Stable au cours des deux derniers millénaires le niveau moyen de la mer a commencé à augmenter vers le milieu du dix neuvième siècle. Estimée à 1,8 mm par an pendant le vingtième siècle, l’élévation du niveau de la mer aurait brusquement accéléré (+3,4 mm par an) depuis le début des mesures par satellitaires (1993). Cette accélération est-elle réelle, peut-elle être liées à un changement climatique planétaire, n’est-elle pas le résultat d’une oscillation incomplètement observée, ou d’erreurs de mesures ? Ces question retrouvent toute leur actualité au moment où une erreur instrumentale des radars embarqués sur les satellites (qui a conduit à surestimer de 1,5 mm par an la vitesse d’élévation de la mer de 1993 à 1998) vient d’être révélé au grand public .
1. Mesurer la hausse du niveau de la mer est un défi
Les marées, les vents, la température et la salinité de l’eau, les variations topographiques, la pression atmosphérique provoquent des variations du niveau des mers de l’ordre de quelques centimètres à plusieurs mètres selon les régions et sur des échelles de temps allant de quelques heures (marées, pression atmosphérique), à plusieurs années.
Les marées ont une amplitude moyenne d’un mètre ; mais dans quelques zones du plateau continental leur amplitude peut dépasser 10 mètres. De plus les marées évoluent selon des cycles dont la périodicité est de 18,75 années.
Les variations topographiques : si la terre était entièrement couverte d’un océan homogène et au repos, sans courants ni marées, le niveau moyen de l’océan coïnciderait avec une surface bosselée appelée le géoïde. La surface réelle de l’océan présente des creux et des bosses et s’écarte du géoïde d’environ +-1m du fait des courants marins.
Température et salinité : à l’échelle saisonnière le niveau moyen de la mer varie en fonction des quantités de chaleur et de sel emmagasinées dans l’océan de la surface au fond. Aux latitudes tempérées, on observe une hausse du niveau moyen en été, suivie d’une baisse en hiver. Les variations de salinité produisent l’effet inverse : l’augmentation de salinité entraîne la contraction de la colonne d’eau et inversement. Ces variations dites stériques écartent la surface de la mer du géoïde d’environ +-10 cm.
La pression atmosphérique : une augmentation de 1 millibar fait baisser le niveau de la mer de 1 cm : c’est l’effet de baromètre inversé. Les vents : le frottement du vent entraîne les eaux superficielles vers l’ouest : la topographie de la surface de l’océan le long de l’équateur révèle une pente ascendante d’est en ouest, avec des niveaux moyens supérieurs à l’ouest des bassins d’environ 10 cm pour l’océan atlantique et de 50 cm pour le pacifique.
2. Comment est mesurée l’élévation du niveau de la mer
Jusqu’aux mesures satellitaires on ne disposait que des marégraphes pour décrire et comprendre les variations passées du niveau des océans. Il y a aujourd’hui 1000 stations, dont 112 ont commencé leurs relevés avant 1900. Mais les marégraphes présentent 2 inconvénients :
- Ils ne mesurent qu’un niveau de la mer relatif incluant les mouvements verticaux du socle sur lequel il repose ;
- leur répartition n’est pas homogène : ils sont situés en majorité dans les régions tempérées de l’hémisphère nord.
Depuis 1992 on dispose de radars embarqués sur des satellites. Utilisés à partir de 1992 les satellites TOPEX/Poseidon et leurs successeurs, Jason-1 de 2001 à 2013, Jason-2 depuis 2008 (toujours en opération) et Jason-3 depuis lancé en janvier 2016.
Ils ont révolutionné lʼocéanographie en permettant lʼaccès à lʼocéan du large difficile à observer par les mesures in situ des marégraphes, avec une couverture spatiale dense et une répétition des traces au sol régulière; placés sur une orbite fortement inclinée à 1 336 km ils survolent 95 % des océans libres de glace tous les 10 jours.
Lancé par l’agence spatiale européenne (ESA), le satellite ENVISAT (ENVIronment SATellite) a effectué de 2002 à 2012 un suivi de l’état environnemental de la planète (dont les océans) avec une couverture lui permettant d’observer l’océan arctique, ce qui n’est pas le cas de TOPEX/Poseidon et de Jason du fait de leur inclinaison sur le plan de leur trajectoire. La mission Envisat qui s’est terminée en avril 2012 a été remplacée par les satellites de la série Sentinel : Sentinel-2A en juin 2015, rejointe par Sentinel-2B depuis mars 2017. Placés sur une orbite à 786 km d’altitude, ils assurent une couverture de 100% de la surface de la terre.
