Des températures en baisse

1Si on la compare à la partie la plus chaude du XX^e siècle, après les années 1980, la baisse de la température au cours du Petit Âge Glaciaire aurait été significative. Peut-on en effet concevoir que la ligne d’équilibre des glaciers ait pu être abaissée de 100 m à 400 m au niveau mondial, sans que la température y soit pour quelque chose ? Difficile, même si d’autres facteurs au niveau régional, tels que les précipitations, ont eu leur rôle à jouer dans l’expansion des glaciers. Examinons la question de plus près : que sait-on des variations de température au cours du PAG ?

2Les informations climatiques portant sur les 1 000 à 2 000 dernières années (encadré 5) proviennent de sources variées et hétérogènes : dendrochronologie, carottes de glace, coraux, archives sédimentaires, données historiques comme les dates de vendange, etc. La météorologie est née au XVI^e siècle et sa mise en application à travers les réseaux de mesure date seulement de la fin du XVIII^e siècle. Les premiers pas ont été timides : après l’invention du thermomètre par Galilée en 1590, les premières mesures quantitatives sont réalisées en 1650 et les débuts des thermomètres étalonnés sur les points de congélation et d’ébullition par Anders Celsius remontent à 1742. Les observations isolées des températures journalières voient le jour vers le milieu du XVII^e siècle, et parmi elles, on se doit de citer une extraordinaire série recueillie dans le centre de l’Angleterre depuis 1659 et compilée par Gordon Manley. Pour pouvoir s’appuyer sur des données instrumentales, il faut attendre la fin du XVIII^e siècle et l’apparition des premiers réseaux de mesure. Avant cette date, ce sont les indicateurs indirects qui donnent l’information. Que révèlent-ils ?

Figure 13. Comparaison de trois reconstitutions de températures publiées pour le dernier millénaire.

Les massifs de l’Antizana (5 760 m) en Équateur. Calotte de glace dominant l’Amazonie, ce volcan actif comporte les seules glaciers actuellement surveillés à proximité de l’équateur (0° 28’ S).

3Le PAG sur toute sa durée s’est caractérisé par une baisse de la température par rapport aux moyennes de la fin du XX^e siècle (1961-1990) de l’ordre de 0,5 °C, une estimation qui peut varier selon les reconstitutions. Sur des périodes courtes, inférieures à trente ans, la baisse a pu être plus importante, atteignant 0,6-0,8 °C. Les moyennes au niveau hémisphérique, comme toujours, donnent des valeurs plus faibles que les reconstitutions établies pour des régions particulières, qui ont pu connaître de plus fortes variations : ainsi, les températures observées dans le centre de l’Angleterre entre 1659 et 1700 sont inférieures de 0,8 °C à celles de la seconde moitié du XX^e siècle (1961-1990) selon Anders Moberg, de l’université de Stockholm.

4Les moyennes cachent aussi des disparités au cours du temps : l’épisode reconnu au niveau mondial comme le plus froid se situe dans la seconde moitié du XVII^e siècle et dans les premières années du XVIII^e, mais, peu après, la décennie 1729-1738 a été chaude dans l’hémisphère nord, notamment les étés, avec un niveau supérieur de 0,4 ° C à la moyenne du XX^e siècle pris dans son entier. Cet épisode aux étés chauds, avec une forte ablation sur les glaciers, explique sans doute que ceux-ci aient accéléré leur recul dans les Alpes avant 1750, après la série de crues des années 1570-1650, liées en partie à la chute des températures.

5En revanche, d’autres périodes de retrait, et non des moindres, comme celle qui met fin au Petit Âge Glaciaire entre 1830 et 1880 dans beaucoup de massifs dont les Alpes, ne sont pas visibles sur les courbes des températures. En effet, le réchauffement ne s’exprime vraiment qu’à partir du début du XX^e siècle, alors que les glaciers sont en recul depuis 1850. Dans les Alpes, nous avons montré26 que la crue des années 1760-1830 – la dernière importante du PAG – a été moins liée à une baisse de la température (celle-ci est proche de sa moyenne du XX^e, mis à part l’épisode froid de 1805-1820) qu’à une augmentation notable, de l’ordre de 25 %, des précipitations d’hiver. Inversement, la décrue précoce qui a suivi et qui a affecté à partir des années 1830 beaucoup de glaciers réagissant rapidement aux conditions climatiques, comme le glacier des Bossons dans la vallée de Chamonix (mais pas celui d’Aletsch, rappelons-le), serait due à une baisse des précipitations hivernales.

