Module 3.1 Modélisation du système Terre 

Résumé du module

Ce module s’intéresse à la modélisation des processus environnementaux qui ont lieu à l’échelle globale de la planète Terre, que nous appelons ici le système Terre. Ce module est divisé en deux thèmes. Le premier thème aborde la modélisation du climat. Le deuxième thème aborde la modélisation des interactions entre l’Homme et son environnement.

Le thème 1 comprend huit activités : trois activités de visionnement de capsules vidéo, une activité d’exploration de modèle, trois activités de lecture, et une activité d’autoévaluation.

Les trois premières activités sont consacrées aux principes théoriques généraux qui sous-tendent la modélisation du climat. Au cours de l’activité 1, vous êtes invité à visionner une entrevue avec James Lovelock, le scientifique à l’origine de la théorie de Gaïa, pour apprendre les fondements de cette théorie.

L’activité 2 consiste à visionner une capsule vidéo de la NASA sur le modèle Daisyworld et le principe d’autorégulation.

L’activité 3 vous permet de bien comprendre comment les processus de rétroactions opèrent dans le modèle Daisyworld par son exploration avec le logiciel NetLogo.

Les cinq activités suivantes sont consacrées à la modélisation du système climatique terrestre. L’activité 4 est consacrée à la lecture d’une description du système climatique tirée d’un document technique produit par le par le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC). Vous apprendrez quelles sont les composantes principales du système climatique ainsi que les processus et les interactions qui opèrent entre ces composantes.

L’activité 5 consiste à visionner une animation sur la modélisation du climat, produite par la Direction française des sciences de la matière.

Au cours de l’activité 6, vous êtes convié à lire un résumé des types de modèles utilisés par le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) dans son cinquième Rapport d’évaluation (2014).

L’activité 7 consiste à lire le chapitre 9 du livre Environmental Modelling: Finding simplicity in complexity, rédigé par Harvey (2013), qui décrit l’état des connaissances en modélisation du climat et les développements récents et envisagés pour perfectionner les modèles du climat.

Ce thème se termine par une autoévaluation (activité 8) qui vous permet de vérifier votre assimilation des connaissances présentées sur la modélisation du climat.

Le thème 2 comprend quatre activités : 3 activités de lecture et une activité d’exploration de modèle.

Au cours de l’activité 9 vous êtes conviés à la lecture des sections 1.1 et 1.2 du chapitre 1 du livre Understanding the Earth System de Cornell et al. (2012). Ce chapitre explique la nécessité d’intégrer la dimension humaine dans l’étude et la modélisation des changements globaux.

L’activité 10 consiste à lire l’article « Computation and the human predicament » de Hayes (2012) qui porte sur le modèle World 3. Cet article résume le fonctionnement du modèle et ses prédictions, et discute de la problématique liée à l’utilisation de modèles informatiques simples comme systèmes d’aide à la décision.

L’activité 11 vous invite à explorer le modèle World 3 en utilisant la version web implantée par Hayes. Cette activité vous permet de tester des hypothèses simples quant à l’utilisation des ressources naturelles non-renouvelables.

L’activité 12 est une lecture du chapitre « Integrated global models » du livre Sustainability or Collapse? An Integrated History and Future of People on Earth de Costanza et al. (2007). Ce chapitre fait une synthèse de sept modèles du système Terre qui intègrent la dimension humaine.

À la fin du module, vous réalisez le travail noté 3 qui porte sur la modélisation du système Terre (15 % de la note finale).

Introduction

La science du système Terre (« Earth system science » en anglais) perçoit la Terre comme un système intégré et s’intéresse à comprendre son fonctionnement global. Quels sont les processus physiques, chimiques, biologiques et anthropiques qui influencent la dynamique globale du système Terre? Comment ces processus interagissent-ils pour réguler la dynamique de la Terre et déterminer son état passé, présent et futur? La modélisation est un outil important de la science du système Terre. Elle permet de mieux comprendre comment la dynamique globale émerge des multiples processus environnementaux et d’explorer comment cette dynamique varie selon différents scénarios de changements globaux.

