Introduction au livre 5 / Remerciements 8

Chapitre 1 Introduction 13
Chapitre 2 Premières recherches 37
Chapitre 3 Modèle unidimensionnel 53
Chapitre 4 : Modèle de circulation générale atmosphérique 71
Chapitre 5 : Premières expériences numériques 93
Chapitre 6 : Sensibilité climatique 125
Chapitre 7 : Contraste glaciaire et interglaciaire 165
Chapitre 8 : Le rôle de l'océan dans le changement climatique 185
Chapitre 9 Climats froids et formation des eaux profondes 231
Chapitre 10 : Évolution de la disponibilité en eau à travers le monde 245

Conclusion 277 / Postface 279 / Références 288 / Après la traduction 316 / Index 319

Notre monde regorge de systèmes complexes caractérisés par le hasard et le désordre.
L'un des systèmes complexes les plus importants pour l'humanité est le climat terrestre.
Shukuro Manabe a expliqué le processus par lequel l'augmentation des concentrations de dioxyde de carbone dans l'atmosphère entraîne une hausse des températures à la surface de la Terre.
Dans les années 1960, il a dirigé le développement de modèles physiques du climat terrestre et a été un pionnier dans l'exploration de l'interaction entre l'équilibre radiatif et le transport vertical des masses d'air.
Ses recherches ont jeté les bases du développement des modèles climatiques modernes.

— Lors de l'attribution du prix Nobel à Shukuro Manabe, le Comité Nobel 2021

Le premier lauréat du prix Nobel de physique pour ses recherches sur le changement climatique
Le seul et unique guide des modèles climatiques !

Il ne fait aucun doute que la composition de l'atmosphère et le climat terrestre ont changé depuis la révolution industrielle, et que l'activité humaine en est la principale cause.
Les concentrations de dioxyde de carbone dans l'atmosphère ont augmenté de plus de 40 % depuis l'ère préindustrielle, principalement en raison de la combustion de combustibles fossiles pour produire de l'énergie.
La température moyenne de la surface de la Terre est restée relativement stable pendant 1 000 ans, mais elle a déjà augmenté d'environ 1 °C par rapport à l'époque préindustrielle.
À moins d'un changement majeur dans les activités de production d'énergie, ces changements se poursuivront inévitablement.
La température moyenne mondiale devrait augmenter de 2 à 3 °C supplémentaires au cours du XXIe siècle, le réchauffement étant nettement plus important sur les terres émergées que sur les océans et dans l'Arctique que dans les régions tropicales.
- Dans le texte

