Variabilité et changement climatique

La variabilité climatique inclut toutes les variations du climat qui durent plus longtemps que les événements météorologiques individuels, tandis que le terme changement climatique ne fait référence qu'aux variations qui persistent pendant une période plus longue, généralement des décennies ou plus. Le changement climatique peut faire référence à n'importe quelle période de l'histoire de la Terre, mais le terme est désormais couramment utilisé pour décrire le changement climatique contemporain, souvent appelé réchauffement climatique. Depuis la révolution industrielle , le climat est de plus en plus affecté par les activités humaines .

Le système climatique reçoit presque toute son énergie du soleil et la renvoie vers l'espace . L'équilibre entre l'énergie entrante et sortante et le passage de l'énergie à travers le système climatique constituent le bilan énergétique de la Terre . Lorsque l'énergie entrante est supérieure à l'énergie sortante, le bilan énergétique de la Terre est positif et le système climatique se réchauffe. Si davantage d'énergie sort, le bilan énergétique est négatif et la Terre subit un refroidissement.

L'énergie qui circule dans le système climatique terrestre s'exprime dans les conditions météorologiques, qui varient selon les échelles géographiques et le temps. Les moyennes à long terme et la variabilité des conditions météorologiques dans une région constituent le climat de cette région. De tels changements peuvent être le résultat d'une « variabilité interne », lorsque des processus naturels inhérents aux différentes parties du système climatique modifient la distribution de l'énergie. On peut citer comme exemples la variabilité des bassins océaniques, comme l' oscillation décennale du Pacifique et l'oscillation multidécennale de l'Atlantique . La variabilité climatique peut également résulter d' un forçage externe , lorsque des événements extérieurs aux composantes du système climatique produisent des changements au sein du système. On peut citer comme exemples les changements dans la production solaire et le volcanisme .

La variabilité climatique a des conséquences sur les changements du niveau de la mer, la vie végétale et les extinctions massives ; elle affecte également les sociétés humaines.

La variabilité climatique est le terme utilisé pour décrire les variations de l'état moyen et d'autres caractéristiques du climat (comme les chances ou la possibilité de conditions météorologiques extrêmes, etc.) « à toutes les échelles spatiales et temporelles au-delà de celle des événements météorologiques individuels ». Une partie de la variabilité ne semble pas être causée par des systèmes connus et se produit à des moments apparemment aléatoires. Une telle variabilité est appelée variabilité aléatoire ou bruit . En revanche, la variabilité périodique se produit relativement régulièrement et selon des modes de variabilité ou des modèles climatiques distincts.

Le terme « changement climatique » est souvent utilisé pour désigner spécifiquement le changement climatique d'origine anthropique. Le changement climatique d'origine anthropique est causé par l'activité humaine, par opposition aux changements climatiques qui peuvent résulter des processus naturels de la Terre. Le réchauffement climatique est devenu le terme populaire dominant en 1988, mais dans les revues scientifiques, le réchauffement climatique fait référence à l'augmentation de la température de surface, tandis que le changement climatique inclut le réchauffement climatique et tout ce qui est affecté par l'augmentation des niveaux de gaz à effet de serre .

En 1966, l' Organisation météorologique mondiale (OMM) a proposé un terme apparenté, celui de « changement climatique » , pour englober toutes les formes de variabilité climatique sur des échelles de temps supérieures à 10 ans, mais quelle qu'en soit la cause. Dans les années 1970, le terme « changement climatique » a remplacé « changement climatique » pour se concentrer sur les causes anthropiques, car il est devenu évident que les activités humaines avaient le potentiel de modifier radicalement le climat. Le terme « changement climatique » a été incorporé dans le titre du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) et de la Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques (CCNUCC). Le terme « changement climatique » est désormais utilisé à la fois comme description technique du processus et comme nom pour décrire le problème.

À l'échelle la plus large, la vitesse à laquelle l'énergie est reçue du Soleil et la vitesse à laquelle elle est perdue dans l'espace déterminent la température d'équilibre et le climat de la Terre. Cette énergie est distribuée autour du globe par les vents, les courants océaniques, et d'autres mécanismes qui affectent les climats de différentes régions.

Les facteurs qui peuvent façonner le climat sont appelés forçages climatiques ou « mécanismes de forçage ». Ceux-ci incluent des processus tels que les variations du rayonnement solaire , les variations de l'orbite terrestre, les variations de l' albédo ou de la réflectivité des continents, de l'atmosphère et des océans, la formation de montagnes et la dérive des continents et les changements dans les concentrations de gaz à effet de serre . Le forçage externe peut être soit anthropique (par exemple, augmentation des émissions de gaz à effet de serre et de poussière) soit naturel (par exemple, changements dans la production solaire, l'orbite terrestre, éruptions volcaniques). Il existe une variété de rétroactions du changement climatique qui peuvent amplifier ou diminuer le forçage initial. Il existe également des seuils clés qui, lorsqu'ils sont dépassés, peuvent produire des changements rapides ou irréversibles.

