Depuis quelques années, une polémique fait rage dans la communauté scientifique. Son objet ? Une reconstruction des températures du dernier millénaire proposée par Michael Mann et ses collègues en 1999, puis utilisée par le GIEC dans son rapport de 2001. Cette courbe en forme de crosse de hockey montre des températures relativement stables pendant 850 ans avec une brusque augmentation au cours des 150 dernières années. Problème : la méthode statistique utilisée par les auteurs a faussé les résultats. Et d’autres reconstructions paléocllmatiques rétablissent les deux grands épisodes chaud et froid du dernier millénaire, connus sous le nom d’Optimum Médiéval et de Petit Age Glaciaire. L’enjeu de ce débat entre spécialistes est important. Seules les variations passées permettent de mesurer le caractère exceptionnel ou non du présent réchauffement. Et elles contribuent à estimer la proportion du forçage anthropique (nos émissions de gaz à effet de serre) dans ce réchauffement.

Pour apprécier le climat présent, et tenter d’anticiper le climat à venir, il faut connaître le climat passé.

La reconstruction des climats anciens, appelée paléoclimatologie ou climatologie historique, est une gageure. Les mesures des différents éléments du climat (température, humidité, précipitation, pression et autres) par des méthodes scientifiques n’a véritablement décollé qu’au XIX^e siècle. Il existe quelques données antérieures présentant une louable volonté de systématisation : le Rete Medica du Grand Duc de Toscane (1653-1667), les mesures de Louis Morin à Paris (1665-1713), les correspondants de Johann Kanold en Europe centrale (1717-1726) ou ceux de James Jurin en Angleterre (1724-1735). Mais dans l’ensemble, ces données sont éparses et discontinues.

Pour les périodes plus anciennes, les témoignages directs offrent une documentation très abondante. Parmi les sources utilisées par les climatologues, citons pêle-mêle les annuaires, les mémoires, les chroniques, les journaux, les carnets de voyage, les correspondances personnelles ou officielles, les épigraphes, les premiers récits journalistiques… Dans tous les cas, les phénomènes météorologiques ont fait l’objet d’une observation directe de la part de l’auteur. Cette observation concerne souvent des événements extrêmes (canicule, sécheresse, tempête, chute de neige abondante, inondation). Mais elle peut aussi identifier des phénomènes indirects, comme la date des vendanges, très utilisée pour estimer la chaleur et l’ensoleillement des mois précédents, ainsi que l’absence de désastre météorologique (grêles). Il faut ajouter à cette liste des témoignages les données archéologiques, notamment l’installation ou l’abandon des campements permanents par les peuples nomades ou navigateurs.

Autre source d’information ayant connu un important développement ces trente dernières années : les indices naturels indirects, que l’on appelle couramment les proxies. Il s’agit de phénomènes physiques, chimiques ou biologiques sensibles à l’évolution de la température, de l’humidité, de la composition atmosphérique ou de tout autre élément du climat. Les plus utilisés pour les périodes historiques (Holocène) sont les anneaux de croissance des arbres, les sédiments marins ou lacustres, les langues glaciaires, les zones de pollinisation, les squelettes coralliens, la composition des stalactites et stalagmites.


Pour les analyses plus anciennes (dizaines et centaines de milliers d’années, millions d’années), les chercheurs analysent les rapports isotopiques de certains atomes (carbone, oxygène, hydrogène, deutérium, thorium, aluminium, béryllium...), dont l’évolution est révélée par des carottages glaciaires ou sédimentaires. (Pour les principes généraux de la paléoclimatologie, voir par exemple Cronin 1999 ; pour une synthèse sur l’Europe, Brázdil 2005).




Et voici la crosse de hockey

Les débats et résultats de paléoclimatologie atteignent rarement les oreilles du grand public. Tel ne fut pas pour la « crosse de hockey », une reconstruction du climat passé qui souleva, et soulève encore, de violentes polémiques depuis la fin des années 1990.

De quoi s’agit-il ?

En 1998, Michael Mann et ses collègues publient dans la revue Nature une reconstruction du climat au cours des six derniers siècles (Mann 1998). L’année suivante, ils continuent l’exercice  sur un millénaire et publient dans les Geophysical Research Letters (Mann 1999). Leur courbe des températures va devenir célèbre sous l’appellation "crosse de hockey" (hockey stick). Elle montre en effet une situation relativement stable de l’an 1000 au milieu du XIX^e siècle (le manche de la crosse), suivie d’une brusque augmentation lors des 150 dernières années (la palette). La courbe minimise les amplitudes thermiques des dix siècles passés, notamment les deux épisodes connus sous le nom d’Optimum Médiéval (env. 900-1300) et de Petit Age Glaciaire (env. 1550-1850).
 
Cette courbe sera reprise dans le troisième rapport du GIEC (GIEC 2001), notamment en conclusion de la synthèse à l’intention des décideurs.


 Le graphique donne l’impression d’un bouleversement récent. Le troisième rapport du GIEC évoque d’ailleurs la forte probabilité que la décennie 1990 et l’année 1998 aient été les plus chaudes du dernier millénaire.