Les satellites n’ont pas rendu obsolètes les marégraphes au contraire. Malgré leurs imperfections les marégraphes sont les seuls équipements susceptibles de fournir des indications portant sur des périodes de longue durée significatives d’évolutions climatiques. De plus les marégraphes servent à la validation in situ des mesures satellitaires.
3. A quelle vitesse la mer s’élève t-elle ?
La hausse du niveau des mers a commencé au milieu du 19ème siècle
Au maximum de la dernière glaciation (-20 000 à -18 000 ans), le niveau des océans était de 130 à 140 mètres au dessous du niveau actuel. La stabilisation du niveau des mers est récente : elle ne date que d’environ 6000 ans, à la fin de l’époque glaciaire. Au cours des deux derniers millénaires le niveau moyen a peu varié (hausse inférieure à 0,5 millimètre par an).
Vers le milieu du 19ème siècle, la mer a commencé à monter de façon abrupte (Bruce C. Douglas and W. Richard Peltier[1]). Une étude[2] publiée en 2008 dans la revue Geophysical research letter, suggère que l’accélération de l’élévation du niveau de la mer pourrait même avoir commencé dès la fin la fin du 18ème siècle.
Source : Geophysical research letter
Le niveau de la mer s’est élevé de +1,8 mm par an au XXème siècle
Selon Bruce C. Douglas et W. Richard Peltier [3] aucune étude n’a détecté d’accélération significative du niveau de la mer pendant le 20ème siècle, les valeurs retenues allant de 1mm à 2,4mm par an.
Étant donné que le niveau de la mer présente une variabilité interannuelle et décennale considérable, le taux d’élévation dépend de la durée et de la date de début des données utilisées. Par exemple, Church et White (2006)[4] ont constaté que le taux global d’élévation du niveau de la mer était de 1,7 ± 0,3 mm par an pour le 20ème siècle, 0,71 ± 0,4 mm par an pour 1870-1935 et 1,84 ± 0,19 mm pour 1936-2001. Dans son rapport AR5 de 2013 le GIEC indique une élévation de 1.7 ± 0.4 mm par an pour la période 1948 -2002, sur la base des données de 177 stations.
4. L’ accélération de l’ère satellitaire : artefact des mesures ?
Le début des mesures satellitaires en 1993 coïnciderait avec une “brusque” accélération de l’élévation du niveau de la mer. Selon l’ Université du Colorado [5]qui exploite les données des satellites Topex/Poseidon/Jason, la pente de la courbe d’élévation du niveau de la mer serait de 3,4 mm par an entre 1993 et 2016.
Evolution 1993-2016 (Source University of Colorado)
Des écarts importants entre les différentes missions satellitaires
On remarque d’abord des écarts importants entre les différentes missions satellitaires : ainsi les mesures Envisat donnent une pente plus faible (2,76 mm par an) que celle de Topex/Jason. La courbe multi-missions [6]fournie par l’agence spatiale Européénne (ESA) qui intègre les données Envisat (en jaune sur le diagramme ci-dessous) donne une pente de 3,08 mm par an entre 1993 à 2013.
Courbe multi-missions 1993-2013 (Source ESA/CLS/CNES/LEGOS)
Les courbes ci-dessous [7]établies par l’agence française AVISO (organisme français issu du CNES) pour la période 2004-2012 mettent en évidence une divergence entre les mesures Jason et celles d’Envisat encore plus marquée :
Cross calibration Envisat-Jason (Source Aviso-Cnes)
Des erreurs de mesure dues à la défaillance d’équipements révélées en 2017
Dès 2012 des chercheurs français de la société Collecte Localisation Satellites [8]avaient montré une dérive significative de l’altimètre Topex B embarqué sur le satellite Topex-Poséidon, mais cette dérive n’avait pas été quantifiée car on pensait que son effet était mineur. Trois ans plus tard, une équipe australienne estime que ce biais de mesure se situe entre 0,9 mm et 1,5 mm. Selon Le Monde du 29 avril 2017 [9], Anny Cazenave a confirmé la fourchette haute de l’estimation australienne de 2015, soit 1,5 mm artificiellement ajoutés chaque année à la mesure de l’élévation du niveau de la mer entre 1993 et 1998.
