Comment mesurer le réchauffement climatique ?
La question semble essentielle et simple pour le changement climatique : dans quelle mesure la surface de notre planète se réchauffe-t-elle ? Si l'on s'intéresse à cette question, on arrive rapidement à d'autres questions fondamentales : qu'est-ce que la température, et comment la mesure-t-on ? Et que faut-il pour déterminer la température globale au fil du temps ?
Des chercheurs de l'agence météorologique américaine NOAA ont récemment révisé les données de température globale et sont arrivés à la conclusion que la Terre s'était bel et bien réchauffée au cours des 15 à 20 dernières années (voir à ce sujet mon dernier article sur le sujet). Article de blog). Des études antérieures ont en revanche montré que le réchauffement de la planète stagnait. Cette soi-disant "pause climatique" a fait et fait toujours l'objet d'un vif débat. La nouvelle courbe de température ne diffère que très peu des données précédentes, mais elle montre néanmoins une tendance à la hausse pour les dernières années. Pourquoi est-il si difficile de déterminer la température globale de manière fiable ?
Pas une, mais des milliers de températures
D'un point de vue physique, la température est une grandeur d'état qui, pour simplifier, est liée au mouvement des particules d'une substance : pour un gaz idéal, elle caractérise l'énergie cinétique moyenne des molécules, c'est-à-dire l'intensité du mouvement des particules. Mais un gaz idéal n'est aussi qu'une représentation modélisée qui ne nous aide pas beaucoup à elle seule. C'est pourquoi les météorologues désignent la température à des fins pratiques comme la grandeur qu'un thermomètre mesure dans l'air à l'ombre. Le problème se déplace ainsi vers les questions de savoir ce qu'un thermomètre mesure exactement (par exemple dans quelle mesure le mercure se dilate lorsqu'il se réchauffe), comment le construire et comment le comparer à d'autres instruments.
Mais les vraies difficultés sont à venir. La température globale à la surface de la Terre est une construction complexe composée de milliers de mesures dans l'eau et sur terre, qui étaient autrefois effectuées à la main, mais qui sont aujourd'hui généralement automatisées par les stations de mesure les plus diverses. Le problème, c'est que les systèmes et les méthodes de mesure sont très différents les uns des autres. Et ils évoluent au fil du temps. C'est pourquoi nous devons d'abord rendre les différents systèmes et ensembles de données comparables afin de pouvoir les combiner. Nous uniformisons (homogénéisons) donc les données et les faisons correspondre (calibrons). Des modèles et des procédures statistiques sophistiqués sont nécessaires pour produire une image homogène à partir de données lacunaires provenant de différents instruments et de différentes époques.
Mesures sur terre
Les mesures de température sur terre posent de nombreuses difficultés qui illustrent à quel point il est délicat de déterminer ne serait-ce qu'une température continentale : Tout d'abord, la température de l'air est généralement mesurée à proximité de b?timents, d'aéroports ou de villes. En été, il fait plus chaud sur un parking que dans une prairie. Non pas que l'on mesure sur un parking, mais l'effet est clair : il fait plus chaud à proximité des villes, et il faut corriger cet "urban heat island effect".
Deuxièmement, les stations de mesure se déplacent avec le temps : de nouvelles sont construites, les anciennes sont éliminées. A cela s'ajoute le fait qu'auparavant, les météorologues n'exploitaient pas les stations de mesure pour le climat, mais pour la météo quotidienne. Que l'on mesure à l'aéroport derrière ou devant la maison ou au bord de la piste n'est pas très important pour les opérations aériennes, mais l'est pour des séries temporelles cohérentes à long terme. Un nouveau b?timent ou une station déplacée entra?nent rapidement des sauts dans la série de mesures, qu'il faut corriger. Si les changements sont documentés, il est alors relativement facile de les corriger, mais de telles informations font défaut pour de nombreuses anciennes séries de mesures.
