Le réchauffement polaire pourrait être sous-estimé par les modèles climatiques, suggère une variabilité climatique vieille d’environ 50 millions d’années

Les régions polaires sont connues pour se réchauffer à un rythme plus rapide que les régions plus basses, le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat évoquant une augmentation d’environ 5 °C de la température de l’air sur les masses terrestres de l’Arctique au cours du XXe siècle et les taux les plus élevés d’environ 1 °C par décennie depuis les années 1980. De toute évidence, cette soi-disant « amplification polaire » du réchauffement, définie comme le rapport entre le réchauffement des hautes latitudes (> 60 ºN/S) et des basses latitudes (< 30 ºN/S), est un problème important qui affecte non seulement les organismes qui vivent dans les régions polaires, mais aussi l'impact de ce phénomène sur le reste de la planète.

Plus précisément, la glace terrestre et marine de l’Arctique et de l’Antarctique joue un rôle majeur dans la modulation du climat par le biais des rétroactions glace-albédo. Cela se produit parce que la glace est « blanche », ce qui reflète le rayonnement solaire entrant et contribue à maintenir à la fois la température et les masses de glace.

Cependant, à mesure que le climat se réchauffe et que la glace fond, une plus grande partie de la surface terrestre et marine, comparativement plus sombre, est exposée, ce qui absorbe le rayonnement solaire entrant, réchauffant davantage l’environnement ambiant et provoquant une fonte supplémentaire, et ainsi la boucle continue.

Une telle boucle de rétroaction suscite des inquiétudes pour l’avenir de nos régions polaires, mais ce n’est pas le seul mécanisme par lequel un monde sans glace peut se produire, car les changements dans l’humidité atmosphérique et les nuages ​​peuvent avoir un impact sur le rayonnement. En fait, on ne sait pas exactement dans quelle mesure l’albédo et les processus atmosphériques contribuent à l’amplification polaire, ce qui pose également de grandes incertitudes quant à l’ampleur du réchauffement polaire et de la fonte des glaces à venir.

Heureusement, nous pouvons nous pencher sur le passé géologique pour analyser une période pendant laquelle la Terre était libre de glace. Cela exclut les changements importants de l’albédo de la glace comme force motrice, de sorte que toute l’amplification polaire a été causée par des processus atmosphériques. Une telle période est connue depuis l’Éocène, en particulier la première partie de l’Yprésien, qui s’est produite il y a environ 48 à 56 millions d’années (Ma), et a vu les températures moyennes de surface augmenter de 10 à 16 °C au-dessus des niveaux d’avant la révolution industrielle.

Nouvelle recherche publiée dans Le climat du passé a désormais quantifié l’amplification polaire de la variabilité climatique mondiale causée par les variations de l’orbite de la Terre autour du soleil (cycles de Milankovitch), en particulier lors d’une succession de cycles de courte durée (
Chris Fokkema, chercheur en doctorat à l’Université d’Utrecht, aux Pays-Bas, explique l’importance d’étudier l’amplification polaire, en particulier pendant cet intervalle de l’histoire de la Terre : « À l’heure actuelle, l’amplification polaire est une incertitude clé dans les prévisions du réchauffement climatique futur, les dernières estimations du modèle du GIEC allant d’un facteur 2 à 4. Le réchauffement polaire a des conséquences mondiales, car la fonte des calottes glaciaires provoque une élévation du niveau de la mer, mais aussi parce que le dégel du pergélisol peut libérer de grandes quantités de dioxyde de carbone. »

« Deux facteurs contrôlent de manière dominante l’amplification polaire – l’albédo de la glace et les rétroactions atmosphériques – qui ne peuvent pas être facilement séparées puisque les deux sont actifs à l’ère moderne. Les données permettant de valider la théorie devront provenir du paléoclimat. Pour quantifier les rétroactions d’amplification polaire non liées à l’albédo de la glace, nous avons ici reconstitué l’amplification polaire dans l’état climatique sans glace du début de l’Éocène.

« Auparavant, cela n’était possible que sur des échelles de temps de plusieurs millions d’années (très loin du changement climatique actuel) car aucun enregistrement de la température de surface de la mer tropicale à plus haute résolution n’était disponible. Ici, nous avons résolu ce problème en générant un enregistrement de la température de surface de la mer avec une résolution d’environ 4 000 ans dans un endroit tropical. »

Pour ces intervalles hyperthermiques, les variations de température des océans de haute latitude étaient déjà connues grâce aux reconstructions de température de l’océan profond, qui, comme à l’époque moderne, provenaient des hautes latitudes au cours de l’Éocène.