6En effet, si une température inférieure de quelques fractions de degrés Celsius à celle du XX^e siècle a été nécessaire pour maintenir des glaciers à des altitudes basses sur l’ensemble du PAG, la dernière phase d’extension dans les Alpes semble en revanche avoir été davantage liée à des changements affectant les quantités de précipitations tombant sur le glacier, notamment en hiver. À l’inverse, les températures très basses qui ont régné entre 1650 et 1715, c’est-à-dire au cours du minimum d’insolation de Maunder (voir plus loin), n’ont pas amené les glaciers alpins à leur maximum d’extension. Il serait donc imprudent de considérer les fluctuations glaciaires comme résultant des seuls changements de températures : les précipitations sont également un paramètre important et ce sont elles qui peuvent être à l’origine des crues glaciaires les plus marquantes. Le cas de la Scandinavie est là pour nous le rappeler : les grandes poussées glaciaires d’avant le milieu du XVIII^e siècle s’y sont produites par des températures estivales et hivernales assez clémentes par rapport à leur niveau d’avant 1715 et des précipitations hivernales élevées.

7Quelle est l’origine du refroidissement climatique généralisé qui a pris place entre le XIV^e siècle et la fin du XIX^e siècle, marqué par des extrêmes dans la seconde moitié du XVII^e et autour de 1810-1820 ? En passant en revue les causes possibles, nous allons voir que les candidats ne manquent pas.

Volcanisme, éclairement solaire, circulation atmosphérique et océanique

8Fréquence des éruptions volcaniques, variations de l’éclairement du soleil, changements dans la circulation atmosphérique et océanique au moins en partie provoqués par ces facteurs, sans doute tient-on là le trio des raisons possibles qui expliquent ce soubresaut climatique, mais aucune ne parvient pour l’heure à s’imposer au point d’exclure les autres.

L’effet refroidissant du voile volcanique

9Une éruption importante à caractère explosif envoie de grandes quantités de dioxyde de soufre à plus de 10-20 km d’altitude, soit dans la stratosphère, et y forme un aérosol sulfaté composé de minuscules gouttelettes qui finissent par retomber peu à peu au bout d’un à trois ans dans la troposphère avant de rejoindre le sol. La partie du matériel éruptif restée dans la troposphère (à moins de 10 000 m d’altitude) a rejoint la surface bien avant. De l’espace, ces aérosols stratosphériques ont l’apparence d’un voile blanc qui réfléchit une partie de la radiation solaire, refroidit donc la troposphère et échauffe la stratosphère. L’effet de ces aérosols volcaniques n’est pas anodin, comme le montre l’éruption du Pinatubo en Indonésie en juin 1991, la dernière en date des grandes éruptions « stratosphériques » (fig. 14). Elle a refroidi la troposphère au niveau des tropiques de près d’un demi-degré pendant les deux années 1992 et 1993. De ce fait, le réchauffement provoqué au même moment dans l’atmosphère tropicale par le puissant phénomène Enso (El Niño-Southern Oscillation) de 1991-1995, le plus long du siècle, a été interrompu (voir encadré 17 sur le phénomène Enso, p. 211). Ces éruptions majeures peuvent donc se révéler assez puissantes pour modifier le climat pendant un à trois ans, voire plus selon leur durée, et influer sur le comportement d’objets sensibles comme les glaciers.

Figure 14. L’effet du voile du Pinatubo, volcan des Philippines, entré en éruption le 15 juin 1991.