L’élévation du niveau de la mer ralentit selon une étude de 2016
Dans un étude[10] publiée en août 2016 des scientifiques du « Sea level group » (Université du Colorado) indiquent que contrairement à ce qui était attendu, le taux d’élévation du niveau de la mer a diminué entre la première et la deuxième décennie des relevés satellitaires. Même si l’étude impute cette diminution à l’éruption de Mont Pinatubo en 1991 qui aurait masqué une accélération qui aurait eu lieu autrement, il est intéressant de relever que ce constat émane de l’une des trois institutions mondiales [11]traitant les données satellitaires.
Carl Wunsch : un système intrinsèquement “bruité”
En décembre 2007 l’océanographe Carl Wunsch a publié un article [12]dans lequel il estime la hausse du niveau de la mer à 1,6 mm an pour la période 1993-2000, soit environ 60% de l’estimation altimétrique pure. Il note par ailleurs que les variations régionales étant plus importantes que les valeurs moyennes il s’en suit que le système est intrinsèquement “bruité”. Selon lui des erreurs systématiques sont susceptibles d’entacher la plupart des estimations compte tenu de la brièveté des observations spatiales et de l’approximations des modèles. il conclut son article ainsi :
il est possible que la base de données soit insuffisante pour déterminer une tendance avec la précision nécessaire pour discuter d’un impact du réchauffement global, aussi décevant que cela puisse être.
5. Le niveau de la mer est marqué par d’importantes variations spatiales et temporelles
Les données satellitaires montrent une grande variabilité spatiale et temporelle. La mer ne monte pas de façon uniforme : dans certaines régions (Pacifique Ouest), l’élévation est trois fois plus rapide que la moyenne, dans d’autres régions (Pacifique Est) la hausse est plus faible que la moyenne, voire négative. D’autre part la hausse n’est pas linéaire mais sujette à des variations décennales et multi décennales.
Signature visible des événements El Niño
Dans un article de juin 2009 [13]des scientifiques du Legos (dont Annie Cazenave) et du CLS (filiale du CNES, de l’IFREMER) montrent que les fluctuations du niveau de la mer sont des réponses à des perturbations naturelles du système climatique et notamment des évènements El Niño-La Niña.
Cette corrélation apparaît clairement dans le graphique ci-dessous établi par l’université du Colorado[14].
Source : Sea level research group (University Of Colorado)
Des cycles de 60 ans
En 2008 Jevrejeva et al. [15]ont montré que l’élévation du niveau de la mer est ponctuée par des périodes d’accélération et de décélération. Ils ont déterminé une périodicité de 60 à 65 ans, les hausses les plus rapides s’étant produites entre 1920 et 1950 (jusqu’à 2,5 mm par an) et entre 1992 et 2002 (3,4 mm). Woodworth (2008)[16] qui a travaillé sur les données marégraphiques d’Europe et d’Amérique du Nord met en évidence une accélération dans la période 1920-1930 et une décélération dans les années 1960.
Selon Chambers and al[17], les données des marégraphes montrent au cours du 20e siècle de fortes oscillations multi-décennales avec une périodicité de 60 ans et cela dans tous les bassins océaniques.
Ces cycles de 60 ans ont également été relevés par Church and White[18] en 2011 comme le montre le graphique suivant :
Source Church and White (2011)
6. L’énigme du niveau de la mer
L’élévation du niveau de la mer est la résultante des deux processus suivants :
- la dilatation de l’océan dues aux modifications de densité causées par des variations de la température (effet stérique) ;
- la modification de la masse de l’océan résultant d’échanges d’eaux avec les autres réservoirs (atmosphère, glaciers de montagne, calottes polaires) ;
En 2002 l’océanographe Walter Munk constatait que la somme des deux contributions (dilatation thermique de l’océan et fonte des glaces) était trop faible pour expliquer l’élévation observée du niveau de la me : il a appelé cette incohérence l’énigme de niveau de la mer[19].
Le budget du niveau de la mer : un empilement d’incertitudes.
Les scientifiques s’emploient à boucler ce qu’ils appellent le budget du niveau de la mer en déterminant séparément les deux contributions climatiques. L’effet stérique est mesurable avec plus de précision depuis le déploiement des balises ARGO (2007). Le système satellitaire GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) mis en service en 2002 permet quant à lui de mesurer l’effet masse.