Les origines de la science du système Terre remontent aux années 80 avec la reconnaissance de l’impact grandissant de l’Homme sur le système Terre et le désir de trouver des solutions pour mitiger ou s’adapter à ces changements globaux (Mooney et al. 2013).  À cette époque le Conseil international pour la science (CIUS, en anglais International Council of Scientific Unions, ICSU) lance le Programme international géosphère-biosphère (en anglais International Geosphere-Biosphere Programme (IGBP)) avec comme objectif de coordonner la recherche internationale sur les processus à l’échelle globale qui dominent la dynamique du système Terre. IGBP fait maintenant partie de la plateforme internationale de recherche Future Earth (initiée en 2012) qui rassemble plusieurs programmes de recherche sur les changements globaux. Future Earth vise à coordonner la recherche du système Terre dans une perspective qui intègre mieux les divers programmes existants et qui soit orientée vers l’émergence de solutions dans le but de solidifier l’interface entre la recherche scientifique et la politique.

Parallèlement au IGBP la NASA développe aussi dans les années 80 un programme de recherche sur la science du système Terre, le Earth System Sciences Committee. Ce programme s’est démarqué par la publication de deux rapports de grande influence dirigés par le météorologue Francis Bretherton : Earth System Science. Overview (1986) et Earth System Science : A Closer View (1988). Dans son deuxième rapport, Bretherton développe un modèle conceptuel du fonctionnement du système Terre (figure 3.1.1). Ce schéma a constitué une première étape importante dans la conceptualisation des interactions entre les différents systèmes qui composent le système Terre. Ce schéma a grandement guidé l’élaboration des premiers modèles du système Terre qui ont été développés par l’intégration progressive des différents sous-modules et des interactions qui y sont représentés (Cornell et al. 2012).

Figure 3.1.1 Diagramme de Bretherton, initialement publié dans Earth System Science : A Closer View (1988) et repris de Cornell et al. 2012.

Le diagramme de Bretherton illustre les interactions entre les activités humaines et les processus environnementaux. Cependant il existe une certaine asymétrie dans la diversité et le niveau de résolution des éléments propres aux activités humaines qui y sont représentés comparativement à ceux des systèmes climatique et biogéochimique (Cornell et al. 2012). Cette asymétrie est perçue par plusieurs chercheurs comme idiosyncratique de la recherche en sciences du système Terre qui tend à sous-estimer l’importance du contexte social et économique dans la compréhension des changements globaux (Cornell et al. 2012, Mooney et al. 2013, Liu et al. 2015). En effet, depuis l’avènement de la science du système Terre, les efforts de modélisation ont été dominés par le développement de modèles visant à étudier seulement les interactions entre les systèmes climatique et biogéochimique. Ainsi, la recherche explorant les problématiques liées à la dimension sociale de l’utilisation des ressources, les structures et les institutions sociales, politiques et économiques aux échelles locale, régionale et internationale, la croissance industrielle, etc. a évolué en parallèle et sans intégration structurée avec le système physique.

Ce module est teinté par cette dichotomie entre le système physique et le système humain qui a marqué l’évolution historique des modèles du système Terre. Dans un premier temps, nous étudions les modèles du système climatique (thème 1), et dans un deuxième temps, nous explorons les modèles qui intègrent les interactions entre l’Homme et son environnement (thème 2).

Thème 1 : Modélisation du climat

La théorie de Gaïa

Nous débutons ce thème sur la modélisation du climat par une introduction à la théorie de Gaïa (aussi appelée hypothèse de Gaïa) formulée par le chimiste James Lovelock dans les années 1970 (Lovelock, 1972). Cette théorie propose une vision holistique de la planète Terre, où cette dernière est perçue comme un système irréductible et capable d’autorégulation. La théorie de Gaïa suggère que les processus de rétroactions entre les organismes vivants et leur environnement abiotique permettent de maintenir, à la surface de la Terre, un environnement stable et hospitalier pour les organismes vivants. Cette théorie sous-tend que la stabilité des variables climatiques, telle la température globale, la salinité des océans ou la composition gazeuse de l’atmosphère, est étroitement liée aux fonctionnements des organismes vivants sur la planète. Bien que les critiques de la théorie de Gaïa soient nombreuses (Kirchner, 2002), elle sert de métaphore fort intéressante pour comprendre l’importance des processus de rétroactions dans la dynamique du système climatique.

