Enseigner les Sciences de la nature

logo ensl   Logo du ministère de l'éducation
logo CIRI logo Immuniser Lyon
logo LBMC logo Musée Mérieux
Logo Inserm igfl igfl logo CREATIS
Logo du Museum national des histoires naturelles
Logo du musée de Confluences
logo geo 3d
Logo de Lyon 1 logo lgltpe 
Logo du Museum national des histoires naturelles
Logo du musée de Confluences
logo LBMC
logo LBMC
logos composé logo COP In My City logo Investissement d'avenirLogo du musée de Confluences
logo Météo France Logo du musée de Confluences
logo EVSlogo Grand Lyon

Gulf Stream (futur)

Les projections futures du comportement de la Dérive Nord-Atlantique vis-à-vis de l'océan glacial arctique


Suite aux travaux de Broecker, de nombreuses équipes ont tenté de simuler le comportement de la Dérive Nord-Atlantique dans le cadre du réchauffement climatique actuel, et ainsi déterminer si une nouvelle "surprise "climatique" nous attend.


Les deux premières équipes furent Thomas Stocker/Andreas Schmittner (université de Berne, 1997) et Ronald Stouffer/Syukuro Manabe (université de Princeton, différents travaux 1993-1994-1999). Leurs simulations portent sur une augmentation du [CO2] de 500 ppm en 1 siècle : on assiste à un refroidissement de l'Atlantique Nord et une diminution de la ventilation profonde.

Mais les résultats les plus impressionnants sont le fait d'une équipe du centre de climatologie de Postdam, en 2001, avec Andrey Ganopolski et Stefan Rahmstorf, au cours de trois simulations (les deux premières en modifiant l'apport d'eau douce, la troisième en jouant sur les taux de CO2) :

  • la première simulation porte sur une perturbation cyclique et d'amplitude limitée d'un modèle climatique avec un apport d'eau douce (équivalent aux débits réunis du Mississipi et du St Laurent) : on observe un comportement d'hystérésis (voir plus loin la définition de ce terme) du couple océan-atmosphère, une circulation profonde subissant des changements extrêmement rapides, de grande ampleur et non linéaires, accompagnés cependant d'un réchauffement au Groënland (+10°C) et aux moyennes latitudes nord (+2 à 3°C) => malgré la perturbation de la ventilation profonde, le réchauffement global se poursuit.
  • la seconde simulation ressemble à la première, mais avec une perturbation unitaire et massive (correspondant au débit de l'Amazone) : la ventilation profonde s'arrête presque, et les moyennes latitudes nord se refroidissent de 2 à 3°C => la perturbation de la ventilation profonde est telle qu'on assiste à un refroidissement local dans l'hémisphère Nord.
  • la troisième simulation concerne le futur climatique, à l'horizon 2500, avec 1200 ppm de [CO2] en 2150, puis en diminution régulière à partir de 2200 (supposition de l'abandon des énergies fossiles). Cette simulation sera menée en deux temps, avec pour chaque "sous-simulation" des techniques différentes de modélisation (portant sur le modèle cryosphérique et sur les échanges d'eau entre l'Atlantique Nord et l'atmosphère) : le réchauffement global est confirmé, mais une des simulations montre aussi un refroidissement local en Atlantique Nord (jusqu'à 4°C de moins) suite au ralentissement de la circulation profonde.

Il ressort de ces premières simulations que la circulation thermohaline peut fonctionner selon deux modes (confirmés par des simulations ultérieures):


  • "warm mode" ou "glacial on mode" : c'est le mode de circulation thermohaline actuel (avec plongée convective du Gulf Stream en Mer de Norvège), mais il est instable sous climat glaciaire.
  • "cold mode" ou "glacial off mode" : dans ce mode de fonctionnement, les eaux du Gulf Stream plonge au sud de l'Islande (donc une circulation thermohaline affaiblie).

Un mode donné n'est qu'un état d'équilibre du système "circulation thermohaline". La moindre perturbation peut faire basculer ce système dans un autre nouvel équilibre : on passe alors rapidement d'un mode à l'autre. De plus, pour des raisons complexes de réactivité de ce système, il ne suffit pas d'éliminer la perturbation, voire d'y opposer une autre perturbation antagoniste pour revenir à l'équilibre initial : le système s'emballe durablement => c'est le phénomène d'hystérésis (il faut au contraire opposer une perturbation antagoniste bien plus importante !).



Actuellement, d'autres équipes sont venues étoffer les groupes de départ, et chaque modèle a été mis à contribution pour simuler le comportement de la circulation thermohaline mondiale. Ainsi :

  • modèle GFDL (USA) : un doublement du [CO2] diminue de 50% la ventilation profonde, qui ne se rétablit que 500 ans plus tard. Si ce taux est quadruplé, on a alors un arrêt total de la ventilation, qui mettra au moins 1000 ans pour redémarrer.
  • modèle HadCM3 (GB) : une simulation "classique" (c'est-à-dire avec les scénarios du GIEC) montre une diminution de 25% de la ventilation profonde, avant tout par arrêt de formation d'eau profonde en Mer du Labrador, et un arrêt probable si le taux de CO2 atteint 675 ppmv.

