventuel réchauffement climatique d'origine humaine, provoqué par une augmentation de la concentration de ce gaz traceur[41].

Ces résultats étaient toutefois en contradiction avec les analyses de Guy Callendar. Ce dernier ne se lassait pas de souligner que les séries de mesures (assez imprécises) du gaz traceur dioxyde de carbone dont il disposait indiquaient clairement que celui-ci s'accumulait dans l'atmosphère. Mais il y avait encore un indice bien plus important : Suess avait découvert, lors de ses études sur la datation au radiocarbone, que les échantillons de bois les plus récents présentaient un rapport 12C/14C décalé : Plus ils étaient jeunes, moins ils contenaient de 14C. Et ce, moins que ce qui pouvait être justifié par la désintégration radioactive. Cet effet s'expliquait par le fait que le dioxyde de carbone de l'atmosphère avait été mélangé à du dioxyde de carbone provenant de la combustion de combustibles fossiles, dans lesquels le 14C s'était presque entièrement désintégré en raison de son grand âge. Cet effet a été connu plus tard sous le nom d'effet Suess. Les arguments ne pouvaient être rejetés d'un revers de main. Revelle et Suess ont cherché des erreurs dans leur travail. Ils ont d'abord tenté d'expliquer la contradiction par le fait qu'ils n'avaient pas inclus l'absorption de dioxyde de carbone par les plantes dans leur raisonnement. Mais Bert Bolin et Erik Eriksson ont finalement trouvé le problème principal : les chercheurs avaient étudié le transfert de substances en présence d'une concentration d'équilibre entre l'atmosphère et les océans. Or, la combustion de combustibles fossiles entraîne un afflux constant de CO2, il n'y a donc pas d'équilibre. Si l'on tient également compte du taux de rotation très lent des océans, le résultat est tout autre : le dioxyde de carbone atmosphérique serait certes rapidement dissous, mais tout aussi rapidement réémis dans l'atmosphère, de sorte que seuls 25% environ seraient absorbés par les océans.[45] Le rapport entre l'émission atmosphérique et l'absorption par les océans a été nommé d'après Roger Revelle et appelé facteur Revelle.

Tout portait à croire que Callendar avait raison et que le dioxyde de carbone s'était effectivement accumulé dans l'atmosphère[41].

Les mesures de Keeling

Article détaillé : Courbe de Keeling.

Afin de déterminer si l'augmentation de la concentration de dioxyde de carbone, gaz à effet de serre, dans l'atmosphère, prédite par Revelle et Suess, était effectivement détectable par des mesures, l'Institut Scripps a posé sa candidature pour l'Année géophysique internationale 1957/58 avec un projet de mesure du dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Le projet fut confié au jeune chimiste Charles David Keeling ; un an plus tard, il pouvait déjà présenter la "courbe de Keeling" qui porte son nom et qui fut la première preuve indubitable de l'augmentation de la concentration de ce gaz à effet de serre. Contrairement à ses prédécesseurs qui avaient échoué dans cette tâche, Keeling a effectué ses mesures loin des sources et des puits de ce gaz traceur et a utilisé pour la première fois un capteur infrarouge non dispersif avec un montage de mesure qui a fourni des résultats d'une grande précision. Ses mesures étaient d'autant plus précises qu'il ne les enregistrait pas ponctuellement, mais en continu à plusieurs stations éloignées les unes des autres.

Réchauffement mesurable attendu dans les décennies à venir

En 1956, Gilbert Plass a utilisé pour la première fois des ordinateurs pour calculer le réchauffement attendu, en intégrant pour la première fois dans ses projections de modèles des spectres d'absorption précis du CO2. Des mesures correspondantes avaient été effectuées par des physiciens de l'université Johns Hopkins, et Plass a pu recourir à ces données dans le cadre d'une coopération. Il a été le premier à démontrer que les bandes d'absorption de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone ne se superposent pas. Il a également constaté qu'un réchauffement global provoqué par une augmentation de la concentration de dioxyde de carbone ne serait pas évité même si les bandes d'absorption se superposaient complètement. Il a calculé un réchauffement global de 3,6 °C pour un doublement supposé de la concentration atmosphérique de dioxyde de carbone[46].. Pour l'an 2000, il a supposé une teneur en dioxyde de carbone de l'atmosphère supérieure de 30 % et s'est attendu à ce que le réchauffement global qui en résulte soit d'environ un degré[47].

