La topologie algébrique, un outil précieux pour prévoir le point de basculement du climat
Les modifications du climat ne sont pas des événements nouveaux. Au cours de ses 4,5 milliards d’années d’histoire, la Terre a très probablement connu de nombreux changements climatiques brusques. Alors, les activités humaines poussent-elles le climat de la planète vers un nouveau point de basculement? Malheureusement, les modèles climatiques actuels ne sont pas en mesure de nous le dire. Par contre, une récente étude soutenue par les projets TiPES et CloudCT, financés par l’UE, pourrait apporter une réponse. Publiée dans la revue «Chaos», cette étude combine dans un même modèle deux grandes théories du changement climatique et des outils de topologie algébrique. Ses résultats montrent que le climat de la Terre subit effectivement des transitions abruptes. Une telle approche pourrait nous aider à déterminer si notre système climatique dans son ensemble se trouve ou non sur le point de basculer en raison du réchauffement de la planète. Les scientifiques ne sont pas encore certains de la manière dont le climat évolue. «C’est l’un des véritables mystères non résolus des sciences du climat que nous essayons d’élucider», observe l’auteur principal de l’étude, le professeur Michael Ghil, de l’École normale supérieure de Paris, en France, dans un communiqué de presse publié sur «EurekAlert!». Les deux principales théories du changement climatique mentionnées sont la théorie du chaos déterministe d’Edward Lorenz et le modèle stochastique de la variabilité climatique de Klaus Hasselmann, lauréat du prix Nobel en 2021. La première traite du comportement apparemment aléatoire ou imprévisible des systèmes régis par des lois déterministes — nous avons tous entendu parler de l’effet papillon — tandis que la seconde part du principe que tout fluctue, mais tend à revenir à nouveau à la moyenne.
Incorporer la topologie algébrique
«Précédemment, en 2008, nous avons combiné ces deux théories et montré que les choses deviennent beaucoup plus intéressantes si l’on a à la fois un chaos déterministe et des perturbations stochastiques», note le professeur Ghil. Cette combinaison a débouché sur ce que l’on appelle un attracteur aléatoire ou «random attractor» en anglais qui évolue avec le temps. La forme que prend l’attracteur aléatoire à un moment précis — appelé instantané ou «snapshot» — détermine quel sera le système climatique avec une forte probabilité. Cependant, les scientifiques ne savent pas comment interpréter les évolutions de l’attracteur aléatoire dans le temps et ce que sa trajectoire changeante implique pour notre compréhension du climat. C’est là que la topologie algébrique entre en jeu. Dans l’analyse topologique algébrique réalisée, les chercheurs ont étudié le nombre de trous dans le système climatique en s’appuyant sur un concept relativement simple: si les formes géométriques de deux systèmes sont similaires, alors ils présentent le même nombre de trous. Comme indiqué dans le communiqué de presse, l’examen de l’attracteur aléatoire du climat a révélé que des trous apparaissent et disparaissent au fil du temps. Cela implique que le système climatique connaît ce qui semble être des changements instantanés entre différents régimes, ce qui suggère à son tour que le climat de la Terre est de nature à subir ces transitions abruptes que nous appelons points de basculement. «Il s’agit d’une méthode assez robuste pour établir des conditions critiques dans des situations très complexes», explique le professeur Ghil, faisant référence à l’utilisation d’outils de topologie algébrique pour aider à prédire un point de basculement climatique. «Je pense donc qu’il devrait être possible d’utiliser ces outils pour prévoir réellement les transitions dans un système aussi complexe que le système climatique.» Coordonné par l’Université de Copenhague, au Danemark, le projet TiPES (Tipping Points in the Earth System) se poursuivra jusqu’à la fin du mois d’août 2023. Le projet CloudCT (Climate CT- Cloud Tomography by Satellites for Better Climate Prediction), d’une durée de six ans, se terminera quant à lui en juillet 2025. Pour plus d’informations, veuillez consulter: site web du projet TiPES site web du projet CloudCT
Mots‑clés
TiPES, CloudCT, climat, modèle, topologie algébrique, point de basculement, attracteur aléatoire