La gravité du réchauffement climatique augmente d'année en année, avec une hausse des températures moyennes mondiales, une augmentation des phénomènes météorologiques extrêmes et des variations saisonnières peu marquées.
Le cinquième rapport d'évaluation du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) indique qu'« il est extrêmement probable que l'influence humaine ait été la cause principale du réchauffement observé depuis le milieu du XXe siècle » et déclare que les changements climatiques survenus sur Terre résultent des activités humaines depuis la révolution industrielle.
Des décennies de préjugés et d'idées fausses sur le réchauffement climatique ont été clairement démontrées par des preuves scientifiques comme étant de la responsabilité humaine.
Certaines personnes ont prouvé le lien entre les activités humaines et le changement climatique mondial grâce à des recherches sur des modèles physiques.
Le protagoniste n'est autre que Syukuro Manabe, lauréat du prix Nobel de physique 2021 pour ses « contributions à la modélisation physique du climat terrestre, à la quantification de sa variabilité et à la prévision fiable du réchauffement climatique ».
Le nouveau livre de Science Books, « La science du climat : au-delà du réchauffement climatique : les fondamentaux de la physique du climat », est l'aboutissement de plus de 60 ans de recherche en sciences du climat menée par Shukuro Manabe, le premier lauréat du prix Nobel dans le domaine du changement climatique, et constitue un commentaire sur les modèles climatiques qui compile les recherches scientifiques les plus importantes auxquelles l'humanité devrait se référer à l'ère du réchauffement climatique.
Shukuro Manabe, qui avait fait l'observation durant son enfance que « si les typhons ne surviennent pas, les précipitations au Japon diminueront », a obtenu sa maîtrise et son doctorat en météorologie à l'Université de Tokyo, grâce à son intérêt pour le temps et les phénomènes météorologiques.
Après avoir obtenu son doctorat, Shukuro Manabe, qui peinait à trouver du travail dans le Japon d'après-guerre à la fin des années 1950, a rejoint la Division de recherche sur la circulation générale du Service météorologique national à la demande de Joseph Smagorinsky, qui deviendra plus tard le directeur fondateur du Laboratoire de dynamique des fluides géophysiques (GFDL) de l'Administration nationale des océans et de l'atmosphère (NOAA).
Cette décision a servi de modèle pour le développement des modèles climatiques, qui allaient devenir essentiels par la suite pour les prévisions du changement climatique.
Grâce à ses recherches en modélisation climatique, Manabe Shukuro a exploré l'influence des gaz à effet de serre tels que la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone et l'ozone sur le maintien de la structure thermique de l'atmosphère terrestre, jetant ainsi les bases du modèle de circulation générale atmosphérique.
À la fin des années 1960, Richard T.
Wetherald) et a développé un modèle de rayonnement-convection unidimensionnel axé sur l'effet de rétroaction positive de la vapeur d'eau.
Ce modèle a permis de constater que lorsque la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère change, les températures augmentent à la surface et dans la troposphère, mais diminuent dans la stratosphère.
Cette découverte a conduit au développement d'un modèle complet de circulation générale atmosphérique et, avec Kirk Bryan, d'un modèle couplé océan-atmosphère pour analyser le rôle de l'océan dans le changement climatique.
Cette analyse est devenue le premier modèle à intégrer explicitement la circulation générale atmosphérique à la turbulence océanique, à la convection et à la circulation à grande échelle, formant ainsi la base des simulations climatiques.
Leurs recherches ont été désignées comme l'une des 10 principales innovations des 200 premières années de la NOAA.
Par la suite, Shukuro Manabe a poursuivi ses recherches aux États-Unis pendant longtemps, a acquis la citoyenneté américaine et a dirigé son propre groupe de recherche dans les années 1990 et 2000, publiant d'importants articles simulant la réponse du climat aux variations de concentration des gaz à effet de serre dans l'atmosphère à l'aide de modèles océan-atmosphère.
Actuellement, Shukuro Manabe est membre de l'Académie nationale des sciences (NAS), de la Société américaine de météorologie (AMS) et de l'Union américaine de géophysique (AGU), et est météorologue principal au sein du programme des sciences atmosphériques et océaniques de l'université de Princeton, où il a été un pionnier des simulations informatiques du réchauffement climatique.
En plus d'avoir remporté le prix Nobel de physique en 2021, il a également reçu la médaille Milutin Milankovic en 1998, la médaille Benjamin Franklin en 2015 et le prix Crafoord en 2018 pour ses recherches dans le domaine du changement climatique à long terme et de la modélisation.
L'ouvrage récemment paru, « Climate Science: The Essentials of Climate Physics Beyond Global Warming », rassemble plus de 60 ans de recherches auxquelles Manabe Shukuro a personnellement participé, ainsi que l'histoire des sciences du climat qui a influencé sa pensée.
Connu comme le seul ouvrage de vulgarisation scientifique écrit par un physicien lauréat du prix Nobel, ce livre a été écrit par Anthony J. Broccoli, professeur émérite de sciences atmosphériques à l'université Rutgers.
Broccoli) a participé en tant que co-auteur et a enrichi le contenu.
Cet ouvrage fera autorité, expliquant pourquoi et comment le climat a changé par le passé et comment il changera à l'avenir, à mesure que le réchauffement climatique s'accélère.



L'outil le plus puissant pour prédire le réchauffement climatique
Le meilleur point de départ pour toute personne intéressée par les modèles climatiques

Les modèles climatiques sont l'outil le plus puissant pour prédire le réchauffement climatique d'origine humaine.
En exploitant les vastes ressources de calcul des supercalculateurs les plus puissants au monde, les modèles climatiques sont utilisés pour prédire les changements climatiques futurs et leurs impacts, fournissant ainsi des informations précieuses aux décideurs politiques.
Les modèles climatiques se sont avérés utiles non seulement pour prédire le changement climatique, mais aussi pour le comprendre.
Les modèles climatiques servent de « laboratoires virtuels » du système couplé atmosphère-océan-terre, et les expériences contrôlées avec ces modèles se sont avérées très efficaces pour expliquer systématiquement les mécanismes physiques impliqués dans le changement climatique.
- Dans le texte

Dans l'introduction de « La science du climat : les éléments essentiels de la physique du climat au-delà du réchauffement climatique », les deux auteurs affirment que les modèles climatiques sont l'outil le plus puissant pour prédire le réchauffement climatique d'origine humaine.
Les dix chapitres suivants examinent l'histoire de la modélisation et les résultats de recherches connexes dans le domaine du changement climatique.
L'analyse de nombreuses expériences numériques réalisées avec des modèles climatiques de complexité croissante, allant du simple au multicouche, nous permet de comprendre les processus physiques fondamentaux qui régissent non seulement le réchauffement climatique, mais aussi les changements climatiques tout au long du passé géologique.