La manière de mesurer a changé. Autrefois, on mesurait en partie sur les fa?ades des maisons, du c?té ombragé, alors qu'aujourd'hui, on mesure à deux mètres au-dessus du sol, en plein air, à l'ombre. Autrefois, on lisait le mercure à l'?il nu sur les thermomètres manuels et on prenait simplement la moyenne du minimum et du maximum de la journée pour calculer la moyenne journalière, alors qu'aujourd'hui, on effectue des mesures numériques aussi souvent qu'on le souhaite.
Mesures en mer
Les données de température des océans du monde entier sont fournies depuis toujours par les navires marchands et, plus récemment, par les bouées météorologiques. Au-dessus de l'océan lui-même, il n'existe que peu de mesures de la température de l'air, et elles ne sont utilisables que la nuit, car les navires se réchauffent fortement pendant la journée sous l'effet du soleil. Il faut en outre tenir compte du fait que les bateaux deviennent plus grands, ce qui permet de mesurer toujours plus haut au-dessus de l'eau.
Nous disposons de séries de mesures plus fiables et plus longues des températures de l'eau à la surface de la mer. Au début du 20e siècle, on jetait pour cela des chaudières du bateau au bout d'une corde, puis on aspirait l'eau directement dans la salle des machines. Nous savons depuis longtemps que la méthode de la chaudière donne des valeurs trop basses, parce que l'eau s'évapore et se refroidit, alors que les mesures dans la salle des machines chaude sont trop élevées à cause des moteurs. On essaie de corriger tout cela. Mais ce n'est pas facile, car chaque navire est différent.
Il existe aussi de plus en plus de bouées marines qui ont été développées spécifiquement pour l'observation du climat et qui effectuent des mesures très précises. Si l'on veut combiner ces nouvelles données plus précises des bouées avec les anciennes données des bateaux, elles doivent elles aussi être calibrées.
Mesures en orbite terrestre
Enfin, les satellites ne mesurent pas la température, mais le rayonnement dans certaines longueurs d'onde, et ils n'existent que depuis 1979. Ils ont eux aussi leurs inconvénients : au fil des ans, les satellites se retrouvent sur une orbite plus basse en raison des frottements - une correction insuffisante de cet effet a longtemps conduit à des tendances surestimées dans la troposphère supérieure.
Couverture lacunaire
On est encore loin d'avoir reconstitué toutes les données qui ont été mesurées. Il existe encore une multitude de données manuscrites de navigateurs sur les anciennes routes maritimes, mais leur interprétation n'est pas simple et leur numérisation est laborieuse. Chaque navire a pris des mesures différentes, les positions des navires ne sont connues que de manière imprécise et des erreurs se produisent lors de la numérisation : des lignes sont sautées, des virgules sont déplacées. De manière générale, le facteur humain n'est pas à négliger : Il y a eu des cas où les mesures de température semblaient toujours étranges lorsqu'il faisait froid ou qu'il neigeait, jusqu'à ce que l'on découvre que l'observateur avait simplement fait une estimation par mauvais temps au lieu d'aller à la station à l'extérieur.
En dehors des routes maritimes, les données sont rares, en particulier dans l'Arctique. Les stations situées sur la glace de mer ont la f?cheuse tendance à tomber dans la mer lorsque la glace fond en été. La température globale n'est donc pas globale, et cela peut être facilement visualisé (voir à ce sujet notre animation de la page externetempérature globale). C'est d'autant plus vrai que l'on remonte dans le temps - sauf si l'on fait des hypothèses statistiques supplémentaires sur la répartition des températures pour les endroits dont on ne dispose pas de données.
La température de la Terre est une estimation
Pour obtenir une température moyenne globale, nous faisons donc différentes hypothèses sur les instruments, les calibrages et les modèles spatiaux de la répartition des températures. C'est pourquoi la courbe de température globale est toujours une estimation et n'est jamais tout à fait exacte. Cela ne signifie pas pour autant que le résultat n'est pas fiable - après tout, les différentes reconstructions de température concordent très bien. Mais les détails changeront aussi à l'avenir, au fur et à mesure de l'acquisition de nouvelles connaissances. Les longues séries de données d'observation combinent des observations et des mesures efficaces avec une compréhension instrumentale et des calibrations. Cela implique inévitablement des incertitudes. Mais nous avons bien appris à nous en accommoder.