modèle climatique

En hiver, dans un quartier de la ville, il tombe trois fois plus de neige que dans le quartier voisin. Une année, c'est la canicule, l'autre, le froid. Ce sont les caprices de la météo. Mais sur des décennies, on observe un autre glissement, plus lent : les hivers deviennent en moyenne plus doux. Distinguer l'un de l'autre est la tâche principale des climatologues.

Les météorologues ont déjà pris l'habitude de faire confiance aux réseaux de neurones : le modèle GraphCast prédit la météo terrestre plusieurs jours à l'avance en s'appuyant sur des images globales de l'atmosphère. Mais ce « cerveau » peut être transplanté sur une autre planète — là où l'air est raréfié et où le soleil chauffe différemment.

Pendant des décennies, les modèles globaux de l'atmosphère ont ressemblé à des artistes contraints de peindre les tempêtes planétaires à grands traits grossiers : une résolution de 25 à 100 kilomètres obligeait à « deviner » la convection via des schémas approximatifs, engendrant des erreurs…

Dans une salle de conférence, l'interprète s'efforce de traduire le discours de l'orateur, mais l'ambiance est bruyante : quelqu'un tousse, les chaises grincent, la rue gronde derrière la fenêtre. Si l'orateur baisse la voix, l'interprète continue de traduire, mais sa voix se noie dans le bruit.

Chaque année, la nourriture que nous mangeons coûte à l'humanité des dizaines de millions d'années de vie — à cause de régimes malsains. Et en même temps, un tiers de tous les gaz à effet de serre qui réchauffent la planète naissent sur le chemin du champ à l'assiette.

Au plus profond de la Terre, dans l'épaisseur du granit, des détecteurs capturent de rares visiteurs venus du cosmos — des muons. Ces particules naissent en haute atmosphère lorsque les rayons cosmiques percutent les noyaux des atomes de l'air.

Dans l'Atlantique, un tapis roulant invisible fonctionne en permanence : les eaux de surface chaudes remontent vers le nord, refroidissent, plongent en profondeur et reviennent vers le sud. Cette boucle, l'AMOC, transporte la chaleur et rend l'Europe nettement plus douce que le Canada aux mêmes latitudes.

Depuis 800 000 ans, les périodes glaciaires suivent un rythme d'environ 100 000 ans. Ce rythme coïncide étonnamment avec les variations de l'excentricité de l'orbite terrestre, l'un des cycles de Milankovitch.

Un capteur de radiation en ville ressemble à un musicien de rue : il doit jouer juste, même quand ses doigts engourdissent par le froid ou que son instrument est chauffé par le soleil.

Le temps qu'il fait dans la rue voisine peut différer du vôtre : près de la rivière, il fait plus frais ; sur l'asphalte, plus chaud ; entre les immeubles, le vent souffle plus fort. Une prévision ordinaire ne voit pas cela : sa maille a la taille d'une ville, pas d'une cour.

Une cellule, c'est une ville où des moteurs minuscules travaillent sans arrêt. Ils transportent des charges, font battre les cils et contractent les muscles. Tout ce travail dégage de la chaleur, comme un moteur de voiture qui chauffe. Mais mesurer cette chaleur pour un moteur individuel de quelques nanomètres n'est pas une mince affaire.

Le climat d'une planète ressemble à un vieux sommier à ressorts : appuyez sur un côté, les ressorts se compriment ; relâchez, ils se détendent et tout revient en place. La Terre possède trois de ces ressorts, qui fonctionnent en équipe.

Lorsqu'une étoile à neutrons émet un sursaut de rayons X, son atmosphère s'échauffe à des millions de degrés. La lumière que nous captons avec nos télescopes traverse cette couche de gaz dense — et en chemin, elle est fortement modifiée. Le spectre n'est plus celui d'un four idéal : certaines couleurs s'intensifient, d'autres s'éteignent.

Des scientifiques ont construit un modèle de la Terre d'où l'on a retiré tous les organismes vivants — des bactéries aux arbres. Sur des milliards d'années, cette « maison vide » ne s'est pas transformée en désert glacé. Les volcans, telles des fournaises, rejettent du dioxyde de carbone, tandis que l'altération des roches, comme un thermostat, l'absorbe.

Les glaciers ne s'assombrissent pas seulement à cause de la suie. À leur surface vivent de minuscules algues qui, avec le réchauffement, prolifèrent et rendent la glace sombre. La glace sombre absorbe davantage de lumière solaire, fond plus vite et réchauffe encore plus la planète. C'est comme un tee-shirt noir qui devient plus chaud au soleil qu'un tee-shirt blanc.

Le climat du Mars antique est resté longtemps une énigme : les lits de rivières asséchés témoignaient de la présence d'eau, mais les modèles ne pouvaient expliquer comment elle y était apparue, car il y a 4 milliards d'années, le Soleil brillait 30% moins fort.

La pluie ne tombe pas au hasard. Si l'on prend les relevés de près de cinquante mille pluviomètres répartis sur toute la planète et que l'on compare la quantité d'eau tombée en un jour de pluie dans différentes régions du globe, on découvre une régularité surprenante.

En 1992, l'ouragan Andrew a balayé la Floride, laissant les assureurs avec des pertes de 15,5 milliards de dollars. Beaucoup d'entreprises ont alors fait faillite, et le marché a trouvé un moyen de transférer le risque de catastrophe sur les épaules des investisseurs : les obligations catastrophe.

Prédire le climat, c'est un peu comme suivre une recette compliquée : une pincée de trop, et tout est gâché. C'est le cas avec les nuages — petits, mais décisifs. Les modèles climatiques découpent le ciel en cellules de 50 à 100 km et ne voient pas les nuages individuellement.

Un orchestre de deux musiciens joue la même partition, mais chacun n'entend que sa propre ligne. L'atmosphère et l'océan dans un modèle climatique ressemblent à ce duo : ils échangent chaleur et humidité toutes les quelques heures, mais jusqu'à récemment, leurs doubles neuronaux ne savaient pas garder un rythme commun.

Pendant 36 jours, le cyclone tropical Freddy a fait rage au-dessus de l'océan Indien, le plus long de l'histoire des observations. Les météorologues le suivaient depuis des satellites, des avions et des stations au sol. Mais un détail échappait à tous les instruments : la densité exacte de l'air au cœur du vortex.

Un interprète lors de négociations importantes ne se contente pas de traduire rapidement les mots, il veille à ce que le sens ne se perde pas. C'est le rôle de CAMulator : il prend le modèle climatique complexe CAM6 et le traduit dans le langage d'un réseau de neurones qui travaille des centaines de fois plus vite, sans en perdre la substance physique.

Deux danseurs se font face, mais ne se voient pas. L'un est l'atmosphère, rapide et bruyante, qui oublie ses pas en quelques semaines. L'autre est l'océan, lent et lourd, qui se souvient de chaque contact pendant des mois. Pour que la danse fonctionne, ils doivent apprendre à se guider mutuellement en ne regardant que les mains de leur partenaire.

Un interprète lors de négociations importantes commence par répéter les mots, mais peu à peu, il devine ce que son interlocuteur va dire. Le nouveau modèle météorologique fonctionne de la même manière : la physique lui fournit un cadre, et l'apprentissage automatique apprend de ses erreurs et comble les lacunes.

Le climat ressemble à un orchestre sans chef : chaque musicien entend les autres avec un décalage, et la partition change en plein concert. L'océan, l'atmosphère, la glace et la terre échangent continuellement de l'énergie, et le moindre accroc dans un instrument peut faire basculer toute la mélodie.