L’activité 1 vous invite à visionner une entrevue réalisée avec James Lovelock par la British Broadcasting Corporation (BBC). Cette vidéo ne porte pas directement sur la modélisation. Cependant, elle vous enseigne les fondements de cette théorie et ses contributions aux sciences du climat. De plus, elle permet d’apprécier le parcours peu orthodoxe de ce chercheur multidisciplinaire.

L’entrevue avec James Lovelock relate comment l’utilisation du modèle Daisyworld a permis une meilleure reconnaissance de la théorie de Gaïa auprès de la communauté scientifique, particulièrement auprès des chercheurs qui voyaient une inadéquation entre la théorie de Gaïa et la sélection naturelle (Lovelock et Watson, 1983). En effet, ce modèle démontre que les conditions climatiques créent des pressions de sélection sur les organismes. Les processus de rétroactions entre les conditions climatiques et les organismes vivants, qui s’adaptent à ces conditions, permettent de maintenir un environnement favorable à la vie sur la terre.

Afin de bien comprendre le fonctionnement du modèle Daisyworld, passez à l’activité 2 qui consiste à visionner une vidéo réalisée par la NASA sur ce modèle. Cette vidéo explique comment la proportion de marguerites blanches et noires modifie et est modifiée par la température à la surface de cette Terre hypothétique.  Ce processus de rétroaction permet de contrôler la température à la surface de la Terre. Cette dernière est donc capable de s’autoréguler!

Vous devez maintenant réaliser l’activité 3. Cette activité vous permet d’explorer le modèle NetLogo « Daisyworld ». Vous observerez comment l’énergie lumineuse du soleil affectent les populations de marguerites et comment ces dernières fluctuent de pairs avec la température à la surface de la Terre.

La modélisation du climat

Les spécialistes du climat s’intéressent à comprendre comment le climat émerge des interactions entre les composantes du système climatique. Le système climatique de la Terre est beaucoup plus complexe que le système du modèle Daisyworld, et sa modélisation présente un grand défi du point de vue scientifique.  Le développement de modèles du système climatique est devenu un enjeu de recherche important ces dernières années avec la reconnaissance que les activités humaines influencent la composition de l’atmosphère, le climat régional et mondial, et les écosystèmes naturels (Harvey et al. 1997). Il est en effet essentiel de disposer de modèles crédibles capables de reproduire les propriétés du climat global.  Ces modèles sont utilisés dans le but de comprendre le climat passé et actuel et de prévoir les conséquences des émissions anthropiques de gaz à effet de serre et d’aérosols sur le climat futur. Ces modèles aident les décideurs à formuler des stratégies plus éclairées d’adaptation aux changements climatiques.

Le système climatique est constitué de cinq composantes principales : l’atmosphère, l’hydrosphère, la cryosphère, la biosphère et la lithosphère. De nombreux processus opèrent au sein de ces composantes et entre celles-ci. La figure 3.1.2 illustre ces composantes et les processus dominants. Les flèches fines désignent les processus et les interactions entre les composantes. Les flèches en gras désignent les processus qui sont amenés à changer.  Chaque composante du système climatique influence et est influencée par les autres composantes (Harvey, 2013). Ainsi, tout comme le système Daisyworld, le système climatique forme un système unique qui opère sur de multiples échelles de temps et d’espace par des boucles de rétroaction.

Figure 3.1.2 Schéma conceptuel du système climatique (figure tirée de Harvey et al., 1997).

L’activité suivante vous convie à la lecture d’une description du système climatique tirée d’un document technique réalisé par le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC). Cette lecture décrit les composantes importantes du système climatique ainsi que les processus et les interactions qui les régissent. Vous y apprendrez aussi des notions propres au système climatique telles les rétroactions rapide et lentes et la sensibilité climatique.

Les spécialistes du climat ont recours à la simulation de modèles informatiques complexes exigeant une grande puissance de calcul. L’activité 5 consiste à visionner une vidéo de la Direction française des sciences de la matière sur la modélisation du climat. Cette vidéo offre un aperçu général des enjeux liés au développement de ces modèles.