Ci-dessous, nous observons une simulation de la variation du flux nord-atlantique (donc le Gulf Stream), notée en Sv (1 Sv = 1 Sverdrup = 1 million de m3/s). Actuellement, la valeur moyenne du flux actuel est de 25 Sv. D'après ces simulations, le flux nord-atlantique pourrait diminuer de 1 à 14 Sv. Il faut noter cependant que quelques modèles prévoient au contraire une stabilisation du flux dans l'avenir (après éventuellement une légère baisse initiale).

Gulf Stream futur
Simulation de la variation du flux océanique en Atlantique Nord (1850-2100) scénario ? (source : Climate Change 2001, The Scientific Basis, GIEC)

Le groupe de simulation suivant provient du CERFACS (Centre Européen pour la Recherche et la Formation Avancée en Calcul Scientifique). La courbe PlCntrl est une simulation de contrôle, avec les taux préindustriels en GES. La courbe 20C3M/Commit utilise les taux observés de 1860 à nos jours. Les autres courbes, notées SRESXXX sont des simulations basées sur les taux en GES définis par les scénari du SRES. On remarque à chaque fois une diminution du régime du Gulf Stream.

simulation CERFACS
Simulation du flux océanique (en Sv) en Atlantique Nord (1750-2300) (source : Christophe Cassou, CERFACS)

 

Toutes les équipes scientifiques sont donc d'accord sur une perturbation de la circulation thermohaline dans le cadre du réchauffement climatique actuel, par apport accrue d'eau douce en Atlantique Nord et répercussions sur la Dérive Nord-Atlantique. Mais qu'en est-il du climat ?


Les deux simulations suivantes sont proposées par la NASA et le GISS (Goddard Institute for Space Studies), à l'aide de leur propre modèle 4x3 aom-2004 (malheureusement le résultat est à faible résolution spatiale). Le scénario utilisé (appelé SULs) prend en compte les taux de CO2, sulfates et CFC :

On remarque une diminution de la salinité dans l'océan glacial arctique (jusqu'à 1.8 %o) et un refroidissement des eaux de surface (jusqu'à -0.8°C) en mer de Norvège et près du Labrador. Il faut noter que ces effets se retrouvent, dans une moindre mesure, en Antarctique.

SOS2090

Simulation de la variation de salinité de surface en 2100 (par rapport à 1950) modèle 4x3 aom-2004, scénario SULs (source : aom.giss.nasa)

TOS2090
Simulation de la variation de température de surface en 2100 (par rapport à 1950) modèle 4x3 aom-2004, scénario SULs (source : aom.giss.nasa)

Deux autres modèles, CGCM1 et CGCM2 (développés par le CCmaC, Canada), proposent des résultats comparables au niveau de l'atlantique nord, avec cependant un "retard" du réchauffement au lieu d'un refroidissement :

cgcm2_fig2

Simulation de la variation de température de surface pour la période 2041-2060 (par rapport aux valeurs réelles de la période 1971-1990) modèles CGCM1 et CGCM2, scénario IS92a (source image : http://www.cccma.bc.ec.gc.ca/french/models/cgcm2.shtml)

 

Cette fois-ci, les résultats de simulation peuvent diverger. En fait, pour la majorité des modèles climatiques actuels, on ne voit presque jamais un refroidissement local dans l'hémisphère Nord.


CONSTAT FUTUR

La majorité des modèles, même s'ils enregistrent une diminution de la circulation thermohaline, confirment cependant le réchauffement climatique global, sans refroidissement significatif dans l'hémisphère Nord. Il existe deux explications à cela, dont Broecker s'est fait le porte-parole le plus actif et très bien résumées dans ses deux articles de 1997 et 1999 (extraits de GSA Today) que nous vous conseillons vivement de lire, de même que l'exposé d'Edouard Bard (2004) qui est une bonne synthèse des simulations exposées ci-dessus et des incertitudes pour les prévisions futures. Ces trois articles sont les suivants (cliquez sur l'icône à gauche pour les ouvrir):

 

 

icopdf   Wallace Broecker, "Will Our Ride into the Greenhouse Future be a Smooth One?" GSA Today 7(5):1-7 (May 1997)
icopdf  W. S. Broecker, "What If the Conveyor Were to Shut Down? Reflections on a Possible Outcome of the Great Global Experiment," GSA Today 9(1):1-7 (January 1999)
icopdf Evolution du climat et de l'océan, impacts de la variabilité climatique rapide sur les continents. (E. Bard 2004)

  • explication technique : d'après Broecker, nos modèles actuels, même les plus performants, ne sont pas suffisamment fiables pour pouvoir prédire un éventuel refroidissement brutal de l'hémisphère Nord. Ce manque de fiabilité tient tout simplement à notre manque de connaissances des interrelations intimes entre les divers compartiments en jeu (océans, atmosphère, cryosphère, mais aussi économie humaine) et à la nécessaire simplification des modèles climatiques utilisés.
  • explication scientifique : les conditions de départ actuelles sont bien différentes des conditions initiales passées ayant engendré un évènement de Heinrich. En effet, la température et les taux de CO2, pour ne citer qu'eux, sont bien supérieurs aux valeurs passées. Il n'est donc pas possible de faire un rapprochement entre un phénomène climatique passé et futur.

Une seule chose semble certaine, la circulation thermohaline va être perturbée par le réchauffement global. Mais quelle conséquence sur le climat ? Rien n'est sûr actuellement.


retour