Certaines parties du système climatique, comme les océans et les calottes glaciaires, réagissent plus lentement aux forçages climatiques, tandis que d'autres réagissent plus rapidement. Un exemple de changement rapide est le refroidissement atmosphérique après une éruption volcanique, lorsque les cendres volcaniques réfléchissent la lumière du soleil. La dilatation thermique de l'eau de mer après le réchauffement atmosphérique est lente et peut prendre des milliers d'années. Une combinaison de ces phénomènes est également possible, par exemple une perte soudaine d' albédo dans l'océan Arctique lorsque la glace de mer fond, suivie d'une dilatation thermique plus progressive de l'eau.

La variabilité climatique peut également être due à des processus internes. Les processus internes non forcés impliquent souvent des changements dans la distribution de l'énergie dans l'océan et l'atmosphère, par exemple des changements dans la circulation thermohaline .

Les changements climatiques dus à la variabilité interne se produisent parfois par cycles ou oscillations. Pour d'autres types de changements climatiques naturels, nous ne pouvons pas prédire quand ils se produisent ; le changement est dit aléatoire ou stochastique . D'un point de vue climatique, le temps peut être considéré comme aléatoire. S'il y a peu de nuages ​​au cours d'une année donnée, il y a un déséquilibre énergétique et la chaleur supplémentaire peut être absorbée par les océans. En raison de l'inertie climatique , ce signal peut être « stocké » dans l'océan et être exprimé sous forme de variabilité sur des échelles de temps plus longues que les perturbations météorologiques d'origine. Si les perturbations météorologiques sont complètement aléatoires, se produisant sous forme de bruit blanc , l'inertie des glaciers ou des océans peut transformer cela en changements climatiques où les oscillations de plus longue durée sont également des oscillations plus grandes, un phénomène appelé bruit rouge . De nombreux changements climatiques ont un aspect aléatoire et un aspect cyclique. Ce comportement est appelé résonance stochastique . La moitié du prix Nobel de physique 2021 a été attribuée pour ce travail à Klaus Hasselmann conjointement avec Syukuro Manabe pour des travaux connexes sur la modélisation du climat . Tandis que Giorgio Parisi, qui avec ses collaborateurs a introduit le concept de résonance stochastique, s'est vu attribuer l'autre moitié, mais principalement pour des travaux sur la physique théorique.

L'océan et l'atmosphère peuvent travailler ensemble pour générer spontanément une variabilité climatique interne qui peut persister pendant des années, voire des décennies. Ces variations peuvent affecter la température moyenne de surface mondiale en redistribuant la chaleur entre les profondeurs de l'océan et l'atmosphère et/ou en modifiant la répartition des nuages/vapeur d'eau/glace de mer, ce qui peut affecter le bilan énergétique total de la Terre.

Une oscillation climatique ou un cycle climatique est une oscillation cyclique récurrente au sein du climat mondial ou régional . Elles sont quasi-périodiques (pas parfaitement périodiques), de sorte qu'une analyse de Fourier des données ne présente pas de pics nets dans le spectre . De nombreuses oscillations sur différentes échelles de temps ont été trouvées ou supposées :

• El Niño-Oscillation australe (ENSO) – Un modèle à grande échelle de températures de surface de la mer tropicale plus chaudes ( El Niño ) et plus froides ( La Niña ) dans l'océan Pacifique avec des effets à l'échelle mondiale. Il s'agit d'une oscillation auto-entretenue, dont les mécanismes sont bien étudiés. L'ENSO est la principale source connue de variabilité interannuelle du temps et du climat dans le monde. Le cycle se produit tous les deux à sept ans, El Niño durant neuf mois à deux ans dans le cycle à plus long terme. La langue froide de l'océan Pacifique équatorial ne se réchauffe pas aussi vite que le reste de l'océan, en raison de la remontée accrue des eaux froides au large de la côte ouest de l'Amérique du Sud.
• l' oscillation de Madden-Julian (MJO) – Un modèle de déplacement vers l'est de précipitations accrues au-dessus des tropiques avec une période de 30 à 60 jours, observé principalement au-dessus des océans Indien et Pacifique.
• L' oscillation nord-atlantique (NAO) – Les indices de la NAO sont basés sur la différence de pression normalisée au niveau de la mer (SLP) entre Ponta Delgada, aux Açores et Stykkishólmur / Reykjavík , en Islande. Les valeurs positives de l'indice indiquent des vents d'ouest plus forts que la moyenne aux latitudes moyennes.
• l' oscillation quasi-biennale – une oscillation bien connue des régimes de vent dans la stratosphère autour de l'équateur. Sur une période de 28 mois, le vent dominant change d'est en ouest et vice versa.
• Oscillation centenaire du Pacifique – une oscillation climatique prédite par certains modèles climatiques
• L' oscillation décennale du Pacifique – Le modèle dominant de variabilité de la surface de la mer dans le Pacifique Nord à l'échelle décennale. Pendant une phase « chaude » ou « positive », le Pacifique occidental se refroidit et une partie de l'océan oriental se réchauffe ; pendant une phase « froide » ou « négative », le modèle inverse se produit. On ne pense pas qu'il s'agisse d'un phénomène unique, mais plutôt d'une combinaison de différents processus physiques.
• l' oscillation interdécennale du Pacifique (IPO) – variabilité à l'échelle du bassin dans l'océan Pacifique avec une période comprise entre 20 et 30 ans.
• l’ oscillation multidécennale de l’Atlantique – un modèle de variabilité dans l’Atlantique Nord d’environ 55 à 70 ans, avec des effets sur les précipitations, les sécheresses et la fréquence et l’intensité des ouragans.
• Cycles climatiques nord-africains – variation climatique induite par la mousson nord-africaine , avec une période de plusieurs dizaines de milliers d’années.
• L' oscillation arctique (AO) et l'oscillation antarctique (AAO) – Les modes annulaires sont des modèles naturels de variabilité climatique à l'échelle de l'hémisphère. Sur des échelles de temps allant de semaines à mois, ils expliquent 20 à 30 % de la variabilité dans leurs hémisphères respectifs. Le mode annulaire nord ou oscillation arctique (AO) dans l'hémisphère nord, et le mode annulaire sud ou oscillation antarctique (AAO) dans l'hémisphère sud. Les modes annulaires ont une forte influence sur la température et les précipitations des masses terrestres de moyenne à haute latitude, telles que l'Europe et l'Australie, en modifiant les trajectoires moyennes des tempêtes. Le NAO peut être considéré comme un indice régional de l'AO/NAM. Ils sont définis comme le premier EOF de la pression au niveau de la mer ou de la hauteur géopotentielle de 20°N à 90°N (NAM) ou de 20°S à 90°S (SAM).
• Cycles de Dansgaard-Oeschger – se produisant sur des cycles d’environ 1 500 ans au cours du dernier maximum glaciaire

