Les glaces terrestres, la cryosphère 3/3

par J.C. Maurin, Professeur agrégé de physique

Article initialement publié le 10 avril 2020 dans Sciences Climat Energie

3ème partie : la diminution de la cryosphère est-elle démontrée dans l’AR5?

La contribution de la cryosphère à la hausse du niveau des mers est abordée dans le chapitre 4 du rapport AR5 du GIEC [1]. Les banquises [2] ne figurent pas parmi les contributeurs car leur fonte ne peut affecter les niveaux marins.

Le GIEC est persuadé que la masse de la cryosphère a diminué entre 1992 et 2012. Cette certitude de l’organisme intergouvernemental est fondée sur sa grande confiance dans des modèles gravimétrique/altimétrique et sur des marges d’erreur très optimistes, particulièrement en Antarctique [3] et sur les glaciers [4].

1. Bilan gain/perte pour la cryosphère selon le GIEC

1.1  Bilan Gain /perte 

Selon les rédacteurs du GIEC, trois composantes contribuent à la hausse des niveaux marins.  Les glaciers [4] seraient les premiers contributeurs, suivis par ‘Greenland’ et enfin par ‘Antarctica’.
Ces trois composantes constituent 99,9% de la cryosphère (Fig. 1a).

L’AR5 présente en page 41 du ‘Technical Summary’ ce même graphique mais avec  la légende suivante : Distribution of ice loss  determined from Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) time-variable gravity.

Le tableau ci-dessous reprend les bilans gain/perte (selon le GIEC) de ces trois composantes de la cryosphère.

Pour les années 1992-2012, les trois contributions selon l’AR5 (lignes 1, 2 et 3) entraîneraient une hausse totale des niveaux marins de 29,5 mm ± 6 mm, soit une diminution de la cryosphère de -10710 Gt ± 2180 Gt.
Cette marge d’erreur (selon l’AR5)  montre que le GIEC est certain d’une diminution de la cryosphère.
En revanche, une marge d’erreur ≥ bilan gain/perte (-10710 Gt) signifierait : « nous ne savons pas »

A des fins de comparaison, on utilise aussi (ligne 3’) pour Antarctica  un article de Zwally et al. (2015) [3], postérieur à la publication AR5. La substitution de la ligne 3 par 3’ donnerait un nouveau bilan total (ligne 4’) de -6675 Gt ±2615 Gt [5].
Ce nouveau bilan serait sensiblement différent de celui de l’AR5 (-10710 Gt ± 2180 Gt).

1.2  Remarques complémentaires 

• Il est instructif de comparer la correction AR4/AR5 (Fig. 1b) sur la masse de l’Antarctique  + 680 000 Gt avec le bilan gain/perte de la cryosphère (AR5) de  -10 710 Gt et la marge d’erreur  ±2180 Gt
• La  diminution selon l’AR5 (-10710 Gt) de la cryosphère est très faible, comparée à sa masse: -0,0107 10⁶ Gt / 26,2 10⁶ Gt = -0,04%. Une diminution aussi faible est-elle mesurable ? Le tableau ci-dessous donne des éléments d’appréciation.

2. Les marges d’erreur

2.1  Introduction 

• Les extraits suivants de l’AR5 illustrent les marges d’erreur selon le GIEC:
  – ‘ At  present, it is not possible to quantify  all  sources of uncertainty in mass budgets’  (Volume and Mass Change Measurements  page 337, AR5);
  – If uncertainties can be quantified probabilistically, an author team can characterize a finding using the calibrated likelihood language or a more precise presentation of probability  (Box S1 page 36  Technical Summary);
  – In  Antarctica,  available  data  are  inadequate  to  assess  the  status  of  change  of  many  characteristics  of  sea  ice  (e.g.,  thickness  and  volume).{4.2.3}. On a global scale the mass loss from melting at calving fronts and iceberg calving are not yet comprehensively assessed. The largest uncertainty in estimated mass loss from glaciers comes from the Antarctic, and the observational record of ice–ocean interactions around both ice sheets remains poor {4.3.3, 4.4}  (TS 6.1 page 114 Technical Summary).

La tonalité pessimiste de ces extraits de l’AR5 se traduit pourtant par des marges d’erreur réduites (Fig. 2c). Le GIEC est donc optimiste sur la connaissance de la cryosphère (marge d’erreur réduite = optimiste ). Les paragraphes suivants vont amener quelques éléments en faveur de marges d’erreur plus larges, donc moins optimistes.