Outre que ce genre d’assertion frappe l’imagination des lecteurs, cette reconstruction des paléoclimats est aussi importante dans la question de l’attribution à l’homme des variations climatiques observées au cours des dernières décennies. Dans son précédent rapport (1995), où le forçage anthropique n’était pas encore reconnu, les experts du GIEC relevaient : "Les données de mille dernières années sont les plus utiles pour déterminer l’échelle de la variabilité climatique naturelle". Constatant la rareté des données, le GIEC concluait : "Sur ce point, il n’est encore possible de dire si, à l’échelle de l’hémisphère, les températures ont décliné entre les XI-XII^e siècles et les XVI-XVII^e siècles. Et il n’est donc pas possible non plus de conclure que les températures globales de l’Optimum Médiéval étaient comparables aux décennies les plus chaudes du XX^e siècle".

Dans le troisième rapport, les choses ont donc changé, sur la base des travaux de Mann et de son équipe. Or, la fameuse "crosse de hockey" a été vigoureusement critiquée par d’autres scientifiques.


De graves erreurs méthodologiques

Deux chercheurs canadiens, Stephen McIntyre et Ross McKitrick, ont ainsi montré des approximations et des erreurs dans la méthode statistique utilisée par l’équipe de Mann, dont l’analyse en composante principale semblait favoriser tous les scénarios en crosse de hockey au détriment des autres (McIntyre 2003, 2005).

Richard Muller, professeur de physique à l’Université Berkeley, a ainsi résumé le problème de calcul dans la MIT Technology Review  (traduction française par Bernard Beauzamy, Société de Calcul Mathématique, disponible ici)

"Dans l’analyse en composantes principales, et dans les techniques similaires, chacun des ensembles de données (en l’occurrence, environ 70) est modifié en soustrayant la moyenne, de manière à avoir une moyenne nulle, et ensuite est multiplié par un nombre de manière à ce que la variation autour de la moyenne soit égale à 1 ; en jargon technique on dit que chaque ensemble de données est normalisé de manière à avoir une espérance nulle et une variance égale à 1. Dans une ACP standard, chaque ensemble de données est normalisé sur la période entière où les données ont été recueillies. Pour les données climatiques clé que Mann a utilisées pour créer son graphe en forme de crosse de hockey, cette période était l’intervalle 1400-1980. Mais le programme informatique utilisé par Mann n’a pas fait la normalisation de cette manière. Au lieu de cela, il a forcé chaque ensemble de données à avoir une moyenne nulle sur la période 1902-1980 et à s’ajuster aux données historiques sur cette intervalle. C’est la période pendant laquelle la température historique est bien connue, si bien que cette procédure garantit effectivement l’échelle de température la plus précise. Mais cela a complètement faussé l’ACP. En effet, l’ACP se préoccupe principalement des ensembles de données qui ont une variance élevée, et la procédure de normalisation de Mann tend à donner une variance élevée à tout ensemble de données qui a une forme de crosse de hockey. (De tels ensembles de données ont une moyenne nulle sur la période 1902-1980, mais pas sur la période plus longue 1400-1980.)

Le résultat en pratique : la “composante principale” aura la forme d’une crosse de hockey même si ce n’est pas le cas pour la plus grande partie des données."

Par ailleurs, en cherchant à obtenir les données de base utilisés par Mann et al., de sérieuses incongruités ont été relevées : , séries obsolètes, données répétées, erreur d’attribution dans les années, arrêt incompréhensible de séries pourtant complètes… Une controverse scientifique est née opposant les partisans et les détracteurs de la crosse de hockey. Au-delà du cadre feutré des publications scientifiques, Mann et l’équipe de la crosse de hockey ont créé leur blog (RealClimate) auquel a répondu le blog sceptique de McIntyre (ClimateAudit). On peut constater aujourd’hui encore en les consultant l’ardeur des débats.


D’autres reconstructions rétablissent la variabilité passée

Du côté des publications scientifiques, les reconstructions des paléoclimats ont continué de paraître. L’équipe de Mann ou d’auteurs utilisant les mêmes données a publié des courbes confirmant plus ou moins les premiers travaux de 1998 et 1999, à quelques correctifs mineurs près (par exemple Gerber 2003, Mann 2003). Mais d’autres chercheurs n’ont pas abouti à de semblables résultats.

En 2002, l’équipe de J. Esper (Institut fédéral de recherche, Suisse) a proposé une nouvelle technique de calibration des anneaux de croissance permettant de les inscrire dans des oscillations à long terme et l’a appliquée à 1200 série d’anneaux (Esper 2002). Le résultat obtenu rétablit le Petit Age Glaciaire et l’Optimum Médiéval "dont les périodes les plus chaudes couvrent l’intervalle 950-1045, avec un pic autour de 990". Ce résultat "suggère que les comparaisons passées entre l’Optimum Médiéval et le réchauffement du XX^e siècle remontant à l’an 1000 n’ont pas inclus toute la période de l’Optimum Médiéval, et peut-être pas son intervalle le plus chaud". Le travail met aussi en lumière le fait que le réchauffement actuel a été nettement amorcé dès le début du XIX^e siècle, à la sortie du Petit Age Glaciaire. (Schéma ci-dessous, sans référence à des températures, source)