Les aspects océaniques de la variabilité climatique peuvent engendrer une variabilité à l'échelle du siècle, car l'océan a une masse des centaines de fois supérieure à celle de l' atmosphère , et donc une inertie thermique très élevée . Par exemple, les altérations des processus océaniques, comme la circulation thermohaline, jouent un rôle clé dans la redistribution de la chaleur dans les océans du monde.

Les courants océaniques transportent une grande quantité d'énergie des régions tropicales chaudes vers les régions polaires plus froides. Les changements survenus autour de la dernière période glaciaire (en termes techniques, la dernière période glaciaire ) montrent que la circulation dans l' Atlantique Nord peut changer soudainement et considérablement, entraînant des changements climatiques mondiaux, même si la quantité totale d'énergie entrant dans le système climatique n'a pas beaucoup changé. Ces changements importants peuvent provenir des événements dits de Heinrich , où l'instabilité interne des calottes glaciaires a provoqué la libération d'énormes icebergs dans l'océan. Lorsque la calotte glaciaire fond, l'eau qui en résulte est très pauvre en sel et froide, ce qui entraîne des changements dans la circulation.

La vie affecte le climat par son rôle dans les cycles du carbone et de l'eau et par des mécanismes tels que l'albédo , l'évapotranspiration , la formation des nuages ​​et l'altération . Voici quelques exemples de la manière dont la vie a pu affecter le climat passé :

• glaciation il y a 2,3 milliards d'années déclenchée par l'évolution de la photosynthèse oxygénée , qui a épuisé l'atmosphère du gaz à effet de serre dioxyde de carbone et introduit de l'oxygène libre
• une autre glaciation il y a 300 millions d'années a été inaugurée par l'enfouissement à long terme de détritus résistants à la décomposition de plantes terrestres vasculaires (créant un puits de carbone et formant du charbon )
• fin du maximum thermique du Paléocène-Éocène il y a 55 millions d'années par la prolifération du phytoplancton marin
• inversion du réchauffement climatique il y a 49 millions d'années par 800 000 ans de prolifération d'azolla arctique
• refroidissement global au cours des 40 derniers millions d'années provoqué par l'expansion des écosystèmes herbivores

Alors que les gaz à effet de serre émis par la biosphère sont souvent considérés comme un processus de rétroaction ou un processus climatique interne, les climatologues classent généralement les gaz à effet de serre émis par les volcans comme des gaz externes. Les gaz à effet de serre, tels que le CO2 _, le méthane et l'oxyde nitreux , réchauffent le système climatique en piégeant la lumière infrarouge. Les volcans font également partie du cycle étendu du carbone . Sur de très longues périodes (géologiques), ils libèrent du dioxyde de carbone de la croûte terrestre et du manteau, contrecarrant l'absorption par les roches sédimentaires et d'autres puits géologiques de dioxyde de carbone .

Depuis la révolution industrielle , l'humanité a contribué à l'augmentation des gaz à effet de serre en émettant du CO2 _issu de la combustion des combustibles fossiles , en modifiant l'utilisation des terres par la déforestation et en modifiant encore davantage le climat par les aérosols (particules dans l'atmosphère) , en libérant des gaz traces (par exemple, les oxydes d'azote, le monoxyde de carbone ou le méthane) . D'autres facteurs, notamment l'utilisation des terres, l'appauvrissement de la couche d'ozone , l'élevage ( les ruminants comme les bovins produisent du méthane ) et la déforestation , jouent également un rôle.

Selon les estimations de l'US Geological Survey, les émissions volcaniques sont bien inférieures aux effets des activités humaines actuelles, qui génèrent 100 à 300 fois la quantité de dioxyde de carbone émise par les volcans. La quantité annuelle émise par les activités humaines pourrait être supérieure à celle libérée par les superéruptions , la plus récente étant l' éruption du volcan Toba en Indonésie il y a 74 000 ans.