La modélisation du système climatique constitue un exercice difficile qui requière plusieurs simplifications. Il existe différents types de modèles du climat qui varient selon leur niveau de complexité et de résolution spatiale. La prochaine activité vous invite à lire une description des types de modèles climatiques utilisés par le GIEC dans son cinquième Rapport d’évaluation (publié en 2013 et 2014). Notez que le terme AR4 réfère au « Fourth Assessment Report », qui est le Rapport d’évaluation précédent.

Les modèles présentés dans ce document du GIEC peuvent être classés en quatre catégories :

1. Les modèles de circulation générale de l’atmosphère et des océans (MCGAO) simulent le transfert radiatif dans l’atmosphère, la neige et la glace de mer, les flux de surface, le transport de chaleur et d’eau dans l’atmosphère et les océans, et l’absorption de la chaleur par les océans (Harvey et al., 1997).
2. Les modèles du système Terre (ESM, pour « Earth System Model ») qui intègrent aux MCGAO les cycles biogéochimiques (carbone, sulfure ou ozone).
3. Les modèles du système Terre de complexité intermédiaire (EMCI, pour « Earth System Models of Intermediate Complexity »). Les EMCI intègrent certaines composantes importantes des ESM par des simplifications ou à des résolutions plus faibles.
4. Les modèles régionaux du climat (MRC) sont des modèles de circulation générale qui sont limités à une certaine région géographique. Ces modèles permettent d’explorer des résolutions spatiales plus fines et des processus physiques à long terme.

Vous avez pu comprendre que le GIEC utilise une gamme de modèles MCGAO, ESM et EMCI développés par des groupes de recherche de pays différents (voir les tableaux 9.1 et 9.2 du document de l’activité 5). Cette diversité de modèles permet au GIEC d’établir des comparaisons entre les résultats produits pour en évaluer l’incertitude et le niveau de confiance.

Le Canada participe à cet effort de modélisation du système climatique. Les étudiants qui désirent en apprendre d’avantage sur les modèles développés par les scientifiques d’Environnement Canada sont invités à visiter la page web du Centre canadien de la modélisation et de l’analyse climatique. Également, vous pouvez consulter la page web de l’organisme privé sans but lucratif Ouranos qui assume la responsabilité de la simulation du climat régional au Canada. Ouranos a pour mission le développement de connaissances sur le climat dans le but d’évaluer les impacts, les vulnérabilités et l’adaptation aux changements climatiques aux échelles locales et régionales.

Les chercheurs en science du climat poursuivent le développement de modèles plus complets visant l’intégration d’un plus grand nombre de composantes du système climatique. L’activité suivante vous amène à lire le chapitre 9 du livre Environmental modelling : finding simplicity in complexity rédigé par Harvey, professeur à l’Université de Toronto et expert en modélisation du climat. Ce chapitre explique les développements récents et les efforts actuels de recherche pour perfectionner les MCGAO et développer les ESM. Le contenu de ce chapitre peut vous paraître technique. Vous pouvez lire les questions d’autoévaluation de l’activité 7 pour guider votre lecture de ce chapitre.

Passez maintenant à l’activité 8. Cette activité d’autoévaluation vous permet de faire le point sur les éléments importants de la modélisation du climat tels que décrits dans le chapitre 9 de Harvey (2013) présenté à l’activité 7.

Thème 2 : Modélisation des interactions Homme-environnement

La modélisation du système Terre durant les dernières années, soutenue par les efforts de plusieurs programmes de recherche internationaux, s’est largement concentrée sur les processus physiques et biogéochimiques qui affectent les changements globaux. Les chercheurs insistent maintenant sur la nécessité que les modèles futurs reposent sur une meilleure conceptualisation de l’impact des activités humaines (Cornell et al. 2012).

a première activité sous ce thème vous invite à lire les sections 1.1 et 1.2 du chapitre 1 du livre Understanding the Earth System de Cornell et al. (2012). Cette lecture vous explique les raisons qui justifient une meilleure intégration de la dimension humaine dans l’étude des changements globaux. Elle raconte l’évolution historique de cette problématique et mets en lumière les défis particuliers que pose cette intégration.