Ces savants calculs empilent en réalité les incertitudes, de sorte que l’estimation de la part de chaque contribution diverge beaucoup selon les auteurs comme le montrent les graphes ci-dessous (établis par Annie Cazenave).
Source : Annie Cazenave
Le rebond isostatique, clé de l’énigme ?
La principale incertitude réside dans la prise en compte du rebond isostatique post glaciaire (Global Isostatic Adjustment) qui correspond au soulèvement des masses terrestres qui a suivi la dernière déglaciation (20 000 ans). Ce rebond isostatique ne pouvant pas être “observé”, Il est calculé à l’aide de modèles avec un haut niveau d’incertitude. Trois scientifiques français [20]écrivent à ce sujet :
La détermination de ces mouvements doit se faire avec une précision dʼune fraction du signal recherché, qui est de lʼordre de quelques millimètres par an. A ce niveau de précision, les modèles de GIA présentent des limites qui sont associées aux incertitudes dans la connaissance des paramètres du modèle de Terre, par exemple le profil de viscosité dans le manteau ou bien lʼépaisseur de la lithosphère, mais aussi dans lʼhistoire de déglaciation. Par ailleurs, la question reste posée pour les nombreux autres processus à lʼorigine de mouvements verticaux du sol pour lesquels il nʼexiste pas de modèles de qualité suffisante.
Le budget du niveau de la mer varie ainsi de façon significative selon le choix du modèle choisi pour le rebond géostatique :
Eric Leuliette [21](NOAA) a recensé les corrections appliquées par différents auteurs :
- Willis et al. (2008), Leuliette and Miller (2009) ont appliqué une correction de presque +1 mm/an sur la base du modèle développé par Paulson et al. (2007),
- Cazenave et al. (2009) ont appliqué une correction de +2 mm/an sur la base du modèle Peltier (2004).
Chambers et al. (2010) ont suggéré que le modèle Paulson était le plus approprié pour corriger les calculs de masse de l’océan issus de GRACE.
Les données brutes GRACE ne montrent pas d’augmentation de la masse de l’océan
Pour obtenir un changement de masse de l’océan leur permettant d’équilibrer le budget, Annie Cazenave et ses collègues [22]ont appliqué aux données brutes GRACE de l’augmentation de la masse de l’océan sur la période 2003-2010 une correction GIA massive :
En 2009 Richard Peltier [23](spécialiste mondial du GIA) indique que les données brutes de masse ne marquent pas d’accroissement de masse, mais plutôt une diminution[24]. Selon lui, dans la mesure où les taux de perte de masse par les glaciers polaires et le gain de masse est fortement contaminé par le GIA, le succès dépendra aussi de la disponibilité d’un modèle GIA qui aura démontré sa précision.
Dans une étude publiée en 2010 dans Nature Geoscience [25]une équipe de chercheurs a déterminé qu’une mauvaise estimation de l’ajustement glaciaire isostatique avait conduit à une surestimation (d’un facteur 2) de la fonte des glaces pendant la période 2002-2008 : selon ces auteurs, si la partie Ouest de l’Alaska (le Yukon), les parties périphériques du Groenland et la partie Ouest de l’Antarctique ont subi des pertes de glace, la partie centrale du Groenland et le Kiss (en Antarctique) au contraire en ont gagné.
L’énigme du niveau de la mer résolu ?
Dans un article publié en avril 2017[26], Annie Cazenave affirme avoir équilibré le budget avec un “solde” résiduel de 0.0 ± 0.22. Une nouvelle évaluation la conduit à réduire la hausse du niveau de la mer période 1993-2008, mais à augmenter celle de la période 2004-2015 (+0,8mm), l’élévation moyenne de la période 1993-2015 restant proche de 3 mm par an.
Curieusement cette publication d’Annie Cazenave coincide avec la divulgation de l’erreur instrumentale qui a conduit à surrestimer la hausse du niveau de la mer de 1,5 mm par an pendant la période1993-1998.
L’énigme du niveau de la mer est-il pour autant résolu ? on en doute. Richard Peltier [27] (spécialiste mondial du rebond isostatique) estime que l’influence persistante de l’âge glaciaire du quaternaire sur le niveau de la mer reste profonde et que mesurer sa vitesse d’élévation exigerait de modéliser le comportement de la croute terrestre sur une période de 20 000 ans.