10Expliquer le PAG par le seul effet du volcanisme pose cependant un problème de fond : comment ces éruptions, événements isolés qui éjectent des produits dont le temps de résidence dans l’atmosphère ne semble pas dépasser deux à trois ans, peuvent-elles engendrer une baisse de température sur une longue période, des décennies, voire des siècles ? Pour que le volcanisme soit responsable du déclenchement du PAG, il faudrait imaginer une coïncidence extraordinaire d’éruptions qui se relaieraient les unes les autres pendant une longue période et qui seraient accompagnées de phénomènes amplificateurs. Des rétroactions positives (feed back) associeraient la circulation atmosphérique et l’océan comme des caisses de résonance pour entretenir durablement cette anomalie de température. La figure 15 montre qu’il y a bien eu au cours du PAG une activité volcanique soutenue, qui contraste avec le calme relatif observé avant 1600 et au cours du XX^e siècle. Divers indices témoignent d’une forte activité explosive de la fin du XVI^e à la fin du XVII^e siècle ainsi que dans les premières et dernières décennies du XIX^e siècle. Les archives glaciaires du Groenland et d’Antarctique ont enregistré de nombreux niveaux d’acidité pendant ces périodes. Ces explosions sont identifiées par les aérosols qu’elles déposent dans les glaces froides, mais toutes n’ont pas de foyer localisé avec certitude. Parmi les plus connues, celle du Huaynaputina en 1600 au sud d’Arequipa au Pérou, dont la présence dans les glaces de la Cordillère des Andes se marque par un important niveau acide, ou celle, déjà citée, du Tambora en avril 1815, dont l’influence sur le climat est bien documentée. Cette explosion fut la plus forte du XIX^e siècle et entraîna une baisse de la température de 0,4 °C dans l’hémisphère nord, avec un été qui n’en fut pas un, en particulier en Amérique du Nord et en Europe de l’Ouest, où les récoltes furent désastreuses. Sans doute lui doit-on en partie les avancées glaciaires conduisant aux grandes extensions des années 1820, en combinaison dans les Alpes avec la remarquable augmentation des précipitations hivernales.

11Les grands événements explosifs peuvent se cumuler, comme ce fut le cas autour de 1450, entre 1580 et 1680 environ, et tout au long du XIX^e siècle, avec en particulier l’éruption du Krakatoa en 1883 (voir tabl. 3). Dans ce cas, il est avéré qu’ils influent sur le climat terrestre : on les voit inscrits dans les cernes des arbres, où la baisse de la densité indique une anomalie négative de la température d’été. Cela s’observe généralement l’année qui suit (Krakatoa), mais peut se prolonger pendant deux ou trois ans (Tambora). Les températures annuelles plongent de 0,2-0,3 ° C, voire, plus exceptionnellement, de 0,5 ° C. Mais de là à contrôler une période de froid multiséculaire comme le PAG…

12D’autres climatologues ont plutôt misé sur les « défaillances » que connaît périodiquement l’activité solaire, lesquelles se sont justement révélées importantes pendant le Petit Âge Glaciaire.

Figure 15. Trois indices visant à représenter l’impact du volcanisme explosif dans l’atmosphère traduit par une baisse du rayonnement solaire, en W/m².

Les à-coups du Soleil

13À l’échelle de temps où nous nous plaçons, de l’ordre du siècle ou de quelques siècles, ce ne sont pas les variations de la quantité d’énergie reçue du Soleil découlant de la géométrie de l’orbite de notre planète qui jouent (voir chap. 2, p. 37), mais plutôt les variations de l’éclairement lui-même, soit le flux d’énergie que notre astre nous envoie et que l’on nomme, à tort, la « constante solaire ». L’éclairement du Soleil varie à plus courte échelle de temps en fonction de son activité magnétique : outre le cycle de 11 ans bien connu, notre étoile connaît des fluctuations périodiques plus longues, séculaires à millénaires. Ces variations ont pu être observées à partir du nombre des taches solaires depuis l’invention du télescope au début du XVII^e siècle, en plein Petit Âge Glaciaire. La fréquence des aurores boréales est également un indice visible de l’activité du Soleil. Les taches croissent en nombre quand son activité augmente (et non l’inverse, comme pourrait le faire penser leur caractère plus sombre), comme durant le siècle dernier après 1910, avec des pics plus marqués tels ceux des années 1940-1950, ou depuis les années 1980. En revanche, elles diminuent dès lors que l’activité solaire se réduit, comme entre 1790 et 1820, 1880 et 1920, allant jusqu’à disparaître comme entre 1645 et 1715 (fig. 16). Ces variations se traduisent par une modulation d’énergie radiative en apparence faible, de 0,1 % (mesurée) pour le cycle de 11 ans, à 0,2-0,5 %, (estimée) pour le minimum le plus creux des derniers 400 ans, celui de Maunder, au tournant des XVII^e et XVIII^e siècles.

