History of Climate Science

Note: Voir plus bas pour la version française qui suit.

How did we get here?

When you have been sitting in negotiations for hours, and all the microphones and country name tags in the room are starting to blur together, you might ask yourself, “Why are we here?” I could give two broad answers to this question, one looking to the future, and the other to the past. Looking to the future, we are here because we are trying to reduce and prepare for the impacts of climate change. We are here to prevent desertification in Saskatchewan. We are here to stop the Arctic permafrost from melting and causing huge infrastructural challenges. We are here to avoid rising sea levels in a nation that stretches from “sea to sea to sea.” And we are here to prevent all the negative economic and social impacts associated with such changes.

But what brought us to this point? How do we know what is happening to the climate, how to prevent these negative impacts, and what might happen if we do or do not act? Fundamentally, it’s the development of an extremely extensive body of scientific research that has illuminated the complex climate dynamics of the earth system, igniting all these concerns and informing our response. The UNFCCC negotiations are entirely based on the premise that climate change is occurring. Without this knowledge, and without the understanding of what levers humans can pull to mitigate these changes or adapt to them, we would be powerless to act effectively. Strong science is the underpinning of all action on climate change, which makes it incredibly important.

So who says the climate’s changing?
The history of climate science is fascinating, and I’d like to provide a very brief snapshot of some of this history and how it has shaped our understanding of and action on climate change. I don’t get into the details of the science itself, but, rather, focus on the pathway of its development. Scientists have been investigating climate change and humans’ effects on climate for centuries. It was really in the 1980s that governments began to recognize that anthropogenic climate change might be a cause for concern, thanks to the efforts of many scientists. However, policymakers recognized that there was a pressing need for an impartial and comprehensive assessment of the latest science in order to inform any policy. This led to the creation of the intergovernmental panel on climate change (IPCC) in 1988. The IPCC assesses “the scientific, technical and socioeconomic information relevant for the understanding of the risk of human-induced climate change. It does not carry out new research nor does it monitor climate-related data. It bases its assessment mainly on published and peer reviewed scientific technical literature.” It was the publication of its first report in 1990 that spurred the creation of the UNFCCC in 1992, and the second report in 1996 which was influential in the adoption of the Kyoto Protocol. Most recently, the IPCC was awarded the Nobel Prize for its work on the fourth assessment report in 2007. (Work on the next report is underway now, and it is scheduled for release by early 2015.)

Discovering the greenhouse effect and the major players
As far back as the 1760’s, researchers recognized that the air in a glass box exposed to the sun would heat up. Around 1850, scientists like Tyndall and Arrhenius discovered that it was the CO2 molecules and water vapour in the air that were producing this “greenhouse effect”, and predicted that increases in atmospheric CO2 could drive global climate patterns. While our understanding of the effects of CO2 on climate continued to progress, it wasn’t until the 1950s that the other greenhouse gases we are now familiar with – methane (CH4), nitrous oxide (N2O), and chlorofluorocarbons (CFCs) – were recognized as such. The 1970s added aerosols to this mix of atmospheric particles that were known to affect the climate, and our understanding of these and even more substances continues to expand today.

How has the climate changed in the past?
Alongside our expanding understanding of greenhouse gases, our knowledge about past climates and recent changes in climate developed. An amazing variety of approaches, from describing changes in solar energy due to Earth’s changing orbit to analysis of tiny air pockets trapped in cores of ice that were formed hundreds of thousands of years ago, to the thickness and chemical properties of tree rings, have been used to reconstruct what the climate was like in the past. Some of these techniques go back over 150 years, while others have been developed or highly refined more recently. As past climates were reconstructed, researchers were surprised by the presence of abrupt changes in climate, and predicted that human interference with the climate system could trigger similar events.

It’s getting hot in here… but how do we know?
Many of these predictions have been confirmed through increasingly sophisticated global records of factors such as temperature and CO2 levels in the atmosphere. Keeling’s famous record of atmospheric CO2 levels from Manua Loa in Hawaii provides an excellent record of the increasing atmospheric CO2 associated with fossil fuel burning. Their accuracy and precision have allowed scientist to separate fossil fuel emissions from natural annual CO2 cycling in the biosphere, atmosphere, and ocean. We know now that concentrations of greenhouse gases in the atmosphere are higher than they have been at any time during the last million years. At the same time, we know that global temperatures have increased. The thermometer was invented in the 1600s, and by the end of the 1800s, systematic records of weather were being kept all over the world. Since 1982, satellite data has supported global  temperature measurement, providing us with increasing confidence. Historical and modern measurements show that each of the past 13 years has been among the 14 warmest years ever recorded.

