Une nouvelle étude nous donne des précisions intéressantes quand au timing de l’évolution passée de la « circulation océanique méridienne de retournement Atlantique », autrement connue sous le nom d’AMOC. Dans l’océan Atlantique, ce «convoyeur» géant transporte les eaux chaudes des tropiques vers l’Atlantique Nord, où elles refroidissent et coulent puis retournent vers le sud dans les profondeurs de l’océan.

Les courants océaniques en surface conduisent les eaux subtropicales vers l’Atlantique Nord.  Ce système, quand il est dans la position « marche », est responsable d’un transport de chaleur net vers l’Atlantique du Nord. L’AMOC est ainsi un acteur important du climat mondial, régulant les régimes climatiques dans l’Arctique, en Europe et dans le monde.

Circulation océanique thermohaline montrant la remontée d’eau chaude (en rouge) vers les hautes latitudes et le plongeon des eaux froides et salées (en blanc) qui reviennent vers le sud pour former une boucle (source : Nature Communications, 2019)

A plusieurs reprises, depuis la fin de la dernière glaciation, il y a 20 000 ans, l’AMOC s’est déjà effondré de façon brutale, ramenant le climat à des conditions glaciaires en Europe.

Des indices d’un ralentissement du système sont de plus en plus nombreux et certains scientifiques craignent qu’il puisse avoir des effets majeurs, tels que la baisse des températures en Europe et le réchauffement des eaux au large de la côte est des Etats-Unis, pouvant potentiellement nuire à la pêche et exacerber les ouragans.

Selon les prévisions, le réchauffement de la planète devrait affaiblir l’AMOC mais l’ampleur du changement reste incertaine. La plupart des modèles climatiques prévoient un ralentissement modéré mais pas un arrêt complet de l’AMOC.

Une nouvelle étude publiée dans Nature Communications donne des indications sur la rapidité avec laquelle ces changements ont pu intervenir dans le passé.

Dirigée par des scientifiques de l’Observatoire de la Terre Lamont-Doherty de Columbia, en collaboration avec le Centre de recherche norvégien, cette étude est la première à déterminer avec précision le décalage temporel entre les changements passés dans la circulation océanique et les changements climatiques majeurs.

L’équipe a étudié une section clé du circuit des courants océaniques, connue sous le nom de circulation de renversement méridional de l’Atlantique (AMOC). Ils se sont concentrés sur une zone où l’eau coule de la surface vers le fond de l’Atlantique Nord. D’après les scientifiques, l’AMOC a commencé à s’affaiblir environ 400 ans avant la vague de froid majeure survenue il y a 13 000 ans. Puis l’AMOC a commencé à se renforcer environ 400 ans avant le réchauffement brutal qui s’est produit il y a 11 000 ans.

Vue détaillée des enregistrements synchronisés du CO2, du climat et de la circulation océanique pendant le stade de Dryas récent. a concentration de CO2 provenant des carottes de glace de l’Antarctique de l’ouest. b Reconstruction de la température au Groenland. c Taux de formation d’eau profonde en mer Nordique. Les triangles indiquent l’emplacement des mesures . d Teneur en radiocarbone atmosphérique (Δ14C). Source : Nature Communications.

Jusqu’à présent, il était difficile de déterminer si les changements passés du transport océanique se produisaient avant ou après les changements brusques de climat qui ont ponctué la dernière déglaciation dans l’hémisphère nord. Pour surmonter cette difficulté, l’équipe a rassemblé les données tirées de sédiments au fond de la mer de Norvège, de sédiments lacustres du sud de la Scandinavie et de carottes de glace du Groenland.

Les scientifiques s’appuient généralement sur la datation du carbone radioactif (carbone 14) pour déterminer l’âge des sédiments. La mesure de la quantité de carbone 14 restante dans un fossile révèle le temps écoulé depuis la mort de l’organisme et donc l’âge des sédiments environnants. Cette relation est toutefois délicate dans les sédiments océaniques, car le carbone 14 est créé dans l’atmosphère et il faut du temps pour que le carbone se fraye un chemin dans l’océan. Au moment où il atteint les organismes au bas de la colonne d’eau, le carbone 14 peut déjà avoir des centaines, voire des milliers d’années. L’équipe avait donc besoin d’une méthode différente pour dater les couches de sédiments marins.

