Nous modifions le système Terre à une vitesse sans précédent sans en connaître les conséquences en détail. De plus en plus détaillé, les modèles basés sur la physique s'améliorent régulièrement, mais une compréhension approfondie des incertitudes persistantes fait encore défaut. Les deux principaux défis ont été d'obtenir la quantité de détails nécessaire dans les modèles et de prédire avec précision comment le dioxyde de carbone anthropique perturbe le climat intrinsèque, variabilité naturelle. La voie à suivre pour surmonter ces deux obstacles est désormais tracée dans une revue complète publiée dans Critiques de la physique moderne par Michael Ghil et Valerio Lucarini du projet de science climatique de l'UE Horizon 2020 TiPES.

« Nous proposons des idées pour effectuer des simulations climatiques beaucoup plus efficaces que ne le permet l'approche traditionnelle consistant à s'appuyer exclusivement sur des modèles de plus en plus grands. Et nous montrons comment extraire beaucoup plus d'informations à un pouvoir prédictif beaucoup plus élevé de ces modèles. Nous pensons que c'est un outil précieux, manière originale et bien plus efficace que beaucoup de choses qui se font, " dit Valerio Lucarini, professeur de mathématiques et statistiques à l'Université de Reading, Royaume-Uni et au CEN, l'Institut de météorologie, Université de Hambourg, Allemagne.

Une telle approche est urgente, parce que les modèles climatiques actuels échouent généralement à effectuer deux tâches importantes. D'abord, ils ne peuvent pas réduire l'incertitude dans la détermination de la température globale moyenne à la surface après un doublement du dioxyde de carbone (CO 2 ) dans l'atmosphère. Ce nombre est appelé sensibilité climatique d'équilibre, et en 1979, il a été calculé à 1,5 à 4 degrés Celsius. Depuis, l'incertitude s'est accrue. Aujourd'hui, il est de 1,5 à 6 degrés malgré des décennies d'amélioration des modèles numériques et d'énormes gains de puissance de calcul sur la même période.

Seconde, les modèles climatiques peinent à prédire les points de basculement, qui se produisent lorsqu'un sous-système, c'est-à-dire un courant marin, une calotte glaciaire, un paysage, un écosystème passe soudainement et irrévocablement d'un état à un autre. Ce genre d'événements est bien documenté dans les documents historiques et constitue une menace majeure pour les sociétés modernes. Toujours, ils ne sont pas prédits par les modèles climatiques haut de gamme sur lesquels reposent les évaluations du GIEC.

Ces difficultés sont fondées sur le fait que la méthodologie mathématique utilisée dans la plupart des calculs climatiques à haute résolution ne reproduit pas de manière adéquate le comportement chaotique déterministe ni les incertitudes associées en présence d'un forçage dépendant du temps.

Le comportement chaotique est intrinsèque au système Terre, autant de physique, chimique, les processus géologiques et biologiques s'échelonnent sur des échelles de temps allant de la microseconde au million d'années, y compris la formation de nuages, sédimentation, érosion, courants océaniques, modèles de vent, humidité, photosynthèse etc. En dehors de cela, le système est forcé principalement par le rayonnement solaire, qui varie naturellement dans le temps, mais aussi par des modifications anthropiques de l'atmosphère. Ainsi, le système Terre est très complexe, chaotique déterministe, stochastiquement perturbé et jamais en équilibre.

"Ce que nous faisons, c'est essentiellement étendre le chaos déterministe à un cadre mathématique beaucoup plus général, qui fournit les outils pour déterminer la réponse du système climatique à toutes sortes de forçages, déterministe et stochastique, " explique Michael Ghil, professeur à l'Ecole Normale Supérieure et à l'Université PSL de Paris, France et à l'Université de Californie, Los Angeles, NOUS..

Les idées fondamentales ne sont pas si nouvelles. La théorie a été développée il y a des décennies, mais c'est une théorie mathématique très difficile appelant à une coopération multidisciplinaire entre experts afin d'être mise en œuvre dans des modèles climatiques. De telles approches interdisciplinaires ont lentement émergé, impliquant la communauté des sciences du climat ainsi que des experts en mathématiques appliquées, physique théorique et théorie des systèmes dynamiques. Les auteurs espèrent que l'article de synthèse accélérera cette tendance car il décrit les outils mathématiques nécessaires à un tel travail.

« Nous présentons une compréhension cohérente du changement climatique et de la variabilité climatique dans un cadre cohérent bien défini. Je pense que c'est une étape importante dans la résolution du problème. Parce que tout d'abord, vous devez le poser correctement. nous utilisons les outils conceptuels dont nous discutons abondamment dans notre article, nous pourrions espérer aider la science du climat et la modélisation du climat à faire un bond en avant, " dit Valerio Lucarini.