Comprendre la variabilité chaotique du climat et sa réponse au changement climatique pourrait aider les scientifiques à mieux prévoir les changements qui échappent encore aux modèles les plus sophistiqués.

Un cadre mathématique proposé dans la revue Critiques de la physique moderne vise à intégrer de manière cohérente l'interaction entre la variabilité normale du climat, en raison d'innombrables processus se produisant constamment sur la terre de la Terre, océans, et ambiance, et les influences anthropiques et naturelles, ce qui n'est toujours pas pris en compte de manière satisfaisante dans les prévisions climatiques actuelles.

Cela pourrait permettre des prévisions plus précises des impacts les plus extrêmes des émissions de gaz à effet de serre d'origine humaine et des événements naturels, tels que les points de basculement associés à la fonte de la banquise ou aux changements de température irréversibles.

L'étude a été dirigée par le professeur Valerio Lucarini de l'Université de Reading et son collègue le professeur Michael Ghil de l'Ecole Normale Supérieure de Paris, La France, et l'Université de Californie aux États-Unis, et a été soutenu par le projet de science climatique de l'UE Horizon 2020 TiPES (Tipping Points in the Earth System). TiPES est coordonné et dirigé par l'Institut Niels Bohr de l'Université de Copenhague, Danemark.

La Terre change à une vitesse sans précédent, pourtant, il y a encore une grande incertitude quant aux conséquences. De plus en plus détaillé, les modèles basés sur la physique s'améliorent régulièrement, mais une compréhension approfondie des incertitudes persistantes fait encore défaut.

Le nouveau cadre propose une voie pour surmonter les deux principaux défis pour accroître cette compréhension :obtenir la quantité de détails nécessaire dans les modèles, et prédire avec précision comment le dioxyde de carbone anthropique perturbe le climat intrinsèque, variabilité naturelle.

"Nous proposons des idées pour effectuer des simulations climatiques beaucoup plus efficaces que l'approche traditionnelle consistant à s'appuyer exclusivement sur des modèles de plus en plus gros, " a déclaré le professeur Valerio Lucarini, du Département de Mathématiques et Statistiques de l'Université de Reading, et l'Institut météorologique CEN de l'Université de Hambourg, Allemagne.

"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 beaucoup plus efficace que beaucoup de choses qui se font."

Échecs du modèle

Les auteurs soutiennent qu'une nouvelle approche est nécessaire de toute urgence, car les modèles climatiques actuels ne parviennent généralement pas 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 dans l'atmosphère. Ce nombre est appelé sensibilité climatique d'équilibre et en 1979, il a été calculé à 1,5-4 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 au cours de 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 ou 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 avec une précision suffisante 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 bien le comportement chaotique déterministe ni les incertitudes associées en présence de forçages déterministes et stochastiques dépendant du temps.

Un monde chaotique

Le comportement chaotique est intrinsèque au système Terre en tant que physique très différent, chimique, des processus géologiques et biologiques comme la formation de nuages, sédimentation, érosion, courants océaniques, modèles de vent, humidité, la photosynthèse, etc. s'échelonne sur des échelles de temps allant de la microseconde au million d'années. Mis à part 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.

Le professeur Ghil a déclaré :"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 aussi bien que stochastique."

Les idées fondamentales de l'approche proposée ne sont pas entièrement nouvelles, comme la théorie mathématique a été développée il y a des décennies. Cependant, le mérite de l'article est de rendre la théorie accessible et utilisable pour la recherche climatique et de fournir des outils utilisables pour améliorer et tester les modèles climatiques. De telles approches interdisciplinaires impliquant la communauté des sciences du climat ainsi que des experts en mathématiques appliquées, la physique théorique et la théorie des systèmes dynamiques ont émergé trop lentement jusqu'à présent.

Les auteurs espèrent que l'article de synthèse accélérera cette tendance car il décrit les outils mathématiques nécessaires à un tel travail.

Le professeur Lucarini a déclaré:"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, car il faut avant tout le poser correctement. Donc l'idée est, si 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."

La nouvelle revue suit de près un autre article de la revue Non-linéarité .

Cet article a examiné l'utilisation de mathématiques complexes pour améliorer la compréhension des points de basculement dans le système Terre grâce au concept d'états mélancoliques, et mieux prédire les changements des systèmes qui peuvent changer radicalement leur état. Il s'agit notamment de l'écologie, biologique, systèmes sociaux et autres.