Tendances passées et futures de la température mondiale

Tendances passées et futures de la température moyenne mondiale sur les 67 derniers millions d’années. Les valeurs isotopiques de l’oxygène dans les foraminifères benthiques des eaux profondes des carottes de sédiments sont une mesure de la température globale et du volume de glace. La température est relative à la moyenne mondiale de 1961 à 1990. Les données des enregistrements de carottes glaciaires des 25 000 dernières années illustrent la transition de la dernière période glaciaire à la période actuelle plus chaude, l’Holocène. Les données historiques de 1850 à aujourd’hui montrent la nette augmentation après 1950 marquant le début de l’Anthropocène. Les projections futures de la température mondiale pour trois scénarios de trajectoires de concentration représentatives (RCP) en relation avec le record benthique en haute mer suggèrent que d’ici 2100, l’état du climat sera comparable à l’Optimum climatique du Miocène (il y a environ 16 millions d’années), bien au-delà du seuil. pour nucléer les calottes glaciaires continentales. Si les émissions sont constantes après 2100 et ne sont pas stabilisées avant 2250, le climat mondial d’ici 2300 pourrait entrer dans le monde des serres du début de l’Éocène (il y a environ 50 millions d’années) avec ses multiples événements de réchauffement planétaire et l’absence de grandes calottes glaciaires aux pôles. Crédit: Westerhold et al., CENOGRID

Un enregistrement continu des 66 millions d’années passées montre que la variabilité naturelle du climat due aux changements de l’orbite de la Terre autour du soleil est beaucoup plus faible que le réchauffement futur projeté en raison des émissions de gaz à effet de serre.

Pour la première fois, les climatologues ont compilé un enregistrement continu et haute fidélité des variations du climat de la Terre s’étendant sur 66 millions d’années dans le passé. Le dossier révèle quatre états climatiques distinctifs, que les chercheurs ont surnommés Hothouse, Warmhouse, Coolhouse et Icehouse.

Ces états climatiques majeurs ont persisté pendant des millions et parfois des dizaines de millions d’années, et à l’intérieur de chacun, le climat montre des variations rythmiques correspondant aux changements de l’orbite de la Terre autour du soleil. Mais chaque état climatique a une réponse particulière aux variations orbitales, qui entraînent des changements relativement faibles des températures mondiales par rapport aux changements dramatiques entre les différents états climatiques.

Les nouvelles découvertes, publiées aujourd’hui (10 septembre 2020 dans la revue Science, sont le fruit de décennies de travail et d’une grande collaboration internationale. Le défi consistait à déterminer les variations climatiques passées sur une échelle de temps suffisamment fine pour voir la variabilité attribuable aux variations orbitales (dans l’excentricité de l’orbite de la Terre autour du soleil et la précession et l’inclinaison de son axe de rotation).

“Nous savons depuis longtemps que les cycles glaciaire-interglaciaire sont rythmés par des changements dans l’orbite terrestre, qui modifient la quantité d’énergie solaire atteignant la surface de la Terre, et les astronomes ont calculé ces variations orbitales dans le temps”, a expliqué le co-auteur James Zachos, professeur distingué de sciences de la Terre et des planètes et Ida Benson Lynn professeur de santé océanique à l’UC Santa Cruz.

«Au fur et à mesure que nous reconstruisions les climats du passé, nous avons pu observer assez bien des changements grossiers à long terme. Nous savions également qu’il devrait y avoir une variabilité rythmique à plus petite échelle en raison des variations orbitales, mais pendant longtemps, il a été considéré comme impossible de récupérer ce signal », a déclaré Zachos. «Maintenant que nous avons réussi à capturer la variabilité naturelle du climat, nous pouvons voir que le réchauffement anthropique projeté sera bien plus important que cela.

Depuis 3 millions d’années, le climat de la Terre est dans un état de glacière caractérisé par une alternance de périodes glaciaires et interglaciaires. Les humains modernes ont évolué pendant cette période, mais les émissions de gaz à effet de serre et d’autres activités humaines poussent maintenant la planète vers les états climatiques Warmhouse et Hothouse jamais vus depuis l’époque de l’Éocène, qui s’est terminée il y a environ 34 millions d’années. Au début de l’Éocène, il n’y avait pas de calottes glaciaires polaires et les températures mondiales moyennes étaient de 9 à 14 degrés Celsius plus élevé qu’aujourd’hui.

«Les projections du GIEC pour 2300 dans le scénario« business-as-usual »porteront potentiellement la température mondiale à un niveau que la planète n’a pas vu depuis 50 millions d’années», a déclaré Zachos.

Pour compiler le nouveau record climatique, il était essentiel d’obtenir des carottes de sédiments de haute qualité dans les bassins océaniques profonds par le biais du programme international de forage océanique (ODP, plus tard le Programme intégré de forage océanique, IODP, succédé en 2013 par le Programme international de découverte des océans). Les signes des climats passés sont enregistrés dans les coquilles de plancton microscopique (appelé foraminifères) préservées dans les sédiments du fond marin. Après avoir analysé les carottes de sédiments, les chercheurs ont ensuite dû développer une «astrochronologie» en faisant correspondre les variations climatiques enregistrées dans les couches de sédiments avec les variations de l’orbite terrestre (appelées cycles de Milankovitch).