Depuis le milieu du XIXe siècle, la température de la surface de la Terre n'a cessé d'augmenter, et depuis le milieu du XXe siècle, elle s'est accélérée.
Le chapitre 1, « Introduction », explique l’effet de serre et le réchauffement climatique, qui entraînent une hausse de la température à la surface de la Terre.
Il présente les processus physiques par lesquels le rayonnement à grandes longueurs d'onde émis par la surface de la Terre est piégé dans l'atmosphère, tels que le rayonnement du corps noir et la loi de Kirchhoff, ainsi que le mécanisme par lequel l'augmentation des concentrations de gaz à effet de serre dans l'atmosphère, comme le dioxyde de carbone, augmente la température de la surface de la Terre et de la troposphère, contribuant ainsi à la compréhension des concepts de base des modèles climatiques.
Le chapitre 2, « Premières recherches », présente les premières recherches pionnières menées au XIXe et au début du XXe siècle, telles que les travaux de Svante August Arrhenius, qui a émis l’hypothèse qu’une augmentation de deux à trois fois de la concentration de dioxyde de carbone dans l’atmosphère pourrait provoquer un changement climatique qui entraînerait une modification de la température moyenne de la surface de la Terre à un degré comparable à la différence entre une période glaciaire et une période interglaciaire, et les travaux de Guy Stewart Callender, qui a simplifié les différents facteurs de réchauffement et construit un modèle simple.
En outre, il souligne l'importance et les limites des premières recherches qui peuvent être découvertes lors du processus d'estimation de la relation entre la concentration de gaz à effet de serre et les variations de la température de surface, et retrace l'histoire de la recherche sur les modèles climatiques, qui a débuté par des modèles théoriques simples pour aboutir à des modèles numériques complexes.

S'appuyant sur des recherches antérieures, Shukuro Manabe a été motivé par Robert F. à construire un modèle pour calculer l'échange de chaleur entre la surface de la Terre et l'atmosphère.
Nous concevons un modèle de rayonnement-convection unidimensionnel avec Strickler.
Le chapitre 3, « Modèle unidimensionnel », se concentre sur la structure du modèle de rayonnement-convection de Manabe et Strickler et évalue la capacité du modèle à reproduire la distribution verticale de la température dans l’atmosphère.
En particulier, nous pouvons examiner en détail le processus d'obtention d'estimations des variations de température moyenne mondiale dans l'atmosphère et à la surface terrestre dues aux variations des concentrations de gaz à effet de serre en analysant comment la hausse de la température de surface et la réponse de refroidissement stratosphérique changent lorsque la concentration de dioxyde de carbone double.
Le chapitre 4, « Modèle de circulation générale atmosphérique », couvre le concept et le développement initial du modèle de circulation générale atmosphérique (GCM), qui peut être considéré comme le cœur de la recherche sur les modèles climatiques.
Depuis la fin des années 1950, plusieurs groupes de recherche ont commencé à développer des modèles de circulation générale (MCG) pour reproduire les caractéristiques clés de la circulation atmosphérique qui déterminent la répartition du climat terrestre, et des tentatives de pointe telles que le modèle UCLA et le modèle GFDL ont émergé dans ce processus.
Ce chapitre illustre comment les premiers modèles, y compris les modèles annuels et saisonniers qui sont des variantes du modèle GFDL, reproduisent les distributions du vent, de la température et des précipitations, démontrant ainsi comment les GCM sont passés de simples outils expérimentaux à de puissants outils scientifiques pour étudier et prédire le changement climatique.
Le chapitre 5, « Premières expériences numériques », couvre les premières expériences numériques, notamment un doublement de la concentration de dioxyde de carbone atmosphérique, une expérience numérique basée sur les changements de l'irradiance solaire et une étude de l'amplification du réchauffement climatique due aux variations saisonnières.
Avec la possibilité de réaliser des simulations dans diverses conditions, les tentatives d'exploration du changement climatique global se sont intensifiées.
Toutefois, au cours de ce processus, des différences de sensibilité climatique sont apparues pour chaque modèle.
Ce chapitre met en lumière les différences dans les résultats des modèles qui apparaissent lorsque différents facteurs sont appliqués, et illustre l'évolution de la recherche en modélisation climatique, qui vise à produire des données fiables au-delà de la simple mesure des phénomènes.
La sensibilité climatique est la réponse de la température moyenne de la surface terrestre à une forçage thermique spécifique sur une période suffisamment longue, et l'estimation fiable de cette sensibilité est une tâche essentielle en climatologie.
Le chapitre 6, « Sensibilité climatique », analyse les interactions entre divers processus de rétroaction radiative qui déterminent la sensibilité climatique, notamment la rétroaction du gradient thermique, la rétroaction de la vapeur d’eau et la rétroaction de l’albédo.
La dernière partie du chapitre met en évidence les différences de sensibilité entre les modèles climatiques et donne un aperçu de la tendance scientifique qui consiste à tenter d'estimer une sensibilité fiable à partir des données passées sur les changements climatiques.