Tableau 3. Les plus grandes éruptions de type explosif enregistrées depuis l’année 1400 de notre ère par ordre chronologique (VEI ≥ 6). VEI : Volcanic Explosivity Index. C indique une date ¹⁴C non corrigée

14Les variations de l’éclairement intervenues avant le XVII^e siècle ont pu être reconstituées de façon indirecte grâce à la production des cosmonucléides dans la haute atmosphère. Au lieu d’observer directement l’énergie émise par le Soleil – une mesure qui est loin d’être simple, même de nos jours avec des capteurs embarqués sur satellites –, on considère les effets du bombardement du rayonnement cosmique sur les composantes de l’atmosphère terrestre, comme par exemple l’azote (¹⁴N) qui se transforme en isotope radioactif du carbone (le¹⁴ C), ou la production de beryllium 10 (¹⁰Be) ou de chlore 36 (³⁶Cl). Cette production n’est pas constante et dépend surtout de l’activité du Soleil, en particulier des variations du champ magnétique du vent solaire. Par exemple, le taux de production des cosmonucléides a augmenté de 30 % à 50 % par rapport aux valeurs actuelles pendant le minimum de Maunder, tout comme la quantité de ¹⁴C archivée dans les cernes des arbres. Aussi, la concentration de ces isotopes radioactifs dans le monde vivant (¹⁴C) ou dans des milieux inertes comme la glace (¹⁰Be et³⁶Cl) est un bon indicateur de l’activité solaire, au même titre que les taches, à la différence près qu’il en reste une trace stockée quelque part alors que les taches vont et viennent… D’où la possibilité de reconstituer sur la durée l’éclairement solaire à l’aide de ces isotopes, ce qu’ont fait plusieurs chercheurs, dont E. Bard du Cerege (Centre européen de recherche et d’enseignement des géosciences de l’environnement)27. Utilisant le ¹⁰Be piégé dans les glaces d’Antarctique, un isotope dont la demi-vie est d’environ 1,52 million d’années, ces chercheurs ont pu reconstituer l’éclairement solaire sur tout le millénaire et un peu avant (fig. 17). Qu’en ressort-il ?

Figure 16. Cycle des taches solaires observées depuis 1600. Les périodes de faible activité coïncident avec les époques réputées pour avoir été froides ou fraîches, 1650-1710 (minimum de Maunder), 1800-1830 (minimum de Dalton), tournant des XIX^e-XX^e siècles (minimum de 1900), années 1970

Figure 17. Évolution de l’éclairement solaire, reconstituée à partir de la production de¹⁰Be observée dans les glaces des forages de l’Antactique par Bard et al. (2000) depuis 850 apr. J.-C. Les lettres W, S, M, D désignent les minima d’intensité de Wolf, Spörer, Maunder et Dalton, respectivement. La calibration de la courbe de l’irradiance est réalisée selon l’hypothèse d’une baisse de 0,4 % pendant le minimum de Maunder

15La baisse de l’intensité solaire entre 1300 et 1900 est significative, surtout pendant le minimum de Maunder (1645-1715), donc en plein cœur du PAG, et le minimum de Spörer (1400-1600), long et complexe, le plus creux du millénaire. Un peu avant, un minimum (dit de Wolf) avait été centré sur 1300-1350. Après le « Maunder », le minimum « de Dalton », moins marqué, s’étend sur la période 1790-1820 ; enfin une nouvelle défaillance, légère, marque le tournant du XIX^e et du XX^e siècle.

16En revanche, l’éclairement a connu une longue embellie au cours des années 1100-1250, dont on sait qu’elles furent marquées par le Petit Optimum Médiéval. Ensuite, il y eut un pic au milieu du XVIII^e siècle, période aux étés chauds, nous l’avons vu. Depuis 1715, la tendance multiséculaire est à la hausse, accidentée des quelques creux que nous venons de mentionner. Les valeurs récentes affichées par l’éclairement figurent donc parmi les plus élevées du millénaire écoulé, en particulier celles des décennies 1950-1960 et 1980-2000 en chiffres ronds.

17La relation existant entre l’éclairement et le climat n’est plus contestée de nos jours, la conjonction des variations en phase de l’une et de l’autre étant l’argument majeur pour étayer cette relation. Ce qui n’est pas clair, en revanche, ce sont les mécanismes physiques en jeu : comment de si petites variations d’éclairement peuvent-elles engendrer des changements de températures significatifs au point d’influer sur des objets naturels comme les glaciers ? En d’autres termes, des variations de l’éclairement de 0,1 % à 0,5 % – à supposer qu’il s’agisse là des grandeurs physiques correctes, ce qui est parfois contesté, certains chercheurs pensant que la baisse a pu être plus forte et atteindre 1 % –, suffisent-elles à expliquer les soubresauts des températures observés pendant le PAG ?