De légères variations dans le mouvement de la Terre entraînent des changements dans la distribution saisonnière de la lumière solaire atteignant la surface de la Terre et dans la façon dont elle est distribuée à travers le globe. Il y a très peu de changement dans la moyenne annuelle de l'ensoleillement sur la surface, mais il peut y avoir de forts changements dans la distribution géographique et saisonnière. Les trois types de changement cinématique sont les variations de l'excentricité de la Terre , les changements de l'angle d'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre et la précession de l'axe de la Terre. Combinés, ces changements produisent des cycles de Milankovitch qui affectent le climat et sont remarquables pour leur corrélation avec les périodes glaciaires et interglaciaires , leur corrélation avec l'avancée et le recul du Sahara , et pour leur apparition dans les enregistrements stratigraphiques .

Au cours des cycles glaciaires, il existait une forte corrélation entre les concentrations de CO2 _et les températures. Les premières études ont montré que les concentrations de CO2 _étaient en retard sur les températures, mais il est désormais évident que ce n'est pas toujours le cas. Lorsque les températures des océans augmentent, la solubilité du CO2 _diminue , ce qui fait qu'il est libéré par l'océan. L'échange de CO2 _entre l'air et l'océan peut également être affecté par d'autres aspects du changement climatique. Ces processus, ainsi que d'autres processus auto-renforçants, permettent à de petits changements dans le mouvement de la Terre d'avoir un effet important sur le climat.

Le Soleil est la principale source d' énergie entrant dans le système climatique de la Terre . Les autres sources comprennent l'énergie géothermique du noyau terrestre, l'énergie marémotrice de la Lune et la chaleur provenant de la désintégration de composés radioactifs. Ces deux variations à long terme de l'intensité solaire sont connues pour affecter le climat mondial. La production solaire varie sur des échelles de temps plus courtes, notamment le cycle solaire de 11 ans des modulations à plus long terme ]. La corrélation entre les taches solaires et le climat est au mieux ténue.

Il y a trois à quatre milliards d'années , le Soleil n'émettait que 75 % de l'énergie qu'il émet aujourd'hui. Si la composition atmosphérique avait été la même qu'aujourd'hui, l'eau liquide n'aurait pas dû exister à la surface de la Terre. Cependant, il existe des preuves de la présence d'eau sur la Terre primitive, dans les éons hadéens et archéens , ce qui conduit à ce que l'on appelle le paradoxe du jeune Soleil faible . Les solutions hypothétiques à ce paradoxe incluent une atmosphère très différente, avec des concentrations de gaz à effet de serre beaucoup plus élevées que celles qui existent actuellement. Au cours des 4 milliards d'années qui ont suivi, la production d'énergie du Soleil a augmenté. Au cours des cinq milliards d'années suivantes, la mort ultime du Soleil, qui deviendra une géante rouge puis une naine blanche, aura de grandes répercussions sur le climat, la phase de géante rouge mettant peut-être fin à toute vie sur Terre qui survivrait jusqu'à cette époque.

Les éruptions volcaniques considérées comme suffisamment importantes pour affecter le climat de la Terre sur une échelle de plus d'un an sont celles qui injectent plus de 100 000 tonnes de SO2 dans la stratosphère . Cela est dû aux propriétés optiques du SO2 _et des aérosols sulfatés, qui absorbent ou dispersent fortement le rayonnement solaire, créant une couche globale de brume d'acide sulfurique . _éruptions se produisent plusieurs fois par siècle et provoquent un refroidissement (en bloquant partiellement la transmission du rayonnement solaire à la surface de la Terre) pendant une période de plusieurs années. Bien que les volcans fassent techniquement partie de la lithosphère, qui fait elle-même partie du système climatique, le GIEC définit explicitement le volcanisme comme un agent de forçage externe.

Les éruptions notables dans les archives historiques sont l' éruption du mont Pinatubo en 1991, qui a abaissé les températures mondiales d'environ 0,5 °C (0,9 °F) pendant trois ans, et l' éruption du mont Tambora en 1815, provoquant l' Année sans été .

À plus grande échelle, quelques fois tous les 50 à 100 millions d'années, l'éruption de grandes provinces ignées amène de grandes quantités de roches ignées du manteau et de la lithosphère à la surface de la Terre. Le dioxyde de carbone contenu dans la roche est ensuite libéré dans l'atmosphère. Les petites éruptions, avec des injections de moins de 0,1 Mt de dioxyde de soufre dans la stratosphère, n'affectent l'atmosphère que de manière subtile, car les changements de température sont comparables à la variabilité naturelle. Cependant, comme les éruptions plus petites se produisent à une fréquence beaucoup plus élevée, elles affectent également de manière significative l'atmosphère terrestre.

Au cours de millions d'années, le mouvement des plaques tectoniques reconfigure les zones terrestres et océaniques du monde entier et génère une topographie. Cela peut affecter les schémas mondiaux et locaux du climat et de la circulation atmosphère-océan.