C’est pourquoi ils ont mesuré la teneur en carbone 14 d’un noyau de sédiments lacustres situés à proximité. Les anciennes couches du lac contiennent des plantes en décomposition qui extraient le carbone 14 directement de l’atmosphère, ce qui permet de déterminer l’âge de chaque couche de sédiment du lac. Les auteurs de l’étude ont ensuite fait correspondre les couches de sédiments lacustres aux couches de sédiments marins.

Les couches de cendres provenant de deux éruptions volcaniques en Islande ont contribué à déterminer le timing. Ce processus a donné à l’équipe l’âge précis de chaque couche marine. Ensuite, ils ont comparé l’âge réel des sédiments marins à l’âge qu’ils lisaient à partir des mesures du carbone 14 dans les océans profonds. Les différences entre les deux leur ont donné une estimation du temps nécessaire au carbone atmosphérique 14 pour atteindre le fond marin.

En d’autres termes, cela a permis de révéler la rapidité avec laquelle l’eau coulait dans cette zone, et donc le processus appelé « formation d’eau profonde » qui est essentiel pour maintenir la circulation de l’AMOC.

Pour parachever l’étude, il a fallu analyser les carottes de glace du Groenland et étudier les changements de température et de climat au cours de la même période. Les mesures du béryllium 10 dans les carottes de glace ont aidé les auteurs à établir un lien précis entre les carottes de glace et les enregistrements de carbone 14, plaçant les deux ensembles de données sur la même échelle de temps.

C’est ainsi qu’ils ont enfin pu mettre en parallèle les changements de la circulation océanique et les changements climatiques.

La comparaison des données des échantillons a révélé que l’AMOC s’est affaibli dans la période qui a précédé la dernière vague de froid majeure de la planète, appelée Dryas récent, il y a environ 13 000 ans.

La circulation océanique a commencé à ralentir environ 400 ans avant la vague de froid, mais une fois que le climat a commencé à changer, les températures au Groenland ont rapidement chuté de 6 degrés environ.

Un schéma similaire est apparu vers la fin de cette vague de froid. Le courant a commencé à se renforcer environ 400 ans avant que l’atmosphère ne commence à se réchauffer de façon spectaculaire, sortant de l’ère glaciaire.

Une fois que la déglaciation a commencé, le Groenland s’est réchauffé rapidement : sa température moyenne a augmenté d’environ 8 degrés en l’espace de quelques décennies, ce qui a provoqué la fonte des glaciers et la fonte des glaces de mer dans l’Atlantique Nord. Précisons que l’impact à l’époque a été très important au Groenland car la position de la Terre par rapport au soleil avait particulièrement exposé l’hémisphère nord.

Ce décalage de 400 ans est probablement dans le haut de la fourchette prévue. De nombreuses études précédentes ont suggéré des décalages dans le temps, mais peu avaient les outils nécessaires pour les déterminer avec une précision suffisante.

Attention cependant. Il est difficile de déterminer ce que ces schémas du passé pourraient signifier pour l’avenir de la Terre. Des preuves récentes suggèrent que l’AMOC a commencé à s’affaiblir à nouveau il y a 150 ans. Cependant, les conditions actuelles sont assez différentes de celles du Dryas récent. La température globale était beaucoup plus basse à l’époque, la banquise d’hiver s’étendait au sud de New York et la structure de l’océan était bien différente. En outre, l’affaiblissement passé de l’AMOC fut bien plus important que la tendance actuelle.

On peut retenir de l’étude que si l’AMOC devait s’affaiblir comment il l’a fait au Dryas récent, cela pourrait prendre des centaines d’années pour que des changements climatiques majeurs ne se manifestent.

Il faut rappeler que le rapport du GIEC, le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat, estime qu’il y a de fortes chances pour que l’AMOC ralentisse au cours du XXIe siècle. Néanmoins, le phénomène serait très progressif. Un arrêt complet, qui entraînerait une chute rapide de la température de l’Atlantique du Nord, n’aurait que de très faibles chances de se produire au cours du siècle en cours.