«La communauté a trouvé comment étendre cette stratégie à des intervalles de temps plus anciens au milieu des années 1990», a déclaré Zachos, qui a dirigé une étude publiée en 2001 dans Science qui a montré la réponse du climat aux variations orbitales pendant une période de 5 millions d’années couvrant la transition de l’époque oligocène au Miocène, il y a environ 25 millions d’années.

«Cela a tout changé, car si nous pouvions faire cela, nous savions que nous pourrions remonter à peut-être 66 millions d’années et replacer ces événements transitoires et ces transitions majeures du climat terrestre dans le contexte des variations à l’échelle orbitale», a-t-il déclaré. .

Zachos collabore depuis des années avec l’auteur principal Thomas Westerhold au Centre des sciences de l’environnement marin de l’Université de Brême (MARUM) en Allemagne, qui abrite un vaste dépôt de carottes de sédiments. Le laboratoire de Brême et le groupe de Zachos à l’UCSC ont généré une grande partie des nouvelles données pour la partie la plus ancienne du dossier.

Westerhold a supervisé une étape critique, en assemblant des segments qui se chevauchent du registre climatique obtenu à partir de carottes de sédiments provenant de différentes parties du monde. «C’est un processus fastidieux d’assembler ce long mégasplice de relevés climatiques, et nous voulions également reproduire les enregistrements avec des carottes de sédiments séparées pour vérifier les signaux, ce fut donc un gros effort de la communauté internationale travaillant ensemble», a déclaré Zachos.

Maintenant qu’ils ont compilé un record climatique continu et daté astronomiquement des 66 millions d’années, les chercheurs peuvent voir que la réponse du climat aux variations orbitales dépend de facteurs tels que les niveaux de gaz à effet de serre et l’étendue des calottes glaciaires polaires.

«Dans un monde à effet de serre extrême sans glace, il n’y aura pas de rétroaction impliquant les calottes glaciaires, et cela change la dynamique du climat», a expliqué Zachos.

La plupart des transitions climatiques majeures au cours des 66 derniers millions d’années ont été associées à des changements dans les niveaux de gaz à effet de serre. Zachos a mené des recherches approfondies sur le maximum thermique du Paléocène-Éocène (PETM), par exemple, montrant que cet épisode de réchauffement climatique rapide, qui a conduit le climat dans un état de Hothouse, était associé à un rejet massif de carbone dans l’atmosphère. De même, à la fin de l’Éocène, alors que les niveaux atmosphériques de dioxyde de carbone chutaient, des calottes glaciaires ont commencé à se former en Antarctique et le climat est passé à un état Coolhouse.

«Le climat peut devenir instable à l’approche de l’une de ces transitions, et nous voyons des réponses plus déterministes au forçage orbital, alors c’est quelque chose que nous aimerions mieux comprendre», a déclaré Zachos.

Le nouveau record climatique fournit un cadre précieux pour de nombreux domaines de recherche, a-t-il ajouté. Il n’est pas seulement utile pour tester des modèles climatiques, mais aussi pour les géophysiciens qui étudient différents aspects de la dynamique de la Terre et les paléontologues qui étudient comment les environnements changeants stimulent l’évolution des espèces.

«C’est une avancée significative dans le domaine des sciences de la Terre et un héritage majeur du programme international de forage océanique», a déclaré M. Zachos.

Référence: «Un enregistrement astronomiquement daté du climat de la Terre et de sa prévisibilité au cours des 66 derniers millions d’années» par Thomas Westerhold, Norbert Marwan, Anna Joy Drury, Diederik Liebrand, Claudia Agnini, Eleni Anagnostou, James SK Barnet, Steven M. Bohaty, David De Vleeschouwer, Fabio Florindo, Thomas Frederichs, David A. Hodell, Ann E. Holbourn, Dick Kroon, Vittoria Lauretano, Kate Littler, Lucas J. Lourens, Mitchell Lyle, Heiko Pälike, Ursula Röhl, Jun Tian, ​​Roy H.Wilkens, Paul A. Wilson et James C. Zachos, 10 septembre 2020, Science.
DOI: science.aba6853

Les co-auteurs Steven Bohaty, maintenant à l’Université de Southampton, et Kate Littler, maintenant à l’Université d’Exeter, ont tous deux travaillé avec Zachos à l’UC Santa Cruz. Les coauteurs de l’article comprennent également des chercheurs de plus d’une douzaine d’institutions à travers le monde. Ce travail a été financé par la German Research Foundation (DFG), le Natural Environmental Research Council (NERC), le programme Horizon 2020 de l’Union européenne, la National Science Foundation of China, le Netherlands Earth System Science Center et la National Science Foundation des États-Unis.