La pièce manquante pour évaluer l’amplification polaire était la reconstitution de la température de surface de la mer de l’Éocène dans les tropiques. Par conséquent, Fokkema et ses collègues ont utilisé des biomarqueurs lipidiques de membrane cellulaire provenant de micro-organismes Nitrososphaera pour résoudre ce problème.

Cette relation des micro-organismes en tant qu’enregistreurs de température du passé géologique est basée sur le TEX₈₆ paléothermomètre.

Fokkema révèle plus en détail le fonctionnement de ce procédé : « Cette méthode repose sur l’analyse des lipides membranaires des archées (Nitrososphaera) qui vivent près de la surface de l’océan. Le principe simple de cette méthode est que ces archées produisent relativement plus d’anneaux dans leurs molécules lipidiques membranaires à des températures ambiantes plus élevées, afin de conserver leur rigidité membranaire. Ces molécules sont très bien conservées dans les sédiments après avoir atteint le fond de l’océan, ce qui nous permet de les extraire des sédiments marins anciens. »

« Nous avons mesuré l’occurrence relative de ces différentes structures de lipides membranaires dans nos échantillons de sédiments, qui a ensuite été reliée à une température de surface de la mer en utilisant les relations actuelles. Nous avons choisi le TEX₈₆ méthode car ces lipides étaient abondants dans ces sédiments uniques et la méthode fonctionne bien pour reconstituer les températures chaudes > 36 ºC des tropiques du début de l’Éocène.

Les scientifiques ont analysé les sédiments des carottes du programme de forage océanique dans l’océan Atlantique tropical au large des côtes de l’Afrique du Nord (site 959) et ont découvert que la variabilité de la température dans les tropiques était équivalente dans le temps à celle des hautes latitudes pendant les hyperthermies, mais aussi à travers les cycles de Milankovitch, fournissant une preuve solide que ces variations étaient mondiales.

Ces résultats démontrent l’existence d’un lien entre les cycles orbitaux, la variabilité de la température globale et la teneur en carbone de l’atmosphère. Compte tenu de tout cela, les scientifiques attribuent le forçage orbital à l’un des principaux facteurs de modification du cycle du carbone, qui est lié à l’apport de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, ce qui aggrave le réchauffement climatique. Ils citent les sols, les tourbières, le pergélisol et les hydrates de méthane comme sources potentielles majeures de libération de carbone.

L’équipe de recherche a également identifié que les températures des océans aux hautes latitudes pendant les cycles hyperthermiques et orbitaux variaient environ deux fois plus (de 1,7 à 2,3) que celles de la surface des océans tropicaux, ce qui implique que les régions polaires sont plus chaudes. Ainsi, même pendant l’Éocène sans glace, les hautes latitudes se sont réchauffées et refroidies deux fois plus que les régions tropicales, sans rétroactions glace-albédo, ce qui suggère de fortes rétroactions atmosphériques.

De plus, en raison de l’amplification polaire, le gradient de température entre les eaux profondes des océans provenant des pôles et la température de surface de la mer tropicale était plus faible pendant les hyperthermies. La température moyenne globale de la surface de la mer pour les hyperthermies de l’Éocène a augmenté d’environ 1 à 1,5 °C pendant ces événements, ce qui est comparable aux taux actuels d’environ 1 °C.

Fokkema et ses collègues ont ensuite comparé ce facteur d’amplification polaire de l’Éocène avec celui calculé par les mêmes modèles climatiques qui sont utilisés pour projeter les changements climatiques futurs, mais ensuite adaptés à la géographie de l’Éocène et aux conditions sans glace.

Ces résultats ont montré que les modèles sous-estiment l’amplification polaire (1,1–1,3x). Par conséquent, cela peut impliquer que les modèles sous-estiment l’impact du réchauffement dans l’Arctique et l’Antarctique. Il est essentiel de comprendre comment l’amplification polaire pourrait progresser à l’avenir pour évaluer comment le dégel du pergélisol et la fonte des calottes glaciaires peuvent influencer l’élévation du niveau de la mer, ainsi que le cycle du carbone.

« Notre nouvelle étude montre que le réchauffement actuel est déjà de la même ampleur que certains de ces phénomènes hyperthermiques, qui ont eu un impact important sur le climat et les océans », conclut Fokkema. « En comparant ce nouveau record aux températures des eaux de fond des océans déjà publiées, nous avons pu calculer l’amplification polaire sur de courtes échelles de temps lors de multiples changements de température mondiaux forcés par l’orbite.

« Nous avons trouvé un facteur d’amplification polaire de ±2. Il est intéressant de noter que ce facteur est légèrement supérieur à l’amplification polaire que les modèles climatiques prédisent dans un monde sans glace du début de l’Éocène, ce qui peut impliquer que les modèles climatiques sous-estiment le réchauffement polaire à l’avenir. »

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