The system gets complicated: climate modelling
A major challenge to testing our understanding of the climate system is that it is usually impossible to perform scientific experiments on a planetary scale. An important tool scientists have used to integrate and test their findings has been climate models, which have grown increasingly sophisticated over the past few decades. I love the figures from the IPCC’s 2007 report that show the increasing number of factors included in climate models and resolution. As model sophistication and computing power both increase, our ability to predict the effect of various changes on the Earth’s climate grows better and better. One intriguing major challenge for today’s climate models is modelling the effect of clouds on climate and vice versa.

The future of climate science
While climate science has progressed to the point where we have a very good idea of why and how the climate is changing, and what we need to do to mitigate these changes, there is still much that remains to be discovered. Besides enhancing our understanding of global climate processes and humans’ impact on them, one particularly important arena in which climate science could use progress is communication. The communication of climate science has suffered in some areas of the world by a concerted and well-funded campaign of miscommunication, misleading and confusing citizens. (Daniel discusses the history of the climate misinformation campaign this week. While climate science has been instrumental in establishing the need for action, perhaps the biggest hurdle that remains now is generating the political momentum and leadership to establish how the world is going to take the necessary actions to prevent dangerous climate change and to take those actions.

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Histoire de la science climatique

Comment sommes-nous arrivés ici?

Lorsqu’on est assis depuis des heures dans des négociations, et tous les microphones et des étiquettes des pays commencent à perdre leur forme, on pourrait se demander : « pourquoi sommes-nous ici ? » Je peux vous donner deux réponses à cette question, l’une une vision de l’avenir, l’autre une réflexion sur le passé. Visant l’avenir, nous sommes ici pour tenter de réduire et nous préparer contre les impacts du changement climatique. Nous sommes ici pour combattre la désertification au Saskatchewan. Nous sommes ici pour arrêter la fonte du pergélisol de l’Arctique qui provoquerait un énorme défi infrastructurel. Nous sommes ici pour éviter le risque de hausses du niveau de la mer dans un pays qui s’étende de « mer brillant à mer brillant ». Et nous sommes ici pour prévenir toutes les conséquences négatives possibles de ces changements.

Mais qu’est-ce qui nous a amené à ce point ci ? Comment savons-nous qu’est-ce qui arrive au climat, comment prévenir ces impacts négatifs, et qu’est-ce qui pourrait arriver si nous ne réagissons pas ? Au fond, c’est à travers le développement d’un corpus très extensif de recherche scientifique qui a illuminé les dynamiques complexes du climat terrestre qu’on a découvert ces questions et qu’on cherche à leur faire face. Les négociations de la CCNUCC se basent entièrement dans le cadre de que le changement climatique déroule à l’heure actuelle. Sans cette connaissance, et sans la compréhension des actions que la société peut poursuivre pour mitiger ces changements ou s’adapter à eux, on serait dépourvus. La science solide est la fondation de toute action contre le changement climatique, et elle est donc extrêmement importante.

Alors, qui dit que le climat est en changement ? L’histoire de la science climatique est fascinante, et j’aimerais lui faire une image brève et expliquer comment elle a formé notre cadre d’analyse du changement climatique et des mesures pour y faire face. Je n’entre pas dans les détails de la science elle-même, mais je me concentre plutôt sur le chemin de son développement. Les scientifiques étudient le changement climatique et les effets des humains sur le climat depuis des siècles. Pourtant, c’était aux années  1980 que les gouvernements on commencé à reconnaître que le changement climatique anthropogénique devrait les préoccuper, grâce aux efforts de plusieurs scientifiques. Cependant, les décideurs politiques ont reconnu qu’il y avait une nécessité urgente pour de l’évaluation impartiale et compréhensive de la science la plus récente pour informer leurs politiques. Cette conclusion a mené à la création du Groupe d’experts intergouvernemental sur le changement climatique (GPCI) en 1988. Le GPCI analyse les informations scientifiques, techniques et socioéconomiques pertinentes à la compréhension du risque du changement climatique induit par les humains. Il ne fait pas de nouvelle recherche ni suit les données reliées au changement climatique. Il base ses évaluations principalement sur la littérature scientifique qui a passé par l’examen des pairs. La publication du premier rapport du ‘GPCI  en 1996 a provoqué la création de la CCNUCC en 1992, et le deuxième rapport en 1996 a eu une influence importante sur la création du Protocole de Kyoto. Plus récemment, le ‘GPCI a reçu un prix Nobel pour les contributions de son quatrième rapport de 2007.  (Les travaux pour le prochain rapport déroulent présentement, et il devrait être émis au début de l’an 2015).