En 2005, J. Esper et ses collègues ont publié un autre papier relatif aux problèmes d’hétérogénéité des sources d’une part, aux méthodes de calibration et de régression d’autre part (Esper 2005). En comparant quatre reconstructions (dont celle de Mann en 1999 et la leur en 2002), ils ont montré que les seules méthodes de calibration suffisent à faire varier de 0,5°C les températures estimées "l’équivalent de la moyenne des changements de température survenus dans l’Hémisphère Nord mentionnée dans le dernier rapport du GIEC pour la période 1000-1998". Ils remarquent par ailleurs : "Quand la régression linéaire est utilisée pour la calibration, la variance d’un proxy demeure en deçà de la donnée cible, laissant l’impression visuelle que les dynamiques récentes sont substantiellement plus amples que les dynamiques historiques lorsque toutes les données sont fondues ensemble".


Une autre reconstruction a été récemment publiée dans le journal Nature, par A. Moberg et son équipe (Moberg 2005). La forme en crosse de hockey a là encore disparu et l’on remarque, au contraire, la variabilité du climat au cours du dernier millénaire, même si les valeurs les plus récentes sont ici supérieures aux valeurs passées.

Le schéma de synthèse des quelques reconstructions récentes (ci-dessus) est intéressant à plus d'un titre.
- Plusieurs courbes de reconstruction ne montre aucun caractère exeptionnel dans le réchauffement du XXe siècle par rapport aux oscillations passées.
- La différence entre la dernière mesure directe (2004) et la plus basse estimation de l'Optimum Médiéval est de l'ordre de 0,7°C, variation somme toute raisonnable sur un millénaire.
- Certaines courbes, comme la rouge foncée (Moberg 2005) ou la vvert clair (Esper 2002) montrent des amplitudes fortes et rapides (0,2 à 0,3 °C en qulques décennies) entre 1000 et 1600.
- Le réchauffement récent, dont le rythme est plus rapide, a commencé à prendre un rythme soutenu au milieu ou au début du XIXe siècle (voir bien plus tôt, courbe orange de Huan 2004), alors même que les gaz à effet de serre humains ne sont considérés comme significatifs pour le climat qu'à partir de la fin des années 1970. Ce qui tend à montrer que l'essentiel du réchauffement récent est le fait d'une oscillation séculaire naturelle du climat.

Que conclure ?
- La variabilité du climat au cours des dix ou vingt derniers siècles a été sous-estimée, au profit d’une surestimation du réchauffement récent, la forme en « crosse de hockey » étant le symbole de cette erreur de perspective.
- Le dernier millénaire a connu une période de réchauffement global (Optimum Médiéval) et une période de refroidissement global (Petit Age Glaciaire) sans que les activités humaines soient alors concernées.
- Il n’est pas exclu que certaines périodes de l’Optimum Médiéval aient été plus chaudes que les deux dernières décennies du XXe siècle. La recherche en paléoclimatologie tranchera peut-être ce point dans les années à venir.
- Le GIEC, qui est supposé exprimer le consensus scientifique des meilleurs experts du climat, reprend des travaux contestés dans ses rapports et les met en exergue pour frapper les imaginations.

A lire sur le même sujet : entretien avec Ross McKitrick

Références
Brázdil R. et al. (2005), Historical climatology in Europe. The state of the art, Climatic Change, 70, 363-430.
Cronin T.J. (1999), Principles of Paleoclimatology, Columbia University Press, New York.
Esper J. et al. (2002), Low-frequency signals in long tree-ring chronologies for reconstructing past temperature variability, Science, 295, 2250-2253.
Esper J. et al. (2005),  Effect of scaling and regression on reconstructed temperature amplitude for the past millennium, Geophysical Research Letters, 32, 10.1029/2004GL021236.
Gerber S. et al. (2003), Constraining temperature variations over the last millennium by comparing simulated and observed atmospheric CO2, Climate Dynamics, 20, 281-299.
Mann M. et al. (1998), Global scale temperatures and climate forcing over the past six centuries, Nature, 392, 779-787.
Mann M. et al. (1999), Temperatures during the past Millenium : inferences, incertainies, and limitations, Geophysical Research Letters, 26, 759-762.
Mann M.E., P.D. Jones (2003), Global surface temperature over the past two millennia, Geophysical Research Letters, 30, 15, 1820, doi: 10.1029/2003GL017814
McIntyre S., R. McKitrick (2003), Corrections to the Mann et al. (1998) proxy data base on Northern Hemispheric average temperature series, Ernergy and Environment, 14, 751-771.
McIntyre S., R. McKitrick (2005), Hockey sticks, principal components, and spurious significance, Geophysical Research Letters, 32, doi:10.1029/2004GL021750
Moberg A. et al (2005), Highly variable Northern Hemisphere temperatures reonstructed from low and high-resolution proxy data, Nature, 443, 613-617.
Storch H. von et al. (2004), Reconstructing past climate from noisy data, Science, 306, 679-682.