Au cours de l’activité de lecture précédente, vous avez appris que les modèles développés sous l’initiative du Club de Rome au début des années 1970 marquent les premiers efforts d’intégration des contextes sociaux, économiques et écologiques dans l’étude de l’impact à long terme des changements globaux. En effet, c’est à cette période que Jay Forrester élabore le modèle World2 dont les résultats sont publiés dans son livre World Dynamics (1971) (revoir le module 2.1 pour une première introduction de ce sujet). Sur la base de ce modèle, ses collègues Donnella Meadows, Dennis Meadows, Jørgen Randers, et William Behrens III, développent le modèle World3 et publient le rapport choc The limits to growth (en français, Halte à la croissance ?) (1972). En 1992, Meadows et al. font une mise à jour du modèle World3 dont les résultats paraissent dans le livre Beyond the limits. Les modèles World2 et World3 sont des modèles systémiques à l’échelle globale qui relient entre eux plusieurs compartiments tels la population, l’industrie et les ressources primaires. Ces modèles font des prédictions fort pessimistes sur les conséquences de l’utilisation accrue des ressources naturelles sur le bien-être de l’Homme, mesuré par la taille de la population, son espérance de vie, et la nourriture disponible par capita.

Malgré la complexité de ces modèles, ils sont fondés sur des approximations importantes du système Terre et des interactions entre l’Homme et son environnement. Ces modèles ont suscité beaucoup de controverses quant à l’utilisation de modèles simples comme systèmes d’aide à décision. L’activité suivante consiste à la lecture d’un article de Brian Hayes paru dans American Scientist en 2012 qui aborde cette problématique. Cet article vous familiarise avec le fonctionnement du modèle World3 et les prédictions qu’il fournit. Cet article discute également de l’utilité des modèles simples mathématiques et informatiques mais aussi de leurs limites.

Dans le but de comprendre le fonctionnement et les prédictions du modèle World3, le journaliste Hayes a implémenté une version du modèle. Ce modèle est disponible en ligne (Hayes, 2012b) et permet d’exécuter des simulations pour tester des hypothèses simples quant à l’utilisation des ressources naturelles non-renouvelables. L’activité suivante consiste à explorer ce modèle implémenté par Hayes.

De nombreux modèles intégrés ont été développés suite aux premières tentatives du Club de Rome il y a plus de 40 ans. Des modèles intégrés toujours plus justes et performants continuent d’être élaborés en réponse aux objectifs des plateformes de recherche sur le système Terre telle Future Earth ou encore IHOPE (Integrated History and Future of People on Earth).  L’activité suivante vous convie à la lecture du chapitre 21 du livre Sustainability or Collapse? An Integrated History and Future of People on Earth rédigé par Costanza et al. (2007). Ce chapitre résume et compare les propriétés de sept modèles du système Terre qui intègrent la dimension humaine :

• World3
• IMAGE : Integrated Model to Assess the Greenhouse Effect;
• IMAGE-2;
• IFs : International Futures simulator;
• DICE : Dynamic Integrated Climate and the Economy model;
• TARGETS : Tool to Assess Regional and Global Environmental and health Targets for Sustainability;
• GUMBO : The Global Unified Metamodel of the Biosphere.

Ce chapitre présente le contexte dans lequel chaque modèle fût développé et met en lumière leurs avantages et leurs désavantages.

Pour compléter le module 3.1 vous allez maintenant réaliser le travail noté 3. Ce travail noté vaut pour 15 % de votre note finale.

Références

British Broadcasting Corporation. (2010). Beautiful minds: James Lovelock. Repéré à https://www.bbc.co.uk/programmes/b00s04qp et https://www.youtube.com/watch?v=QqwZJDEZ9Ng

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Harvey, B. D., Gregory, J., Hoffert, M., Jain, A., Lal, M., Leemans, R., . . . de Wolde, J. (1997). Introduction aux modèles climatiques simples employés dans le deuxième rapport d’évaluation du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat. Dans J. T. Houghton, L. G. M. Filho, D. J. Griggs et K. Maskell (dir.): Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat.

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