18Un calcul simple montre qu’une baisse « raisonnable » de 0,35 % de l’éclairement lors du minimum le plus creux du millénaire (Spörer) correspond à une diminution de 4,8 W/m² de cette énergie pour une surface plane perpendiculaire aux rayons du Soleil, ce qui, étendu à toute la surface de la Terre et compte tenu d’un albédo moyen de celle-ci de 0,3, donne une baisse de cet apport d’énergie de 0,84 W/m². Entrée dans les modèles de circulation générale, une telle valeur entraîne, selon leur sensibilité, à une baisse de température de 0,25°C à 0,95°C. Notons donc que cette fourchette est compatible avec celle fournie par les reconstitutions de température pour cette période (voir plus haut).

19Bien que des doutes persistent quant à l’amplitude des variations de l’éclairement du Soleil (hormis le cycle de onze ans) et sur la transmission de ces variations à l’atmosphère, il apparaît que la théorie solaire gagne en vraisemblance en s’appuyant sur une conjonction dans le temps de périodes de faible activité solaire et de périodes froides, ou plus fraîches que celles qui les encadrent. Et vice versa. J. Lean et D. Rind ont montré en 199828 que la courbe des températures reconstituées par Raymond Bradley et Phil Jones (1993) à partir d’indicateurs indirects (avant 1860) et de données instrumentales (après 1860) suit assez bien celle de l’éclairement solaire entre 1600 et le XX^e siècle. Cette dernière rend compte de plus de 70 % de la variance de la température de l’hémisphère nord entre 1610 et 1800. Après 1800, la contribution du voile volcanique augmente, allant jusqu’à expliquer 25 % environ de l’évolution des températures, mais l’éclairement reste encore important. En revanche, les mêmes auteurs observent que plus tard, au cours du XX^e siècle, ni l’irradiance ni le voile volcanique ne parviennent à expliquer la forte hausse des températures qui s’y manifeste, notamment dans sa seconde partie. Nous allons y revenir.

Qu’en conclure pour les glaciers ?

20Il est tout à fait vraisemblable que les premières crues glaciaires du XIV^e siècle, après le Petit Optimum Médiéval, aient été liées à une baisse d’intensité solaire. De même, la fréquence des crues glaciaires au niveau mondial entre le XVI^e siècle et le milieu du XVIII^e a pu bénéficier des baisses d’insolation observées durant ces périodes. De la même manière, en complément de l’activité volcanique, le minimum d’insolation de Dalton a probablement aidé au développement des glaciers dans la première moitié du XIX^e siècle, une expansion qui n’a pu cependant se produire que dans les zones où les conditions étaient humides, ce qui était le cas dans les Alpes jusqu’en 1830-1850, mais pas forcément dans d’autres secteurs. Inversement, les pics d’intensité solaire ont favorisé des températures d’été élevées et donc le recul des glaciers par augmentation de l’ablation estivale : cela a été le cas lors du Petit Optimum Médiéval, puis au milieu du XVIII^e siècle dans les Alpes (mais pas en Scandinavie) et peut-être pour une part au cours de la décennie 1940 jusqu’au début des années 1950.

21Cependant, vouloir attribuer les crues (les décrues) glaciaires aux baisses (aux hausses) d’intensité solaire de façon systématique conduirait vite à des déconvenues. Ainsi, le minimum de Maunder (1645-1715), période froide mais plutôt sèche en Europe, ne s’est pas accompagné d’une expansion glaciaire : au contraire, pendant ces sept décennies les glaciers ont soit reculé, soit au mieux stagné sur des positions acquises auparavant : la grande crue a eu lieu avant 1650 dans les Alpes, et plus tard, vers 1750, en Scandinavie.

22Les asynchronismes entre éclairement solaire et crues glaciaires pourraient avoir diverses origines. D’abord, les mécanismes physiques par lesquels la baisse de l’éclairement se transmet à la machine climatique sont complexes, car ils mettent en jeu à la fois l’atmosphère, la cryosphère, la biosphère et l’océan, avec des réponses qui ne sont pas linéaires. Ensuite, les bilans de masse glaciaires ne dépendent pas seulement des fluctuations des flux d’énergie, mais aussi d’autres variables comme les précipitations. Enfin, la réponse des glaciers aux forçages climatiques passe par leur propre dynamique et les fluctuations des fronts peuvent enregistrer ces forçages avec un retard qui peut atteindre plusieurs décennies.