Selon ces données, il fallait s'attendre à un réchauffement global anthropique mesurable non plus dans des siècles, mais déjà dans des décennies. L'effet de serre était quantifié avec plus de précision grâce aux calculs de Plass, et l'augmentation de la concentration du gaz à effet de serre, le dioxyde de carbone, était également désormais clairement établie. Roger Revelle a commenté cela par ces mots souvent cités : "L'humanité s'est lancée dans une expérience géophysique à grande échelle qui n'a pas eu lieu dans le passé et qui n'aura pas lieu une deuxième fois dans le futur sous cette forme"[48].

Les années 1960

Depuis les années 1940 et tout au long des années 1960, les températures moyennes ont diminué à l'échelle mondiale. Ceux qui doutaient de la théorie d'un réchauffement d'origine humaine se sont vus confirmés, car les concentrations de dioxyde de carbone ont augmenté durant cette période. On a parlé d'un refroidissement global dû aux aérosols. Certains chercheurs ont attribué ce refroidissement à une pollution croissante de l'air[49],[50]. Jusqu'en 1945, à l'époque de l'industrialisation de l'armement liée à la guerre, les hivers extrêmement froids se sont multipliés en Europe. Jusqu'en 1960, les maisons d'habitation étaient également chauffées au charbon, le mazout n'étant pas encore disponible en quantité suffisante. Ce problème de smog dû à la combustion du charbon devait se répéter 50 ans plus tard lors de l'industrialisation rapide de la Chine[51].

Premiers modèles climatiques

La disponibilité des premiers ordinateurs avait conduit dans les années 1950 aux premières prévisions météorologiques numériques, et l'on voulait naturellement utiliser les ordinateurs pour calculer les processus climatologiques. Cela a cependant apporté dans un premier temps plus de confusion que de clarification et a attisé les doutes sur la justesse de la thèse du réchauffement climatique[52].

À l'aide des données précises sur l'absorption de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone publiées par Gilbert Plass quelques années auparavant, Fritz Möller a calculé un modèle climatique unidimensionnel dans lequel il a non seulement pris en compte la vapeur d'eau libérée par le réchauffement supplémentaire, ce que l'on appelle la rétroaction de la vapeur d'eau, mais aussi l'échange de chaleur entre le sol et l'atmosphère. À son grand étonnement, ses calculs ont révélé des réchauffements massifs et même, dans certaines conditions, un réchauffement interminable, qui n'a cessé de s'amplifier jusqu'à ce que tous les océans s'évaporent. Mais en supposant qu'une augmentation d'un pour cent de la couverture nuageuse résulte du réchauffement, cela aurait complètement compensé l'effet réchauffant d'une augmentation même de 10 % de la concentration en dioxyde de carbone. Et personne ne connaissait la réaction de la formation des nuages à un changement de température. Décrire correctement l'influence des nuages était un problème majeur et le resterait au cours des décennies suivantes.[52]

La raison de la spirale de réchauffement constatée par Möller a été rapidement trouvée : Dans son modèle climatique unidimensionnel, il avait certes pris en compte le transport de chaleur entre le sol et l'air, mais pas le transport de chaleur par convection. Syukuro Manabe l'a réalisé dès le milieu des années 1960 et l'a développé en collaboration avec Richard Wetherald. Le "Manabe-Wetherald one-dimensional radiative-convective model", créé en 1967, est considéré comme le premier modèle atmosphérique un tant soit peu réaliste, qui tient compte à la fois du bilan radiatif de la Terre et de la convection qui se produit. Ce modèle a donné un réchauffement de 2,3 °C qui résulterait d'un doublement de la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère[52],[53]..

Premiers satellites d'observation de la Terre

Au milieu des années 1960, une autre technologie clé est devenue utilisable pour la climatologie : les satellites d'observation de la Terre. Dès 1966, la deuxième génération de satellites TIROS a été utilisée de manière opérationnelle pour la recherche climatique et disposait de radiomètres et de spectromètres. Dès lors, il était possible de mesurer depuis l'espace le bilan thermique de la Terre, sa couverture de glace ou le spectre et l'intensité du rayonnement solaire. Les mesures liées au soleil étaient pour la première fois totalement exemptes d'influences atmosphériques faussées et ont conduit à une définition précise de la constante solaire, qui ne pouvait auparavant être déterminée que de manière approximative.