La position des continents détermine la géométrie des océans et influence donc les schémas de circulation océanique. L'emplacement des mers est important pour contrôler le transfert de chaleur et d'humidité à travers le globe, et donc pour déterminer le climat mondial. Un exemple récent de contrôle tectonique sur la circulation océanique est la formation de l' isthme de Panama il y a environ 5 millions d'années, qui a interrompu le mélange direct entre les océans Atlantique et Pacifique . Cela a fortement affecté la dynamique océanique de ce qui est maintenant le Gulf Stream et a peut-être conduit à la couverture de glace de l'hémisphère nord. Au cours de la période carbonifère , il y a environ 300 à 360 millions d'années, la tectonique des plaques a peut-être déclenché un stockage à grande échelle du carbone et une augmentation de la glaciation. Les preuves géologiques indiquent un schéma de circulation « mégamousson » à l'époque du supercontinent Pangée , et la modélisation climatique suggère que l'existence du supercontinent était propice à l'établissement des moussons.

La taille des continents est également importante. En raison de l'effet stabilisateur des océans sur la température, les variations annuelles de température sont généralement plus faibles dans les zones côtières qu'à l'intérieur des terres. Un supercontinent plus grand aura donc une plus grande surface où le climat est fortement saisonnier que plusieurs continents ou îles plus petits .

Il a été postulé que les particules ionisées connues sous le nom de rayons cosmiques pourraient avoir un impact sur la couverture nuageuse et donc sur le climat. Comme le soleil protège la Terre de ces particules, on a émis l'hypothèse que les changements dans l'activité solaire pourraient également influencer indirectement le climat. Pour tester cette hypothèse, le CERN a conçu l' expérience CLOUD , qui a montré que l'effet des rayons cosmiques est trop faible pour influencer sensiblement le climat.

Il existe des preuves que l' impact de l'astéroïde Chicxulub, il y a environ 66 millions d'années, a gravement affecté le climat de la Terre. De grandes quantités d'aérosols sulfatés ont été projetés dans l'atmosphère, réduisant les températures mondiales jusqu'à 26 °C et produisant des températures inférieures à zéro pendant une période de 3 à 16 ans. Le temps de récupération après cet événement a pris plus de 30 ans. L'utilisation à grande échelle d' armes nucléaires a également été étudiée pour son impact sur le climat. L'hypothèse est que la suie libérée par les incendies à grande échelle bloque une fraction significative de la lumière du soleil pendant un an, ce qui entraîne une forte baisse des températures pendant quelques années. Cet événement possible est décrit comme un hiver nucléaire .

L'utilisation des terres par les humains a un impact sur la quantité de lumière solaire réfléchie par la surface et sur la concentration de poussière. La formation des nuages ​​n'est pas seulement influencée par la quantité d'eau présente dans l'air et par la température, mais aussi par la quantité d' aérosols présents dans l'air, comme la poussière. À l'échelle mondiale, la poussière est plus abondante dans les régions où les sols sont secs, où la végétation est rare et où les vents sont forts.

La paléoclimatologie est l'étude des changements climatiques tout au long de l'histoire de la Terre. Elle utilise diverses méthodes indirectes issues des sciences de la Terre et de la vie pour obtenir des données préservées dans des éléments tels que les roches, les sédiments, les calottes glaciaires, les cernes des arbres, les coraux, les coquillages et les microfossiles. Elle utilise ensuite ces données pour déterminer les états passés des différentes régions climatiques de la Terre et de son système atmosphérique. Les mesures directes donnent un aperçu plus complet de la variabilité climatique.

Les changements climatiques survenus après le déploiement généralisé des appareils de mesure peuvent être observés directement. Des relevés mondiaux relativement complets de la température de surface sont disponibles à partir du milieu ou de la fin du XIXe siècle. D'autres observations sont dérivées indirectement de documents historiques. Des données satellitaires sur les nuages ​​et les précipitations sont disponibles depuis les années 1970.

La climatologie historique est l'étude des changements climatiques historiques et de leurs effets sur l'histoire et le développement de l'humanité. Les principales sources comprennent des documents écrits tels que des sagas , des chroniques , des cartes et des ouvrages d'histoire locale , ainsi que des représentations picturales telles que des peintures , des dessins et même de l'art rupestre . La variabilité climatique dans un passé récent peut être dérivée de changements dans les modes de peuplement et d'agriculture. archéologiques , l'histoire orale et les documents historiques peuvent offrir un aperçu des changements passés du climat. Les changements climatiques ont été liés à l'essor et à l'effondrement de diverses civilisations.

Les roches, les arbres et les fossiles contiennent diverses archives du climat passé. À partir de ces archives, des mesures indirectes du climat, appelées proxys, peuvent être dérivées. La quantification de la variation climatologique des précipitations au cours des siècles et des époques précédentes est moins complète mais approximée à l'aide de proxys tels que les sédiments marins, les carottes de glace, les stalagmites des grottes et les cernes des arbres. Le stress, des précipitations insuffisantes ou des températures inadaptées peuvent modifier le taux de croissance des arbres, ce qui permet aux scientifiques de déduire les tendances climatiques en analysant le taux de croissance des cernes des arbres. Cette branche de la science qui étudie ce phénomène s'appelle la dendroclimatologie . Les glaciers laissent derrière eux des moraines qui contiennent une richesse de matériaux, notamment de la matière organique, du quartz et du potassium qui peuvent être datés, enregistrant les périodes au cours desquelles un glacier a avancé et reculé.

