Quand, en 1972, les paléoclimatologues se sont réunis pour discuter de la fin de l'interglaciaire actuel [18], la plupart croyaient qu'on en était proche et que l'entrée en glaciation était imminente. Mais des calculs récents suggèrent qu'il n'en est rien. Au contraire, l'interglaciaire actuel pourrait encore se poursuivre pendant 40 à 50 000 ans [8].

En fait, les données géologiques disponibles en 1972 montraient que les deux derniers interglaciaires, dont l'Éémien il y a 125 000 ans, avaient duré chacun 10 000 ans environ. En supposant que tous les interglaciaires aient la même longueur, il était donc normal de croire que « notre période chaude devait vraisemblablement se terminer assez rapidement, du moins sans intervention humaine » [18 (p. 267)].

Une telle affirmation, faite il y a plus de 30 ans, a depuis lors été remise en question. D'abord, certains interglaciaires peuvent avoir duré plus longtemps [25]. Ainsi, il y a 400 000 ans, l'interglaciaire du stade isotopique marin numéro 11 – MIS-11 –, aurait été plus chaud et plus long que le nôtre [13]. Par ailleurs, nous sommes de plus en plus sous l'influence d'un réchauffement global, vraisemblablement lié à l'intensification de l'effet de serre naturel par les activités humaines [17]. Mais, même hors perturbation anthropique, notre climat pourrait évoluer d'une manière totalement différente de celle des anciens interglaciaires, parce que le forçage astronomique et les mécanismes qui furent responsables de ces époques chaudes peuvent avoir été totalement différents de ce qui nous attend dans le futur [10].

À l'échelle géologique, les cycles climatiques sont déclenchés par les changements dans les distributions saisonnière et en latitude de l'énergie reçue du Soleil. Ceux-ci sont dus aux variations de l'orbite de la Terre et de son axe de rotation.

Formulée au début du XX^e siècle par le Yougoslave Milutin Milankovitch, la théorie astronomique explique la récurrence des cycles glaciaire–interglaciaire. Selon Milankovitch [22], l'insolation polaire estivale détermine l'entrée en glaciation : lorsque la neige de l'hiver précédent n'arrive pas à fondre, elle s'accumule et, en réfléchissant le rayonnement solaire, provoque un refroidissement et ainsi une rétroaction positive pouvant aller jusqu'à la formation d'inlandsis. Même s'ils ont révélé un comportement plus complexe du climat, les calculs plus récents ont confirmé la théorie. Tout dépend donc des variations de l'énergie que la Terre reçoit du Soleil aux différentes latitudes au cours des saisons. Or, à long terme, trois facteurs astronomiques gouvernent les fluctuations de l'insolation [2] : ●

la forme de l'orbite terrestre tout d'abord, mesurée par l'excentricité, e. Elle passe d'un cercle presque parfait ( e = 0 ) $ (\mathit{e}=0)$ à une ellipse légèrement aplatie (au Quaternaire, e $ \mathit{e}$ atteint au maximum la valeur d'environ 0,06), pour revenir au cercle au bout de 400 000 ans. À ce long cycle se surimpose une variation qui suit une quasi-période de 100 000 ans ;

La quantité d'énergie reçue journellement sur Terre dépendant essentiellement de la précession climatique, quand l'excentricité devient très faible, les variations d'insolation sont donc d'autant plus amorties. Cela sera le cas au cours des dizaines de milliers d'années à venir. À ce moment, l'amplitude des changements d'insolation sera donc considérablement réduite et beaucoup plus petite que pendant l'Éémien. Par exemple, à 65°N au solstice d'été, les variations d'insolation seront inférieures à 25 W m^–2 au cours des 25 000 prochaines années, alors qu'elles atteignaient 110 W m^–2 entre 125 000 et 115 000 années avant le Présent (100 W m^–2 représentent 20% de l'énergie reçue actuellement à 65°N au solstice d'été !). Du point de vue de l'insolation, l'Éémien peut donc difficilement être considéré comme un analogue des prochains millénaires, comme cela est souvent suggéré. Mais cette faible amplitude des variations d'insolation dans le futur est exceptionnelle. Une telle situation ne s'est guère présentée plus de 2 à 3 fois au cours des deux derniers millions d'années, la dernière fois était il y a 400 000 ans, à l'époque du stade isotopique 11 [3]. À cette époque (comme actuellement), les très petites valeurs de l'excentricité (correspondant à une orbite de la Terre autour du Soleil pratiquement circulaire) coïncidaient avec les minima de son cycle de 400 000 ans. Comme l'excentricité module l'amplitude de la précession climatique, cette dernière va s'annuler alors pratiquement. Il s'ensuit que, la précession contrôlant les variations de l'irradiation journalière, ces variations sont dans ces conditions considérablement amorties.