Les mécanismes en vigueur actuellement sont différents de la dernière déglaciation. Si celle-ci a débuté par une insolation en hausse dans l’hémisphère nord, suivi d’une hausse de la concentration de CO2, le réchauffement actuel est exclusivement dû aux gaz à effet de serre. Le réchauffement est donc plus global. Aujourd’hui, la quantité de glace est bien moins importante dans l’hémisphère nord et le réchauffement ne pourrait donc pas provoquer un afflux d’eau douce comparable à celui qui a marqué le Dryas récent.

Une autre précision, l’AMOC est un vaste système, mais il pourrait y avoir des changements à une moindre échelle qui ne seraient pas sans conséquences. Les auteurs d’une étude publiée en 2017 dans Nature Communications (Sgubin et al.) avaient réexaminé une quarantaine de modèles climatiques de dernière génération (CMIP5) en se concentrant sur la possibilité d’une interruption de la convection dans la Mer du Labrador. Un arrêt de la convection océanique dans la Mer du Labrador n’aurait pas les mêmes effets catastrophiques qu’une interruption de la circulation thermohaline.

Représentation schématique de la circulation dans la mer du Labrador, au cœur du gyre subpolaire schématisé par le contour rouge. Crédit : Giovanni Sgubin – EPOC.

La convection dans la mer du Labrador alimente l’AMOC, mais elle contribue seulement de façon partielle au flux total de l’AMOC. Donc, si une interruption de la convection dans le Labrador se déclenche, l’AMOC ne va pas forcement s’interrompre. Cela a incité les chercheurs à évaluer la possibilité d’un refroidissement dans l’Atlantique du Nord en raison de changements locaux dans la Mer du Labrador plutôt que en raison de changements à grande échelle de l’AMOC.

Le changement climatique pourrait conduire à des conditions de stratification trop élevées dans la mer du Labrador pour pouvoir activer le mélange entre eaux superficielles et eaux des profondeurs en hiver et donc le phénomène de convection.

Parmi le 40 modèles climatiques étudiés, 17,5% projettent un arrêt complet de la convection dans cette région, avec comme résultat un refroidissement abrupt  (2 ou 3 degrés en moins de dix ans) de la mer du Labrador et de fortes baisses des températures dans les régions côtières de l’Atlantique Nord. Ce refroidissement lié à l’interruption de la convection est donc principalement le résultat d’une diminution drastique des échanges de chaleur entre les couches profondes de l’océan et l’atmosphère dans la région du Labrador.

Les chercheurs ont noté que tous les modèles n’étaient pas capables de reproduire de façon réaliste la stratification dans la mer du Labrador. Pour cette raison, ils se sont penchés sur les 11 modèles les plus à même de simuler la stratification observée. Parmi ces modèles, 45,5% montrent un effondrement des processus de mélange vertical profond dans la Mer du Labrador au cours du XXI siècle. Des processus qui se produisent normalement en hiver. En tenant compte de la fiabilité des modèles, le risque d’un refroidissement brusque en mer du Labrador apparaît donc bien plus élevé que ce qui prévu dans l’ensemble CMIP5.

Exemple d’un refroidissement rapide dans le gyre prédit par l’une des projections climatiques. A gauche : évolution temporelle de la température de surface de la mer. A droite : écarte entre la température de l’air à la surface de la mer, entre le début et la fin du XXIe siècle. Crédit : Giovanni Sgubin – EPOC.

Toutes les simulations reproduisant une interruption de la convection dans le Labrador, montrent qu’une diminution de salinité est le processus dominant dans le déclenchement de cet événement. Cela cause une augmentation de la stratification et l’interruption de la convection. En raison du réchauffement climatique, certains scientifiques craignent que la fonte des glaces du Groenland rejette suffisamment d’eau douce dans l’Atlantique Nord pour bouleverser la circulation océanique.

Les observations récentes du climat montrent que quelque chose se passe déjà dans l’Atlantique Nord. La région subpolaire au sud de la Groenland, y compris la Mer du Labrador, est quasiment la seule du monde à ne pas s’être réchauffée depuis le début du XX siècle. Ce « cold blob », caractérise une région circonscrite de l’Atlantique Nord en contre-courant avec la tendance à l’augmentation des températures observée au niveau global.