Étant donné que les modèles climatiques présentent des sensibilités très différentes, il est difficile d'estimer la sensibilité climatique en se basant uniquement sur les résultats d'expériences numériques.
C’est pourquoi il est souhaitable d’estimer la sensibilité à l’aide d’autres informations indépendantes.
Une autre approche prometteuse pour estimer la sensibilité climatique consiste à utiliser des données du passé géologique.
Le chapitre 7, « Changements climatiques glaciaires-interglaciaires », aborde plusieurs tentatives de simulation des différences glaciaires-interglaciaires de température de surface de la mer à l'aide de modèles climatiques dont les sensibilités climatiques sont connues.
Cela nous permet d'estimer la sensibilité climatique spécifique en comparant les modèles de changement de température basés sur des preuves géologiques telles que les calottes glaciaires et les sédiments avec des expériences de modélisation qui reproduisent ces modèles.
Le chapitre 8, « Le rôle de l’océan dans le changement climatique », se concentre sur l’impact de l’océan sur le système climatique.
Nous décrivons l'inertie thermique des océans, les modèles couplés atmosphère-océan, les corrections d'initialisation et de flux, ainsi que la réponse des océans aux expériences de réchauffement climatique.
Les simulations réalisées dans les océans Atlantique et Austral démontrent également l'ampleur asymétrique du réchauffement observé dans les hémisphères Nord et Sud.

Alors que les chapitres précédents examinaient la réponse transitoire du climat aux augmentations progressives de la concentration de dioxyde de carbone atmosphérique, le chapitre 9, « Climat froid et formation d’eau profonde », examine la réponse d’équilibre globale du climat aux changements de la concentration de dioxyde de carbone atmosphérique, sur la base des travaux de Stopper et Manabe.
Nous analysons l'impact des rétroactions opérant dans l'océan Austral, telles que la circulation océanique interne, en particulier la rétroaction de l'albédo de la glace de mer, et la circulation des eaux profondes, qui étaient essentielles au développement du climat glaciaire, sur le changement climatique.
Avec le réchauffement climatique, non seulement la température, mais aussi les taux d'évaporation et de précipitations changent.
Autrement dit, à mesure que l'évaporation augmente, les précipitations augmentent également, accélérant ainsi le cycle de l'eau sur Terre.
Le dernier chapitre de l'ouvrage, intitulé « Évolution de la disponibilité mondiale en eau », analyse l'impact du réchauffement climatique sur le cycle de l'eau à travers des expériences numériques.
En outre, les différences de disponibilité en eau entre les hémisphères nord et sud sont mises en évidence par la comparaison des taux de précipitations et d'évaporation en fonction de la répartition latitudinale, l'impact des rivières sur le dessèchement des sols et l'analyse des modèles d'humidité du sol dans les régions arides et semi-arides.
Tout au long de ce processus, les illustrations et les schémas disséminés dans l'ouvrage permettent aux lecteurs de découvrir concrètement les principes et le processus de recherche de la modélisation climatique.
De plus, le livret illustré en couleur de huit pages qui accompagne le texte aide les lecteurs à comprendre intuitivement la signification des modèles climatiques en présentant les tendances mondiales du changement climatique, telles que les variations de la température moyenne à la surface de la Terre, des taux de précipitations et des concentrations de dioxyde de carbone.