Pour tester les impacts d'une telle situation et pour expliquer la relation entre la cause astronomique et les effets sur le système climatique, il est indispensable de posséder un modèle [15] qui permette de reproduire l'évolution du climat aux échelles de temps concernées. La longueur de ces échelles requiert des simulations sur des centaines de milliers d'années. Dans l'état actuel des connaissances et des moyens de calcul disponibles, les modèles utilisés ne peuvent donc être que de complexité réduite.

Le modèle de Louvain-la-Neuve (LLN) fut un des premiers de ces EMIC (Earth Models of Intermediate Complexity). Il tient compte des processus importants qui gouvernent l'évolution des différentes parties du système climatique et de leurs interactions. Il utilise une représentation simplifiée de l'atmosphère, de l'hydrosphère, de la cryosphère, de la lithosphère et de la végétation. De nombreux tests de sensibilité ont montré que les mécanismes principaux qui doivent être impérativement pris en compte sont liés aux rétroactions positives entre (i) le pouvoir réfléchissant de la planète (albédo) et la température, (ii) les gaz à effet de serre (vapeur d'eau, CO₂ et méthane) et la température, (iii) la nature de la couverture végétale et le climat, que ce soit dans les hautes latitudes en hiver ou dans les zones tropicales, (iv) l'altitude et la localisation des inlandsis et les précipitations neigeuses, et (v) la dynamique des inlandsis et la réponse isostatique de la lithosphère sous-jacente.

Ce modèle a été testé dans différentes situations climatiques [5] and [6] et a reproduit les grandes caractéristiques de l'entrée dans l'âge glaciaire du Quaternaire il y a quelque 2,7 Ma, la transition entre les périodes de 41 000 et de 100 000 ans il y a 800 000 ans environ, les oscillations glaciaire–interglaciaire, la déglaciation entre 21 000 et 10 000 ans avant le présent, et l'évolution du climat du dernier millénaire et du dernier siècle en tenant compte des activités solaire, volcanique et humaines (gaz à effet de serre et sulfates). Sa réponse aux scénarios du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat – GIEC – (réchauffement entre 1,5 et 2,5 °C) est située dans la fourchette des modèles utilisés par ce groupe.

La simulation des 400 000 dernières années a finalement montré toute l'importance des variations de l'énergie reçue du Soleil et de la concentration en gaz à effet de serre dans l'air. Il faut toutefois souligner que l'accord avec les données paléoclimatiques n'est que qualitatif. Si les spectres des résultats du modèle et des reconstructions paléoclimatiques montrent un excellent accord dans les bandes spectrales autour des périodes de la précession (23 et 19 ka), de l'obliquité (40 ka) et de l'excentricité (100 ka), il n'en demeure pas moins que la série temporelle du climat simulé (le volume de glace sur la Fig. 1) montre encore bien des lacunes lorsqu'on la compare à celle des reconstructions géologiques. En particulier, le modèle simule systématiquement des interglaciaires libres de glace dans l'hémisphère nord, à l'exception de l'Holocène, pour lequel le volume de la glace restante (en l'occurrence celle du Groenland) est bien reproduit. Les données suggèrent, au contraire, que le niveau marin, lors des interstades 7.1, 5.3 et 5.1, était inférieur au niveau actuel et bien inférieur à celui du stade 5.5. Ceci est encore plus vrai pour le stade 6.5, dont la modélisation montre un niveau marin équivalent à celui de l'Holocène, alors qu'il appartient à une période glaciaire. Une constatation similaire peut être faite pour les stades 9 et 11 reproduits à la Fig. 1 de Berger et Loutre [6]. Pour les deux transitions 11–10 et 9–8, la forme d'entrée en glaciation modélisée est assez différente de celle des reconstructions paléoclimatiques. Ces différences entre les résultats du modèle et les données paléoclimatiques sont discutées par Berger et Loutre [3] and [7]. Il faut toutefois noter que la fonte exagérée des glaces de l'hémisphère nord, lors des interglaciaires des 400 000 dernières années, n'empêche nullement le modèle de reproduire l'alternance des cycles glaciaire–interglaciaire et les caractéristiques spectrales des données paléoclimatiques dans les bandes spectrales des paramètres astronomiques au cours des 575 000 dernières années [19].