L'analyse de la glace dans des carottes forées dans une calotte glaciaire telle que la calotte glaciaire de l'Antarctique peut être utilisée pour montrer un lien entre la température et les variations du niveau global de la mer. L'air emprisonné dans des bulles dans la glace peut également révéler les variations du CO2 _de l'atmosphère dans un passé lointain, bien avant les influences environnementales modernes. L'étude de ces carottes de glace a été un indicateur significatif des changements du CO2 _sur plusieurs millénaires et continue de fournir des informations précieuses sur les différences entre les conditions atmosphériques anciennes et modernes. Le rapport ¹⁸ O/ ¹⁶ O dans les échantillons de calcite et de carottes de glace utilisés pour déduire la température de l'océan dans un passé lointain est un exemple de méthode de substitution de la température.

Les restes de plantes, et plus particulièrement le pollen, sont également utilisés pour étudier le changement climatique. La répartition des plantes varie selon les conditions climatiques. Différents groupes de plantes ont du pollen aux formes et aux textures de surface distinctes, et comme la surface extérieure du pollen est composée d'un matériau très résilient, ils résistent à la décomposition. Les changements dans le type de pollen trouvé dans différentes couches de sédiments indiquent des changements dans les communautés végétales. Ces changements sont souvent le signe d'un changement climatique. À titre d'exemple, les études sur le pollen ont été utilisées pour suivre l'évolution des schémas de végétation tout au long des glaciations quaternaires et surtout depuis le dernier maximum glaciaire . Les restes de coléoptères sont courants dans les sédiments d'eau douce et terrestres. Différentes espèces de coléoptères ont tendance à être trouvées dans différentes conditions climatiques. Étant donné la lignée étendue de coléoptères dont la composition génétique n'a pas changé de manière significative au cours des millénaires, la connaissance de la gamme climatique actuelle des différentes espèces et l'âge des sédiments dans lesquels les restes sont trouvés, les conditions climatiques passées peuvent être déduites.

L'une des difficultés de la détection des cycles climatiques est que le climat de la Terre a évolué de manière non cyclique sur la plupart des échelles de temps paléoclimatologiques. Nous traversons actuellement une période de réchauffement global anthropique . Sur une échelle de temps plus large, la Terre sort de la dernière période glaciaire, se refroidit par rapport à l' optimum climatique de l'Holocène et se réchauffe par rapport au « Petit Âge glaciaire », ce qui signifie que le climat a constamment changé au cours des 15 000 dernières années environ. Pendant les périodes chaudes, les fluctuations de température sont souvent de moindre amplitude. La période du Pléistocène , dominée par des glaciations répétées, s'est développée à partir de conditions climatiques plus stables au Miocène et au Pliocène . Le climat de l'Holocène a été relativement stable. Tous ces changements compliquent la tâche de recherche d'un comportement cyclique du climat.

Les rétroactions positives , négatives et l'inertie écologique du système terre-océan-atmosphère atténuent ou inversent souvent les effets de moindre ampleur, qu'ils soient dus à des forçages orbitaux, à des variations solaires ou à des changements de concentrations de gaz à effet de serre. Certaines rétroactions impliquant des processus tels que les nuages ​​sont également incertaines ; pour les traînées de condensation , les cirrus naturels, le sulfure de diméthyle océanique et un équivalent terrestre, il existe des théories concurrentes concernant les effets sur les températures climatiques, par exemple en opposition à l' hypothèse Iris et à l'hypothèse CLAW .

Un changement climatique peut entraîner une modification du type, de la répartition et de la couverture de la végétation. Certains changements climatiques peuvent entraîner une augmentation des précipitations et de la chaleur, ce qui se traduit par une meilleure croissance des plantes et par la séquestration ultérieure du CO2 atmosphérique _. Bien qu'une augmentation du CO2 _puisse être bénéfique pour les plantes, certains facteurs peuvent diminuer cette augmentation. En cas de changement environnemental tel qu'une sécheresse, l'augmentation des concentrations de CO2 _ne profitera pas à la plante. Ainsi, même si le changement climatique augmente les émissions de CO2 _, les plantes n'utiliseront souvent pas cette augmentation car d'autres stress environnementaux exercent une pression sur elles. Cependant, la séquestration du CO2 _devrait affecter le rythme de nombreux cycles naturels comme les taux de décomposition de la litière végétale . Une augmentation progressive de la chaleur dans une région entraînera une floraison et une fructification plus précoces, ce qui entraînera un changement dans le calendrier des cycles de vie des organismes dépendants. À l'inverse, le froid entraînera un retard des cycles biologiques des plantes.

Des changements plus importants, plus rapides ou plus radicaux peuvent cependant entraîner un stress de la végétation, une perte rapide de plantes et une désertification dans certaines circonstances. Un exemple de cela s'est produit lors de l' effondrement de la forêt tropicale du Carbonifère (CRC), un événement d'extinction il y a 300 millions d'années. À cette époque, de vastes forêts tropicales couvraient la région équatoriale de l'Europe et de l'Amérique. Le changement climatique a dévasté ces forêts tropicales humides, fragmentant brusquement l'habitat en « îles » isolées et provoquant l'extinction de nombreuses espèces végétales et animales.