2.2  Marge d’erreur  ‘Glaciers’ (principal contributeur selon l’AR5)

• La marge d’erreur sur la variation ‘Glaciers’ (±3 mm soit  ± 0,73% de 410 mm) peut utilement être rapprochée de la marge d’erreur sur le stock  ‘Glaciers’ : ± 26% (masse glaciers = 152897 Gt ± 3898 Gt) [5].  ici  § 2.3,
  Pour les glaciers, la connaissance des variations de masse serait donc 26 / 0,73 = 35 fois meilleure que la connaissance de leur masse totale: la marge d’erreur sur les variations ne serait-elle pas optimiste ? 
• Le tableau 4.5 en page 344 de l’AR5 permet de calculer la variation 1992-2012 SLE ‘all glaciers’ = 15 mm ± 5.4 mm, [5, onglet verif glaciers], que l’on peut comparer avec la marge d’erreur dans le bilan selon l’AR5 = 16mm ± 3 mm (Fig. 2b). Y aurait-il transformation d’une erreur 2 sigma en une erreur 1 sigma ?  (sigma voir ici);  
• Le nombre de glaciers suivis par des mesures in situ est très faible: le World Glacier Monitoring Service [ici] ne dispose des bilans de masse que pour ≈ 300 glaciers sur les 200000 répertoriés (0,15% des glaciers répertoriés) [4, Mazeiron et al. 2012];
• La consultation du bilan selon le WGMS (Table 2) conduit aux interrogations suivantes :
  1) l’échantillonnage est-il suffisant?
  Sur les 200 000 glaciers, seulement une quarantaine de glaciers de référence (0,02%) ont des séries temporelles supérieures à 40 ans. 
  2) l’échantillonnage est-il représentatif ?
  Sur les 40 glaciers de référence, on en trouve 19 en Scandinavie ou dans les Alpes, soit 48% des glaciers de référence. Malheureusement, la masse des glaciers alpins et scandinaves ne représente que 0,22% de la masse totale des glaciers.
  A ce sujet, un lecteur intéressé peut (re)lire dans la partie 2/3 le paragraphe 2.32 et consulter la Fig. 6a; 
• Rappelons surtout que la composante ‘Glaciers’ serait (selon l’AR5) le premier contributeur à la hausse du niveau des océans.

2.3  Marge d’erreur ‘Ice Sheets’

• Les estimations du bilan gain/perte reposent principalement sur des techniques de gravimétrie et d’altimétrie.
  Celles-ci supposent une connaissance précise du mouvement du sol sous-jacent à la couche de glace. Ce mouvement est essentiellement modélisé : le résultat des observations par altimétrie/gravimétrie dépend fortement du choix du modèle GIA (Global Isostatic Adjustment);
• La marge d’erreur pour l’Antarctique (±1,5 mm) serait comparable à la marge d’erreur (±1,5 mm) pour le Groenland, alors que l’Antarctique est 7 fois plus étendu que le Groenland.

Le paragraphe suivant examine les articles cités par le GIEC pour justifier son bilan gain/perte en Antarctique et au Groenland.

3. Articles justifiant le bilan gain/perte de l’AR5

Les pages 380/382 de l’AR5 (appendix 4.A) [1] listent les articles utilisés.
Les rédacteurs du GIEC distinguent des articles « used » et « not used » (for calculation of ice loss).
Le tableau ci-dessous récapitule l’analyse statistique succincte des 68 articles.

Remarques sur la Fig. 3 :

On lit en page 350 de l’AR5 : « The error limits used in this assessment are derived from the absolute maximum and minimum mass balance estimate for each year. These have been converted to the 90% confidence interval (5 to 95%, or 1.65 σ). The cumulative error is weighted by 1/√n , where n is the number of years accumulated »;     
La pondération 1/√n  n’est applicable (dans la théorie de la mesure) que dans certaines conditions qui ne semblent  pas réunies ici. En conséquence, dans le tableau de la Fig. 3, on n’a pas utilisé de facteur de pondération (1/√20 = 0,22) ni de conversion vers 1.65 σ;Dans ces conditions, on remarque :
–  Pour Antarctica, les 27 sources donnent (en moyenne et sur 20 ans) un bilan gain/perte ≈ -1964 Gt ± 1093 Gt, ce qui est comparable au bilan de l’AR5 ≈ -1995 ± 545 Gt. En revanche, la marge d’erreur moyenne des 27 sources est ±1093 Gt soit le double des ± 545 Gt, selon l’AR5.
– En prenant seulement les 11 sources ‘used’, on a toujours une marge d’erreur bien plus grande (±1016 Gt versus ± 545 Gt). 

Autres remarques sur le bilan en Antarctique

• La dispersion est très importante parmi les 27 sources: les bilans sont compris entre +540 Gt et -4400 Gt.
  Pas moins de 5 sources ‘used’ ont des valeurs qui sont incompatibles (marge d’erreur comprise) avec le bilan selon l’AR5  à savoir -1995 ± 545 Gt ou[-1450 -2540].   