En 1969, Manabe a pu vérifier son modèle climatique à l'aide du satellite Nimbus III et de données mesurées depuis l'espace. Il a montré une bonne concordance[54].

Le nombre et la qualité des instruments satellitaires installés allaient fortement augmenter dans les décennies à venir, avec des progrès considérables en matière de miniaturisation.

Premiers avertissements

Mikhaïl Ivanovitch Budyko a réalisé un autre travail de pionnier. Il a calculé les bilans radiatifs pour le rayonnement entrant et sortant dans les régions arctiques et a fourni des données quantitatives pour la rétroaction glace-albédo qui n'était décrite jusqu'à présent que de manière qualitative. Il a mis en garde avec insistance contre les changements climatiques qui en résulteraient, même si ceux-ci n'étaient pas attendus avant le siècle prochain.

En 1965, le comité consultatif scientifique du président américain Lyndon B. Johnson s'est adressé à Roger Revelle pour obtenir des informations sur les effets possibles d'un réchauffement de la planète causé par le dioxyde de carbone. Dans le rapport publié la même année, Revelle et ses collègues prévoyaient notamment que l'atmosphère contiendrait environ 25 % de dioxyde de carbone en plus d'ici l'an 2000, ce qui modifierait le bilan thermique atmosphérique de telle sorte que des changements climatiques importants pourraient se produire[55]. Ils ont affirmé "avec une certitude raisonnable" que "les combustibles fossiles sont actuellement la seule source de CO2 ajoutée au système océan-biosphère-atmosphère"[56], et ont conclu dans le résumé:

Through his worldwide industrial civilization, Man is unwittingly conducting a vast geophysical experiment. Within a few generations he is burning the fossil fuels that slowly accumulated in the earth over the past 500. million years. The CO2 produced by this combustion is being injected into the atmosphere; about half of it remains there. The estimated recoverable reserves of fossil fuels are sufficient to produce nearly a 200 % increase in the carbon dioxide content of the atmosphere. By the year 2000 the increase in atmospheric CO2 will be close to 25 %. This may be sufficient to produce measurable and perhaps marked changes in climate, and will almost certainly cause significant changes in the temperature and other properties of the stratosphere. Par sa civilisation industrielle mondiale, l'homme mène sans le savoir une vaste expérience géophysique. En quelques générations, il brûle les combustibles fossiles qui se sont lentement formés dans la terre au cours des 500 millions d'années passées. Le CO2 produit par cette combustion est libéré dans l'atmosphère, où il reste environ la moitié. Les réserves estimées de combustibles fossiles pouvant être extraites sont suffisantes pour augmenter la teneur en dioxyde de carbone de l'atmosphère de près de 200 %. D'ici l'an 2000, l'augmentation du CO2 atmosphérique sera proche de 25 %. Cela peut suffire à produire des changements mesurables et peut-être significatifs du climat, et entraînera presque certainement des changements importants de la température et d'autres caractéristiques de la stratosphère.

Les experts ont donc recommandé d'examiner les chances et les risques de la géo-ingénierie. Il s'agirait d'augmenter l'albédo de la surface terrestre afin de compenser l'effet réchauffant de l'augmentation de la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère[57]..

Les années 1980

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Le paraît dans la revue Nature un article publié par les chercheurs Robert J. Delmas, Jean-Marc Ascencio et Michel Legrand, qui fournit les premières mesures fiables de gaz à effet de serre piégés dans la glace. Selon Jean-Robert Petit, directeur de recherche émérite au CNRS, il s'agit d'« un big bang pour la communauté scientifique. L’article démontre pour la première fois que le CO2 dans l’atmosphère glaciaire était largement inférieur à la période chaude préindustrielle – environ 300 parties par million en volume (ppmv) contre 190 ppmv »[58].

En 1987, l’étude d’une carotte de glace de plus de 2 000 mètres de profondeur fait la une de Nature et l'objet de trois articles décrivant l’enregistrement continu du climat sur 150 000 ans, ce qui constitue « le premier profil temporel de CO2 sur un cycle climatique complet au cours du Quaternaire »[58]. Ils démontrent que le CO2 varie de concert avec la température de l’atmosphère, et qu’il contribue à la variation de la température entre périodes glaciaire et interglaciaire[58].

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