L’une des façons les plus importantes dont disposent les animaux pour faire face au changement climatique est la migration vers des régions plus chaudes ou plus froides. Sur une échelle de temps plus longue, l’évolution rend les écosystèmes, y compris les animaux, mieux adaptés à un nouveau climat. Un changement climatique rapide ou important peut provoquer des extinctions massives lorsque les créatures sont trop éloignées pour pouvoir s’adapter.

L'effondrement de civilisations passées, comme celle des Mayas, pourrait être lié aux cycles de précipitations, en particulier de sécheresse, qui dans cet exemple sont également corrélés au bassin chaud de l'hémisphère occidental . Il y a environ 70 000 ans, l' éruption du supervolcan Toba a créé une période particulièrement froide pendant la période glaciaire, ce qui a peut-être entraîné un goulot d'étranglement génétique dans les populations humaines.

Les glaciers sont considérés comme l’un des indicateurs les plus sensibles du changement climatique. Leur taille est déterminée par un équilibre de masse entre l’apport de neige et la fonte. À mesure que les températures augmentent, les glaciers reculent, à moins que les précipitations de neige n’augmentent pour compenser la fonte supplémentaire. Les glaciers grandissent et rétrécissent en raison de la variabilité naturelle et des forces externes. La variabilité de la température, des précipitations et de l’hydrologie peut fortement déterminer l’évolution d’un glacier au cours d’une saison donnée.

Les processus climatiques les plus significatifs depuis le milieu et la fin du Pliocène (il y a environ 3 millions d'années) sont les cycles glaciaires et interglaciaires . La période interglaciaire actuelle (l' Holocène ) a duré environ 11 700 ans. Façonnées par les variations orbitales , des réponses telles que la montée et la chute des calottes glaciaires continentales et des changements importants du niveau de la mer ont contribué à créer le climat. D'autres changements, notamment les événements Heinrich , Dansgaard-Oeschger et le Dryas récent , illustrent cependant comment les variations glaciaires peuvent également influencer le climat sans le forçage orbital .

Au cours du dernier maximum glaciaire , il y a environ 25 000 ans, le niveau de la mer était environ 130 m plus bas qu'aujourd'hui. La déglaciation qui a suivi a été caractérisée par un changement rapide du niveau de la mer. Au début du Pliocène , les températures mondiales étaient de 1 à 2 °C plus élevées que la température actuelle, mais le niveau de la mer était de 15 à 25 mètres plus élevé qu'aujourd'hui.

La glace de mer joue un rôle important dans le climat de la Terre car elle affecte la quantité totale de lumière solaire réfléchie par la Terre. Dans le passé, les océans de la Terre ont été presque entièrement recouverts de glace de mer à plusieurs reprises, lorsque la Terre était dans un état dit de boule de neige , et complètement libre de glace pendant les périodes de climat chaud. Lorsqu'il y a beaucoup de glace de mer présente à l'échelle mondiale, en particulier dans les régions tropicales et subtropicales, le climat est plus sensible aux forçages car la rétroaction glace-albédo est très forte.

Les différents forçages climatiques sont généralement en évolution au cours des temps géologiques , et certains processus de la température de la Terre peuvent être autorégulés . Par exemple, pendant la période de la Terre boule de neige , de grandes calottes glaciaires s'étendaient jusqu'à l'équateur de la Terre, couvrant presque toute sa surface, et un albédo très élevé a créé des températures extrêmement basses, tandis que l'accumulation de neige et de glace a probablement éliminé le dioxyde de carbone par dépôt atmosphérique . Cependant, l'absence de couverture végétale pour absorber le CO2 atmosphérique _émis par les volcans signifiait que le gaz à effet de serre pouvait s'accumuler dans l'atmosphère. Il y avait également une absence de roches silicatées exposées, qui utilisent le CO2 _lorsqu'elles subissent une altération. Cela a créé un réchauffement qui a ensuite fait fondre la glace et a ramené la température de la Terre à la hausse.

Le maximum thermique du Paléocène-Éocène (PETM) est une période de temps avec une augmentation de la température moyenne mondiale de plus de 5 à 8 °C au cours de l'événement. Cet événement climatique s'est produit à la limite temporelle des époques géologiques du Paléocène et de l'Éocène . Au cours de l'événement, de grandes quantités de méthane ont été libérées, un puissant gaz à effet de serre. Le PETM représente une « étude de cas » du changement climatique moderne dans la mesure où les gaz à effet de serre ont été libérés dans un laps de temps géologiquement relativement court. Au cours du PETM, une extinction massive d'organismes dans les profondeurs océaniques a eu lieu.

Tout au long du Cénozoïque , de multiples forçages climatiques ont conduit au réchauffement et au refroidissement de l'atmosphère, ce qui a conduit à la formation précoce de la calotte glaciaire de l'Antarctique , à sa fonte ultérieure et à sa reglaciation ultérieure. Les changements de température se sont produits de manière assez soudaine, à des concentrations de dioxyde de carbone d'environ 600 à 760 ppm et à des températures d'environ 4 °C plus élevées qu'aujourd'hui. Au cours du Pléistocène, des cycles de glaciations et d'interglaciaires se sont produits sur des cycles d'environ 100 000 ans, mais peuvent rester plus longtemps au sein d'un interglaciaire lorsque l'excentricité orbitale approche zéro, comme pendant l'interglaciaire actuel. Les interglaciaires précédents tels que la phase éemienne ont entraîné des températures plus élevées qu'aujourd'hui, des niveaux de mer plus élevés et une fonte partielle de la calotte glaciaire de l'Antarctique occidental .