Ce modèle de LLN a été utilisé pour mieux comprendre l'évolution du climat de l'Holocène et pour essayer de prévoir son futur à partir des variations de l'énergie reçue du Soleil et de la concentration en CO₂ dans l'air. La plupart des scénarios de CO₂ utilisés pour les 100 000 prochaines années (concentration constante ou similaire à celle des précédents interglaciaires) conduisent à un interglaciaire exceptionnellement long, s'étendant de 8000 ans avant le présent à quelque 50 000 ans dans le futur (voir la courbe du volume de glace dans la Fig. 1). On y aperçoit, en effet, que le volume de glace dans l'hémisphère nord ne recommence à croître que dans 50 000 ans. Un premier stade glaciaire apparaît à 65 000 ans et il faut attendre 100 000 ans pour observer le prochain maximum glaciaire. Seuls les scénarios où la concentration future en CO₂ est inférieure à 220 ppmv [21] conduisent à une entrée précoce en glaciation (voir la courbe pointillée sur le graphique du volume de glace), une situation totalement improbable au vu des concentrations préindustrielles et actuelles.

Lors du précédent long interglaciaire, au stade isotopique 11 [4], l'insolation astronomique et le climat étaient très proches de ce que nous leur connaissons actuellement, hors impacts anthropiques. La concentration en CO₂ y avait une valeur typique des interglaciaires (légèrement supérieure à 280 ppmv [23]). Les simulations du climat de cette époque conduisent aussi à un long interglaciaire, illustrant toute l'importance du CO₂ quand les variations de l'insolation sont trop faibles pour faire varier le climat d'elles-mêmes.

Cette longueur inhabituelle de l'interglaciaire actuel semble d'ailleurs être bien confirmée par plusieurs enregistrements paléoclimatiques [5] and [6], celui de EPICA [14] en particulier. Toutefois, étant donné l'incertitude de l'échelle de temps du CO₂ à la base de la carotte de Vostok, il a paru opportun de vieillir ou de rajeunir la chronologie du CO₂ dans la simulation. Loutre [20] a ainsi pu montrer toute l'importance de la phase entre les évolutions de l'insolation et du CO₂ à cette époque. Si on vieillit les concentrations en CO₂ de 10 ka, on s'aperçoit que insolation et CO₂ diminuent de pair entre 410 et 400 ka BP, générant alors un court interglaciaire. Si on rajeunit le CO₂, sa concentration reste alors élevée pendant la phase de décroissance de l'insolation, comme c'est d'ailleurs le cas avec la chronologie de Vostok. Dans ces conditions, l'interglaciaire simulé est exceptionnellement long. Cette même relation de phase favorable à un long interglaciaire est bien celle de l'Holocène. On s'aperçoit, en effet, que l'insolation d'été commence à décroître à partir de 10 ka BP, alors que la concentration en CO₂ reste élevée, voire augmente à partir de 7 ka BP. Si on en croit les leçons du passé, les conditions sont donc bien remplies pour engendrer un long interglaciaire holocène, du moins en ce qui concerne les valeurs d'insolation et du CO₂.

