D’après les résultats actuellement disponibles des modélisations, le XXIe siècle ne sera probablement pas le théâtre de changements climatiques brusques, tels que l’effondrement de l’inlandsis de l’Antarctique ouest, la perte de masse rapide de l’inlandsis groenlandais ou encore des modifications importantes des systèmes de la circulation océanique. Cependant, l’occurrence de tels changements devient de plus en plus envisageable à mesure que le climat se modifie.
Les analyses physiques, chimiques et biologiques des carottes de glace du Groenland et des sédiments marins provenant de l’Atlantique Nord et d’ailleurs, ainsi que de nombreuses archives climatiques concernant le climat du passé, ont démontré que les températures locales, les régimes des vents et les cycles hydrologiques peuvent rapidement se modifier en l’espace de quelques années seulement. En comparant les résultats des relevés effectués en différents points du globe, on s’aperçoit que des changements majeurs tant à l’échelle hémisphérique que mondiale se sont produits dans le passé. Ceci induit la notion d’un climat passé instable, ayant traversé des phases de changements brusques. Il y a donc lieu de s’inquiéter de ce qu’une croissance continue des concentrations de gaz à effet serre dans l’atmosphère puisse devenir une perturbation suffisamment importante pour que le système climatique change brusquement. De telles interférences avec le système climatique peuvent être dangereuses en raison des conséquences mondiales majeures qu’elles peuvent entraîner.
Avant d’examiner quelques exemples de tels changements, il serait opportun de définir les termes « brusque » et « majeur ». « Brusque » signifie que les rythmes des changements sont bien supérieurs à ceux de la perturbation qui les engendre ; autrement dit, la réaction est non-linéaire. Un changement climatique « majeur » est celui qui entraîne des changements au-delà de la variabilité naturelle en cours, et qui peut affecter plusieurs milliers de kilomètres, voire la planète entière. À l’échelle locale ou régionale, les changements brusques sont un aspect coutumier de la variabilité climatique naturelle. Les cas isolés de phénomènes de courte durée (le terme approprié étant plutôt « les évènements extrêmes ») ne sont pas examinés ici, au contraire des changements à grande échelle qui évoluent rapidement et perdurent des années, voire des décennies. Les écarts de température dans l’est du Pacifique vers le milieu des années 1970, ou la diminution de la salinité jusqu’à 1 000 m de profondeur dans la mer du Labrador depuis le milieu des années 1980, sont des exemples concrets d’évènements brusques ayant des conséquences locales et régionales, par opposition aux évènements plus importants et de plus longue durée dont il est ici question.
On peut citer en exemple l’arrêt ou l’affaiblissement possibles du Gulf Stream, qui a largement attiré l’attention publique. Le Gulf Stream est essentiellement un courant horizontal induit par les vents, au nord-ouest de l’océan Atlantique. Bien qu’étant un élément stable de la circulation océanique générale, son extrémité nord, qui alimente les eaux profondes des mers du Groenland, de la Norvège et de l’Islande, réchauffant ainsi ces mers et les côtes avoisinantes, est fortement tributaire de la modification de la densité des eaux de surface de ces mers. Ce courant constitue l’extrémité nord de la circulation thermohaline (CTH) qui longe les frontières occidentales du bassin atlantique. Les résultats des simulations de modèles climatiques montrent de façon cohérente que si la densité à la surface des eaux de l’Atlantique Nord décroît à cause du réchauffement ou de la diminution de la salinité, la puissance de la circulation thermohaline décroît également, et avec elle, la chaleur apportée dans ces régions. Toutes les projections de modèles climatiques indiquent qu’une diminution substantielle et durable de la salinité pourrait entraîner un affaiblissement considérable, voire l’arrêt complet de la circulation thermohaline. De tels changements se sont effectivement produits dans un passé lointain.
La question est maintenant de savoir si l’influence toujours croissante de l’homme sur l’atmosphère est suffisamment forte pour perturber la circulation thermohaline de manière telle qu’un pareil changement puisse se produire. L’augmentation des gaz à effet de serre dans l’atmosphère entraîne le réchauffement et l’intensification du cycle hydrologique, ce dernier diminuant la salinité des eaux de surface dans l’Atlantique Nord en raison des précipitations accrues qui entraînent un plus grand volume d’eau douce des régions fluviales dans l’océan. Le réchauffement provoque également la fonte des glaciers continentaux, ajoutant ainsi encore plus d’eau douce aux eaux de surface des océans dont la salinité décroit à mesure. Ces deux effets diminueraient la densité des eaux de surface (qui doivent être suffisamment denses et lourdes pour s’enfoncer en profondeur et alimenter la circulation thermohaline), menant à l’affaiblissement de cette circulation au XXIe siècle. On prévoit que cette réduction s’effectuera par paliers successifs, parallèlement au réchauffement : aucun des modèles actuels ne simule un affaiblissement brusque (non-linéaire) ou un arrêt complet de la circulation thermohaline dans le courant du XXIe siècle. Les modèles qui simulent l’affaiblissement de la circulation thermohaline présentent encore une vaste gamme de possibilités, allant de la non-réaction à un affaiblissement supérieur à 50% vers la fin du XXIe siècle. Ces divergences entre les modèles proviennent des différences dans la puissance des rétroactions entre l’atmosphère et l’océan simulées dans ces modèles.