Le secret caché dans le réchauffement asymétrique des hémisphères nord et sud
« Sciences du climat » : La preuve scientifique des mystères du réchauffement climatique

Si les concentrations de gaz à effet de serre continuent d'augmenter, dans le cadre d'un scénario dit « sans changement de cap », la baisse de l'humidité des sols dans de nombreuses régions arides et semi-arides du monde deviendra de plus en plus marquée au cours du XXIe siècle.
D’ici la fin du XXIIe siècle, la perte d’humidité des sols dans ces régions devrait s’aggraver et la fréquence des sécheresses augmenter considérablement.
Malheureusement, le débit des rivières dans ces régions pourrait ne pas augmenter de manière significative, voire diminuer en raison du réchauffement climatique.
Par conséquent, les pénuries d'eau dans cette région pourraient devenir très graves au cours des prochains siècles.
- Dans le texte

Comme l'explique Manabe Shukuro dans sa « Conclusion », ce livre examine diverses études de modélisation climatique dans l'ordre historique, en commençant par les recherches pionnières d'Arrhenius à la fin du XIXe siècle.
Ces études utilisent des couches de plus en plus complexes de modèles climatiques, notamment des modèles de bilan énergétique, des modèles unidimensionnels de rayonnement-convection et des modèles GCM tridimensionnels de systèmes couplés atmosphère-océan-terre.
Ces modèles sont très utiles non seulement pour prévoir le changement climatique, mais aussi pour comprendre les problèmes qui en découlent.
Par exemple, dans le chapitre 8, « Le rôle de l’océan dans le changement climatique », Shukuro Manabe souligne que l’ampleur du réchauffement à la surface de la Terre est asymétrique entre les deux hémisphères.
Le réchauffement climatique est généralement plus marqué dans l'hémisphère Nord que dans l'hémisphère Sud.
Les auteurs affirment qu'aux hautes latitudes de l'hémisphère Nord, une grande partie du rayonnement solaire incident est réfléchie vers la Terre par la banquise arctique et la couverture neigeuse, accélérant ainsi le réchauffement, tandis qu'aux hautes latitudes de l'hémisphère Sud, la convection profonde près des côtes de l'océan Austral et sur de vastes zones de cet océan augmente l'inertie thermique de l'océan, ralentissant considérablement la réponse de la température de surface aux concentrations de dioxyde de carbone atmosphérique.
Bien que le modèle climatique présenté par l'auteur soit composé de données passées, il fournit un guide clair pour comprendre le climat futur en raison de l'augmentation des concentrations de gaz à effet de serre.
Dans son livre, Shukuro Manabe ne dit pas ce que l'humanité devrait faire pour empêcher le réchauffement climatique.
Nous ne présentons que des données clairement organisées et les résultats précis de simulation qui en découlent.
Rien qu’en examinant les modèles climatiques, regorgeant de formules et de chiffres, les lecteurs comprendront les principes du réchauffement climatique et seront en mesure de poser les questions nécessaires face à la crise climatique actuelle.
Autrement dit, le modèle climatique présenté par Manabe Shukuro n'est pas une simple prédiction, mais une ligne directrice qui nous permet de comprendre scientifiquement le réchauffement climatique.

« La science du climat : les éléments essentiels de la physique du climat au-delà du réchauffement climatique » contient toutes les recherches de modélisation climatique qui montrent clairement où nous allons, sur la base des données climatiques passées.
Si nous recherchons des réponses qui changeront fondamentalement notre perspective sur la vie à l'ère de la crise climatique, il est temps d'ouvrir le livre d'un maître qui se situe au sommet de la compréhension scientifique du changement climatique.

Qu’il s’agisse de réchauffement climatique ou de crise climatique, nous devons examiner les faits scientifiques et la logique qui sous-tendent ces prédictions, qui se déroulent déjà sous nos yeux.
L'auteur commence son ouvrage en évoquant brièvement la nécessité de réduire les gaz à effet de serre, puis guide le lecteur à travers les fondements de la climatologie, en partant des bases pour aboutir aux conclusions actuellement acceptées.
Les fondements scientifiques rigoureux de ce vaste débat se trouvent dans ce livre.

— Kim Hee-bong (traducteur)

Utile pour ceux qui souhaitent comprendre les impacts futurs du réchauffement climatique.
— Andrew Robinson (Nature)

Utile et instructif.
… … Les connaissances acquises grâce au processus de construction de modèles climatiques sont claires et détaillées, et nous aident à mieux comprendre le système climatique.
L’objectif de cet ouvrage est de guider le lecteur à travers les recherches menées jusqu’à présent par Shukuro Manabe et Anthony Broccoli, de présenter les méthodes et les motivations qui sous-tendent chaque étude, et d’expliquer et de contextualiser leurs résultats.
Chacune remplit parfaitement son rôle.
-Eimear Dunne (L'Holocène)