Cette augmentation du CO₂ au sein de l'Holocène a aussi soulevé le problème du début de l'action des activités humaines sur le climat. Ruddiman [24] a, en effet, suggéré que cet accroissement de quelques dizaines de ppmv serait en fait d'origine anthropique. Selon lui, ceci aurait même retardé l'entrée en glaciation de notre planète. Cette idée, bien qu'attractive, est toutefois combattue du strict point de vue du cycle du carbone [9], les arguments avancés par Ruddiman liés essentiellement à la modification de la couverture végétale ne semblant pas pouvoir être les principaux responsables de la concentration préindustrielle des gaz à effet de serre. De plus, divers scénarios d'évolution hypothétique du CO₂ au cours des dernières 10 000 années tendent à montrer que l'hypothèse de Ruddiman a très peu de chance d'être vraie. À partir du modèle de LLN, plusieurs expériences ont en effet été réalisées. On a supposé que l'évolution du CO₂ à partir de 7 ka BP (où la concentration était légèrement inférieure à 260 ppmv) aurait pu être celle des stades isotopiques 9 ou 7 notamment [11]. Parmi toutes ces simulations, seule celle basée sur le scénario du stade isotopique 7, où la concentration en CO₂ décroît rapidement pour atteindre 230 ppmv actuellement, conduit à l'entrée en glaciation. Ce résultat confirme, une fois de plus, l'importance de la décroissance simultanée de l'insolation et du CO₂ aux époques où l'orbite terrestre devient circulaire pour entrer en glaciation.

La concentration en CO₂ dans l'air a dépassé les 376 ppmv en 2004, une valeur qui est déjà bien au-delà des valeurs typiques d'interglaciaire (~290 ppmv). C'est pourquoi nous avons aussi testé la réponse du modèle aux perturbations anthropiques. Les scénarios utilisés supposent des concentrations atteignant jusqu'à 750 ppmv au cours des 200 prochaines années et retournant aux concentrations « naturelles » après 1000 années [3] and [21]. Les résultats de ces expériences numériques suggèrent que, sous l'emprise de faibles variations d'insolation, il existerait une valeur seuil du CO₂ au-delà de laquelle la calotte du Groenland disparaîtrait. Dans ce cas, le système climatique mettrait quelque 40 000 ans pour retrouver une évolution « naturelle » et donc oublier les perturbations artificielles induites par les activités humaines au cours du troisième millénaire. Un effet de serre irréversible (à l'échelle humaine) pourrait dès lors être la caractéristique principale de notre climat futur. Si le Groenland et l'Antarctique de l'Ouest venaient à disparaître, l'Anthropocène de Crutzen et Stoermer [12] servirait de transition toute désignée entre le Quaternaire et la prochaine époque géologique (le Quinternaire ?). Une telle prédiction rejoint celle faite par J. Murray Mitchell Jr, qui, en 1972, prédisait que « l'impact des activités humaines sur le climat futur serait vraisemblablement un réchauffement global, favorable dès lors à la perpétuation du présent interglaciaire » [18 (p. 436)].

En résumé, nous entrons dans une période exceptionnelle, au cours de laquelle l'insolation restera presque constante. Cette situation va exacerber le rôle des autres agents qui contrôlent le comportement du système climatique, en particulier les concentrations en CO₂ et autres gaz à effet de serre. Sous une concentration naturelle de quelque 290 ppmv, une valeur déjà très peu fréquente à l'échelle du Quaternaire, la longueur simulée de l'interglaciaire actuel apparaît aussi comme exceptionnelle, atteignant quelque 50 000 ans. De plus, les tests effectués en tenant compte de l'impact possible des activités humaines montrent qu'il existe, dans notre modèle, un seuil de CO₂ (d'environ 700 ppmv) à partir duquel la calotte polaire du Groenland pourrait fondre. En conséquence, il semble exclu de parler encore d'entrée en glaciation imminente et une telle hypothèse ne peut plus, en aucune manière, être prise comme excuse pour autoriser la poursuite des émissions de CO₂ sans contrôle ni limite, avec l'espoir hypothétique que le réchauffement global qui s'ensuivrait contrecarrerait l'entrée naturelle en glaciation.

Finalement, la plupart des simulations climatiques réalisées à ce jour confirment que la distribution et l'amplitude des variations climatiques globales que nous subirons vraisemblablement dans le futur seront très semblables à celles qui prévalaient durant les phases les plus chaudes des quelques dernières dizaines de millions d'années. La reconstruction de ces climats du passé, où température et concentration en CO₂ dans l'air étaient au moins égales à celles d'aujourd'hui, nous permettrait dès lors d'améliorer notre compréhension du comportement du système climatique et nous servirait de guide pour prédire le climat futur et ses impacts sur l'environnement global.