Les températures climatologiques ont une incidence considérable sur la couverture nuageuse et les précipitations. À des températures plus basses, l'air peut contenir moins de vapeur d'eau, ce qui peut entraîner une diminution des précipitations. Au cours du dernier maximum glaciaire , il y a 18 000 ans, l'évaporation thermique des océans sur les terres continentales était faible, ce qui a donné naissance à de vastes zones de désert extrême, notamment des déserts polaires (froids mais avec de faibles taux de couverture nuageuse et de précipitations). En revanche, le climat mondial était plus nuageux et plus humide qu'aujourd'hui au début de la période chaude de l'Atlantique, il y a 8 000 ans.

L' Holocène est caractérisé par un refroidissement à long terme qui a débuté après l' optimum de l'Holocène , lorsque les températures étaient probablement juste en dessous des températures actuelles (deuxième décennie du 21e siècle), et une forte mousson africaine a créé des conditions de prairies dans le Sahara pendant le sous-pluvial néolithique . Depuis cette époque, plusieurs événements de refroidissement se sont produits, notamment :

• L' oscillation de Piora
• l' époque froide de l'âge du bronze moyen
• L' époque froide de l'âge du fer
• Le Petit Âge Glaciaire
• la phase de refroidissement vers 1940-1970, qui a conduit à l'hypothèse du refroidissement global

En revanche, plusieurs périodes chaudes ont également eu lieu, notamment :

• une période chaude pendant l'apogée de la civilisation minoenne
• la période chaude romaine
• la période chaude médiévale
• Le réchauffement climatique au cours du XXe siècle

Certains effets se sont produits au cours de ces cycles. Par exemple, pendant la période chaude médiévale, le Midwest américain était en proie à la sécheresse, y compris les Sand Hills du Nebraska qui étaient des dunes de sable actives . La peste noire causée par Yersinia pestis s'est également produite lors des fluctuations de température médiévales et pourrait être liée aux changements climatiques.

L'activité solaire a peut-être contribué en partie au réchauffement climatique actuel qui a culminé dans les années 1930. Cependant, les cycles solaires ne parviennent pas à expliquer le réchauffement observé depuis les années 1980 jusqu'à nos jours. Des événements tels que l'ouverture du passage du Nord-Ouest et les minima de glace record de la fonte de l'Arctique moderne n'ont pas eu lieu depuis au moins plusieurs siècles, car les premiers explorateurs étaient tous incapables de traverser l'Arctique, même en été. Les changements dans les biomes et les aires de répartition des habitats sont également sans précédent, se produisant à des rythmes qui ne coïncident pas avec les oscillations climatiques connues .

En raison des émissions de gaz à effet de serre par les humains , les températures de surface mondiales ont commencé à augmenter. Le réchauffement climatique est un aspect du changement climatique moderne, un terme qui inclut également les changements observés dans les précipitations, les trajectoires des tempêtes et la nébulosité. En conséquence, on a constaté que les glaciers du monde entier rétrécissent considérablement . Les calottes glaciaires terrestres de l'Antarctique et du Groenland perdent de la masse depuis 2002 et ont connu une accélération de la perte de masse de glace depuis 2009. Le niveau mondial de la mer augmente en raison de la dilatation thermique et de la fonte des glaces. Le déclin de la glace de mer arctique, à la fois en étendue et en épaisseur, au cours des dernières décennies est une preuve supplémentaire du changement climatique rapide.

Outre la variabilité et le changement climatiques mondiaux au fil du temps, de nombreuses variations climatiques se produisent simultanément dans différentes régions physiques.

L'absorption par les océans d'environ 90 % de l'excès de chaleur a contribué à ce que les températures de surface des terres émergées augmentent plus rapidement que celles de la surface des mers. L'hémisphère nord, dont le rapport masse terrestre/océan est plus important que l'hémisphère sud, présente des augmentations de température moyenne plus importantes. Les variations entre les différentes bandes de latitude reflètent également cette divergence dans l'augmentation de la température moyenne, l'augmentation de la température des régions extratropicales du nord dépassant celle des tropiques, qui à son tour dépasse celle des régions extratropicales du sud.

Les régions supérieures de l'atmosphère se sont refroidies en même temps que la basse atmosphère se réchauffait, confirmant l'action de l'effet de serre et de l'appauvrissement de la couche d'ozone.

Les variations climatiques régionales observées confirment les prévisions concernant les changements en cours, par exemple en comparant les variations mondiales (plus douces) d'une année sur l'autre avec les variations (plus volatiles) d'une année sur l'autre dans des régions localisées. Inversement, la comparaison des schémas de réchauffement de différentes régions avec leurs variabilités historiques respectives permet de placer les magnitudes brutes des changements de température dans la perspective de ce qui constitue une variabilité normale pour chaque région.

Les observations de variabilité régionale permettent d'étudier les points de basculement climatiques régionalisés tels que la perte de forêt tropicale, la fonte de la calotte glaciaire et de la banquise et le dégel du pergélisol. De telles distinctions sous-tendent la recherche sur une éventuelle cascade mondiale de points de basculement .