On constate que 14 sources sur 27 utilisent GRACE (gravimétrie) et 6 autres utilisent le radar (altimétrie) : la marge d’erreur devrait croître avec la surface mesurée.
Pourtant la marge d’erreur Antarctica  est comparable avec celle de Greenland (7 fois moins étendu).

4.  Discussion à propos de la marge d’erreur en Antarctique 

• De nombreux articles scientifiques ont été publiés depuis la parution de l’AR5. Examinons 2 d’entre eux :
  – Selon l’article Zwallly et al. 2015 [2] [5] l’Antarctique gagnerait de la masse entre 1992 et 2012 : le bilan serait +2040 Gt ± 980 Gt, ce qui est fortpeu compatible avec le bilan en Antarctique selon l’AR5 ( –1995 Gt ± 545 Gt).
  – Selon l’article ‘Mass balance of the Antarctic Ice Sheet from 1992 to 2017’ [2] le bilan serait de -2 720 ± 1390 Gt, soit 7.6 ± 3.9 millimètres (errors are one standard deviation).  Avec un intervalle de confiance à 2 sigmas, le bilan serait -2720 ± 2780 Gt  (7,6 ±7,8 mm SLE)  il n’est alors plus certain que l’Antarctique perde de la masse.

Normalisation avec la surface.
La valeur du bilan de masse (1992-2012) en Antarctique retenu par l’AR5 (Fig. 2b) est donc -1995 Gt ± 545 Gt.
La figure 4 permet l’examen d’une normalisation de la marge d’erreur avec la surface. 
– Le tableau A (Fig. 4) reprend les marges d’erreur selon le GIEC et calcule une ‘erreur surfacique’ (erreur en Gt/ surface en Mkm²). On obtient ±1557 Gt par Mkm² pour les glaciers, ±320,6 Gt par Mkm² pour Greenland, mais seulement ± 44 Gt par Mkm² pour Antarctica  (surface ice sheets) . 

– Le tableau B remplace l’erreur surfacique initiale d’Antarctica (± 44 en ligne 3) par celle du Groenland (±320,6 en ligne 3’’) ou des glaciers (±1557 en ligne 3’’’). On en déduit alors l’erreur sur la surface totale d’Antarctica : le bilan cryosphère ne change pas (-10710 Gt) mais la marge d’erreur est modifiée.
La ligne 3’ rappelle le résultat de la Fig. 2b : la substitution des valeurs tirées de l’article de Zwally donne un bilan pour la cryosphère de -6675Gt ± 2615 Gt. 
Dans le cas particulier d’une erreur surfacique identique à celle des glaciers, on obtient pour la cryosphère un bilan gain/perte  -10710 Gt ± 20944 Gt : Il n’est alors pas certain que la cryosphère soit en diminution lors des dernières décennies. 

Conclusions

• La basse atmosphère de la Terre subit probablement un très faible réchauffement depuis la fin du Petit Âge de Glace (≈1850). Il est donc possible, mais pas certain, que la diminution des glaciers alpins puisse refléter une diminution plus générale de la cryosphère.   
• L’observation de l’ensemble de la cryosphère date seulement de l’ère des satellites. Selon le chapitre 4 de l’AR5, ces observations récentes permettraient de démontrer que la cryosphère est en  diminution lors des dernières décennies.

• La diminution relative de la cryosphère est très faible (-0,04%), et ce résultat est basé principalement sur des observations aériennes récentes, associées à de la modélisation. 
  A cet égard, on doit s’interroger : ces moyens d’observations et la modélisation associée permettent-ils vraiment de voir les très faibles variations de masse ? (« Assurons-nous bien du fait avant que de nous inquiéter de la cause »). 
  
• La littérature récente montre que le sens de variation est incertain en Antarctique (89,1% de la cryosphère). 
  La marge d’erreur du bilan gain/perte en Antarctique semble très optimiste.
  La faible marge d’erreur du contributeur  principal  ‘Glaciers’  doit aussi être interrogée : la localisation de l’IPCC et du WMO à Genève, à proximité des glaciers alpins, a-t-elle pu influencer le jugement ?
  
• Les considérations ci-dessus fragilisent le bilan gain/perte selon l’AR5 : une diminution (1992-2012) de la cryosphère est-elle vraiment démontrée ? 

Epilogue

• Le travail des rédacteurs du GIEC est certainement difficile : leur rapport risque d’être entièrement lu avec attention, éventuellement par des scientifiques critiques, qui pourraient même vérifier les moindres détails. 

• Dans le prochain  AR6, les rédacteurs devront intégrer certaines publications scientifiques postérieures à 2013.