Anomalies de températures en hiver 2013 et 2016 (par rapport à la période 1900-1950) : on voit une zone froide au sud du Groenland. Source : NASA GISS.

Ce contraste serait l’une des manifestations de l’affaiblissement de l’AMOC, selon une étude parue fin mars 2015 (Nature Climate Change), signé par des chercheurs emmenés par Stefan Rahmstorf, du Potsdam Institute for Climate Research. Les scientifiques estimaient alors que le réchauffement climatique global dû aux émissions humaines de gaz à effet de serre avait déjà commencé à ralentir sérieusement la circulation thermohaline, de façon plus prononcée que dans les modèles climatiques. Cela serait la cause principale de l’apparition, dans les observations climatiques, d’un « cold blob » dans l’Atlantique du Nord. Or, compte tenu des résultats publiés dans Nature Communications par Sgubin et al., ce phénomène pourrait avoir une interprétation alternative : l’effet d’un changement de la convection dans la Mer du Labrador pourrait être aussi responsable d’un refroidissement local dans l’Atlantique du Nord.

D’après un article publié en avril 2018 dans la revue Nature,  le système de circulation de l’Atlantique Nord est dans un état de fragilité sans précédent depuis 1 600 ans. Des questions subsistent quant à la date exacte du début du déclin.

Les chercheurs ont découvert que la force de l’AMOC fut relativement stable de 400 à 1850 environ, puis s’est affaiblie au début de l’ère industrielle. Cette transition coïncide avec la fin du petit âge glaciaire – une vague de froid multicentenaire qui a touché de nombreuses régions du globe. Les auteurs de l’article estiment que la force de l’AMOC a diminué d’environ 15% pendant la période industrielle, par rapport à son flux des 1 500 dernières années.

L’énigme de l’impact de la circulation océanique sur les températures globales n’est probablement pas résolue. Il n’est en effet pas si certain qu’un ralentissement de l’AMOC favorise dans les prochaines décennies une baisse des températures en Europe, dans un contexte de réchauffement climatique lié aux émissions anthropiques de gaz à effet de serre. En 2018, une étude publiée également dans Nature par Chen & Tung avait montré que l’AMOC, dans une phase «faible» entre 1975 et 1998, n’avait pas empêché les températures de surface d’augmenter rapidement au cours de la période.

Le réchauffement provoqué par l’homme a-t-il modifié le rôle principal de l’AMOC ? Au lieu de déplacer la chaleur vers le nord, a-t-il désormais pour effet principal de stocker la chaleur dans les profondeurs de l’Atlantique ?

Lorsque l’AMOC est fort, il y a plus d’eau chaude et salée dans l’Atlantique Nord et la plongée qui en résulte transporte plus de chaleur dans les profondeurs de l’océan, d’après Chen & Tung 2018. Cela pourrait donc avoir pour conséquence à court terme d’atténuer le réchauffement provoqué par l’homme à la surface de la Terre. Pendant les périodes de faible AMOC, moins de chaleur se déplace en effet vers les profondeurs de l’océan et les températures augmentent rapidement.

Cette théorie a cependant été critiquée par des scientifiques renommés comme Michael Mann, et Stefan Rahmstorf, car les modèles corrigés par les observations récentes tendent à montrer que le refroidissement dans l’Atlantique Nord est sous-estimé par les modèles en raison de certains biais.

Des analyses du bilan en eau douce basées sur des observations suggèrent en effet que l’AMOC se trouve dans un régime instable susceptible de subir de grands changements, d’après une étude publiée en 2017 par Wei Liu dans Science Advances.  Cette dernière étude estimait que l’AMOC serait susceptible de s’effondrer 300 ans après un doublement concentration de CO2 dans l’atmosphère par rapport au niveau de 1990. Par rapport à un modèle non corrigé, l’effondrement de l’AMOC entraînerait d’importantes réactions climatiques : un refroidissement important sur le nord de l’Atlantique Nord et les zones voisines, la glace de mer augmenterait sur les mers Groenland-Islande-Norvège et au sud du Groenland.