Des incertitudes existent concernant le comportement à long terme de la circulation thermohaline. De nombreux modèles montrent qu’elle reviendra à la normale une fois le climat stabilisé. Mais d’autres modèles lui imposent des seuils qui sont dépassés lorsque la force et la durée du forçage sont suffisantes. Dans de telles simulations, la circulation thermohaline subit un affaiblissement progressif qui continue même une fois le climat stabilisé. À ce stade, il est encore impossible de quantifier la vraisemblance d’un tel évènement. Cependant, même s’il devait se produire, l’Europe serait malgré tout sujette au réchauffement, puisque le forçage radiatif provoqué par l’augmentation des gaz à effet de serre serait plus important que le refroidissement associé à l’affaiblissement de la circulation thermohaline. Les scénarios catastrophes prédisant le début d’une période glaciaire en conséquence de l’affaiblissement de la circulation thermohaline ne sont donc que de simples conjectures, et aucun modèle climatique n’a encore conduit à un tel résultat. En fait, les mécanismes conduisant à une période glaciaire sont assez bien compris et diffèrent tellement de ceux dont il est ici question que ce genre de scénario peut être exclu avec confiance.
Indépendamment de l’évolution à long terme de la circulation thermohaline, les simulations des modèles concordent en ce sens qu’elles prévoient que le réchauffement, ainsi que la diminution de la salinité qui en découle, affaibliront considérablement la formation des eaux profondes et intermédiaires dans la mer du Labrador au cours des prochaines décennies. Ce qui aura pour conséquence de modifier les caractéristiques des masses d’eau intermédiaires de l’Atlantique Nord et, à terme, les profondeurs de l’océan. Les effets à long terme de ces changements ne sont pas connus.
D’autres exemples de changements climatiques brusques, sujets d’amples discussions, sont la désintégration rapide de l’inlandsis groenlandais ou le brusque écroulement de l’inlandsis de l’Antarctique Ouest. Les simulations des modèles et les observations indiquent que le réchauffement dans les latitudes élevées de l’hémisphère Nord accélère la fonte de l’inlandsis groenlandais, que l’accroissement de l’enneigement résultant de l’intensification du cycle hydrologique ne peut compenser. En conséquence, le rétrécissement de l’inlandsis groenlandais pourrait prendre des proportions considérables dans les siècles à venir. En outre, les résultats suggèrent qu’il existe un seuil thermique critique au-delà duquel l’inlandsis groenlandais disparaitra complètement, et que ce seuil pourrait être dépassé au cours du siècle actuel. Toutefois, la fonte totale de l’inlandsis groenlandais, qui entraînerait une élévation mondiale du niveau de la mer d’environ sept mètres, est un processus de longue durée qui ne s’achèverait qu’au bout de nombreux siècles.
Des observations récentes par satellites et in situ des courants glaciaires qui se forment derrière les plates-formes glaciaires en désintégration mettent en évidence la rapidité d’une partie des réactions des systèmes des nappes glaciaires. Cela suscite d’autres inquiétudes concernant la stabilité de l’inlandsis de l’Antarctique Ouest dans son ensemble, dont l’effondrement pourrait faire monter le niveau de la mer de cinq à six mètres supplémentaires. Si ces courants semblent être contenus par la banquise qui s’étend devant eux, on ne sait pas encore si l’affaiblissement ou l’interruption de ce freinage, qui n’agit que sur une partie relativement faible de l’inlandsis, pourrait entraîner un déversement général de nombreux courants glaciaires et, de ce fait, déstabiliser complètement l’inlandsis de l’Antarctique Ouest. Les modélisations des inlandsis commencent seulement à inclure de tels mécanismes dynamiques de faible ampleur qui impliquent des interactions complexes entre le lit du glacier et l’océan bordant l’inlandsis. Les générations actuelles des modèles d’inlandsis ne fournissent donc aucune information quantitative sur l’éventualité d’un tel évènement ou sa durée.