Selon l’article Zwally et al. (2015), la marge d’erreur du bilan gain/perte en Antarctique, ne recouvre pas celle de l’AR5. Jay Zwally semble être un auteur qualifié aux yeux du GIEC car il est cité à 2 reprises (p. 383 AR4) puis à 5 reprises (p. 379  AR5). L’article Zwally et al. (2015) [3] sera-t-il retenu pour l’AR6? Les marges d’erreur très optimistes de l’AR5 seront-elles revues?

Le travail des rédacteurs de l’AR6 n’est pas seulement difficile, il est aussi cornélien lorsque il faut résoudre certains problèmes apparemment inconciliables, par exemple :

–  une révision à la hausse des marges d’erreur entraînerait une faible certitude de la diminution de la cryosphère, voire aucune certitude. 
– une révision à la baisse du bilan gain/perte aurait des conséquences ennuyeuses : dans le chapitre 13 [1], les rédacteurs de l’AR5 avaient fait état d’une hausse des niveaux marins de 3,2 mm/an ± 0,4 mm/an. Il faudrait donc que les rédacteurs du futur AR6 parviennent à trouver une explication à une hausse du niveau des océans de 56 mm à 72 mm en 20 ans.

–  Mais le problème le plus épineux des rédacteurs réside, peut-être, dans l’opposition entre l’investissement dans un rapport de ≈ 1500 pages soutenu par de nombreux organismes intergouvernementaux, et le difficile aveu :
« Nous ne savons pas ».

REFERENCES

[1]  Rapports GIEC  
– Ch.4 AR5  (2013)   https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/WG1AR5_Chapter04_FINAL.pdf
– Ch.8 AR5 (2013)   https://archive.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar5/wg1/WG1AR5_Chapter08_FINAL.pdf     
– Ch.13 AR5 (2013)  https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/WG1AR5_Chapter13_FINAL.pdf
 After accounting for the ~ –0.3 mm yr–1 correction related to the increasing size of the global ocean basins due to GIA (Peltier, 2009), a GMSL rate of 3.2 [2.8 to 3.6] mm yr–1 over 1993–2012 is found by the different altimetry data processing groups    →   à lire en page 1150   The Satellite Altimeter Record 
– Ch.4 AR4   (2007)  https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/ar4-wg1-chapter4-1.pdf
– Technical Summary   (2013)   https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/WG1AR5_TS_FINAL.pdf
-Spécial Report Océan and Cryosphère (2019)   https://www.ipcc.ch/srocc/

[2]  Glaces de mer ou banquises    
–  Arctic Data Archive system  Extent  https://ads.nipr.ac.jp/vishop/#/extent
– NSIDC  National snow and ice Data  http://nsidc.org/arcticseaicenews/charctic-interactive-sea-ice-graph/

[3]  Antarctique    
–  Les observatoires en Antarctique  https://fr.wikipedia.org/wiki/Liste_de_bases_antarctiques
– Les gains à l’Est sont inférieurs aux pertes à l’Ouest: 
Mass balance of the Antarctic Ice Sheet from 1992 to 2017: https://orbi.uliege.be/bitstream/2268/225208/1/IMBIE_Nature_2018.pdf
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0179-y
– Les gains à l’Est sont supérieurs aux pertes à l’Ouest :
Mass gains of the Antarctic ice sheet exceed losses   Zwally et al  (2015)    doi:10.3189/2015JoG15J071    https://pdfs.semanticscholar.org/7cca/82fa14de7865472b781289636c1f172c459f.pdf
– IMBIE  Bilans gain/perte     http://imbie.org/imbie-2012/results/     
 http://imbie.org/data-files/imbie_dataset-2012_11_29.xlsx
– Refroidissement en Antarctique: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2017GL072937
– Neige en antarctique: https://www.nature.com/articles/s41558-018-0356-x

[4] Glaciers WGMS  
– World Glacier Monotoring Service    
 http://www.wgms.ch
Global Glacier Changes: facts and figures
– GTNG  Global Terrestrial Network for Glaciers
   https://www.gtn-g.ch/data_catalogue/
– Mazeiron et al. (2012)
  https://www.the-cryosphere.net/6/1295/2012/tc-6-1295-2012.pdf
« The main obstacle to progress is a severe undersampling problem: direct glaciological measurements, e.g. of surface mass balances have  been  performed on ∼300  glaciers  world  wide.  Thenumber  of  glaciers  on  which  these  types  of  measurementshave  been  carried  out  for  time  periods  longer  than  30 yr, i.e.  over  periods  that  potentially  allow  for  the  detection  ofa climate change signal, is one order of magnitude smaller. »

 [5] Le tableur « Cryosphère 3» met en forme les données dans 7 feuilles de calcul.