[1] The Puzzlz of global sea-level rise (http://ruby.fgcu.edu/courses/twimberley/enviropol/EnviroPhilo/PuzzleOfSeaRise.pdf)
[2] Did recent accelerations in global sea level rise start more than 200 years ago? (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2008GL033611/full)
[3] The Puzzlz of global sea-level rise (http://ruby.fgcu.edu/courses/twimberley/enviropol/EnviroPhilo/PuzzleOfSeaRise.pdf)
[4] Sea-Level Rise for the Coasts of California, Oregon, and Washington: Past, Present, and Future (https://www.nap.edu/read/13389/chapter/4)
[5] University Of Colorado, Sea Level Research Group (http://sealevel.colorado.edu/)
[6] Multi-mission global sea level trend from altimetry (1993-2013)http://www.esa-sealevel-cci.org/node/213
[7] Cross Calibration between Envisat and Jason &-2 (http://www.aviso.altimetry.fr/fileadmin/documents/OSTST/2010/oral/19_Tuesday/Tuesday_afternoon/faugere.pdf
[8] https://www.cls.fr
[9] http://www.leslilasecologie.fr/2017/04/pour-la-premiere-fois-une-acceleration-de-la-montee-des-oceans-est-observee.html?utm_source=_ob_share&utm_medium=_ob_facebook&utm_campaign=_ob_sharebar
[10] Fasullo et al “Is the detection of accelerated sea level rise imminent?” (http://sealevel.colorado.edu/content/detection-accelerated-sea-level-rise-imminent)
[11] Outre le l’université du Colorado, 3 institutions traitent les données satellitaires : AVISO (Archiving, Validation, and Interpretation of Satellite Oceanographic Data), organisme français, issu du CNES, le CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization) of Australia, la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration).
[12] Carl Wunsch : « American Meteorogical society » : Decadal Trends in Sea Level Patterns: 1993–2004 http://ocean.mit.edu/~cwunsch/papersonline/Wunschetal_jclimate_2007_published.pdf
[13] A new assessment of the error budget of global mean sea level rate estimated by satellite altimetry over 1993–2008 (http://www.ocean-sci.net/5/193/2009/os-5-193-2009.pdf)
[14] GMSL and Multivariate ENSO Index (http://sealevel.colorado.edu/content/2016rel4-gmsl-and-multivariate-enso-index
[15] https://www.nap.edu/read/13389/chapter/4#28
[16] Evidence for the accelerations of sea level on multi-decadeand century timescales (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/joc.1771/epdf)
[17] Is there a 60-year oscillation in global mean sea level? (http://sealevel.colorado.edu/content/there-60-year-oscillation-global-mean-sea-level)
[18] https://www.nap.edu/read/13389/chapter/4#26
[19] Twentieth century sea level: An enigma (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC124440/)
[20] La montée du niveau des océans par marégraphe et géodésie spatiale : contributions françaises à une problématique mondiale : par Guy Wöppelmann (Université de la Rochelle), Laurent Testut (LEGOS) et Ronan Créach (SHOM)
[21] The Budget of Recent Global Sea Level Rise 2005–2012 (Eric Leuliette Juin 2012) http://www.star.nesdis.noaa.gov/sod/lsa/SeaLevelRise/documents/NOAA_NESDIS_Sea_Level_Rise_Budget_Report_2014.pdf
[22] Sea level budget over 2003–2008: A reevaluation from GRACE space gravimetry, satellite altimetry and Argo (http://etienne.berthier.free.fr/download/Cazenave_et_al_GPC_2009.pdf)
[23] Closure of the budget of global sea level rise over the GRACE era: the importance and magnitudes of the required corrections for global glacial isostatic adjustment – Quaternary Science Reviews http://www.atmosp.physics.utoronto.ca/~peltier/pubs_recent/Peltier,%20W.R.Closure%20of%20the%20budget%20of%20global%20sea%20level%20rise%20over%20the%20GRACE%20era
[24] Insofar as the raw data is concerned, when the integral is performed over the entire area of the global ocean, not only is there no increase of mass inferred to be occurring but the amount of mass contained within these basins is actually inferred to be decreasing!
[25] Simultaneous estimation of global present-day water transport and glacial isostatic adjustment (http://www.nature.com/ngeo/journal/v3/n9/full/ngeo938.html)
[26] New estimate of the current rate of sea level rise from a sea level budget approach (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017GL073308/abstract)
[27] The Puzzle of Global Sea-Level Rise (http://physicstoday.scitation.org/doi/full/10.1063/1.1472392)