Découverte de l’effet de serre et les acteurs clés

C’était aux années 1760s que des chercheurs ont reconnu que l’air dans une boîte en verre se chaufferait lorsqu’elle s’exposait au soleil. À peu près en 1850, des scientifiques comme Tyndall et Arrhenius ont découvert qu’il s’agissait des molécules de CO2 et le vapeur de l’eau dans l’air qui provoquaient « l’effet de serre », et ont prédit que des augmentations de la quantité de CO2 dans l’atmosphère pourraient changer les paternes du climat global. Notre compréhension des effets du CO2 ont continué a progressé, mais il n’était qu’aux années 1950s que les autres gazes à effet de serre connues aujourd’hui – le méthane (CH4), l’oxyde de nitrate (N2O), et des chlorofluorocarbones – ont été reconnues comme telle.  Aux années 1970s on a ajouté les aérosols à la liste de particules atmosphériques qui affectent le climat, et notre compréhension de ces substances, et des autres, continue à s’accroître aujourd’hui.

Comment le climat a changé dans le passé ?

En plus de notre compréhension grandissante des gaz à effet de serre, notre connaissance des climats passés et des changements climatiques récents est aussi développée. Une variété incroyable d’approches ont permis la reconstruction des climats passés, de la description de changements de l’énergie solaire dus aux changements dans l’orbite de la terre, à l’analyse de poches d’air minuscules attrapées dans la glace des centaines de milliers d’années dans le passé, à l’étude des propriétés chimiques et de l’épaisseur des anneaux des arbres. Certaines de ces techniques remonte à 150 ans, d’autres ont été développées ou raffinées plus récemment. Lorsqu’ils reconstruisaient des climats passés, les chercheurs se surprenaient des changements inattendu dans le climat, et ont prévoit que l’interférence humaine dans ce système pourrait provoquer de tels évènements.

Il se chauffe ici… mais qu’est-ce qu’on en sait?

Plusieurs de ces prédictions ont été confirmés à travers du registre global sophistiqué des facteurs tels que la température et les niveaux de présence de CO2 dans l’atmosphère.  Le registre fameux des niveaux de CO2 dans l’atmosphère à Manua Loa en Hawaï, de Keeling, donne une image claire des augmentations de la quantité de CO2 dans l’atmosphère associée à l’utilisation des combustibles fossiles. Leur précision a permis aux scientifiques de séparer les émissions des combustibles fossiles des cycles naturelles annuelles du CO2 dans la biosphère, l’atmosphère et l’océan. Nous savons maintenant que les concentrations de gazes à effet de serre sont plus élevées que jamais dans le dernier million d’années. En même temps, nous savons que la température globale a augmenté. Le thermomètre s’est inventé aux années 1600s, et depuis la fin des années 1800s, des registres systématiques météorologiques sont implémentés partout au monde. Depuis 1982, les données satellitaires appuient à la mesure de la température globale, nous offrant de la confiance croissante. Les mesures historiques et modernes démontrent que chacune des dernières 13 années ont été parmi les 14 années les plus chaudes jamais calculées.

Le système se complique : le « modelling » climatique

Un défi important à notre compréhension du système climatique découle du fait qu’on ne peut presque jamais poursuivre des expériences scientifiques à l’échelle planétaire. Un outil important utilisé par les scientifiques pour intégrer et tester leurs données s’agit des modèles climatiques, qui sont devenus beaucoup plus sophistiqués au cours des dernières décennies. J’aime les figures du rapport de l’GPCI de 2007 qui démontrent le nombre croissant de facteurs inclus aux modèles et résolutions climatiques. Alors que la sophistication et la puissance des ordinateurs augmentent, notre capacité de prédire les effets des divers changements dans le climat terrestre s’améliore de plus en plus. Un défi intéressant des modèles climatiques actuelles est au niveau de calculer les effets des nuages sur le climat, et vice versa.

L’avenir de la science climatique

Au même temps que la science climatique a progressé au point où nous avons un excellent concept de pourquoi et comment le climat est en changement, et ce que nous devons faire pour mitiger ces changements, il nous reste beaucoup à découvrir. En plus d’améliorer notre compréhension des processus climatiques globaux et les impacts des humains à leur égard, un aréna particulièrement important dans lequel la science climatique attend du progrès est au niveau de sa communication. La communication de la science climatique a souffert dans plusieurs endroits au monde d’une campagne bien dirigée et financement appuyée de déception et confusion du public. Daniel écrit au sujet de l’histoire de la campagne de déception climatique cette semaine. Alors que la science climatique a été instrumentale à l’établissement de la nécessité d’agir, il est possible que l’obstacle actuel le plus important demeure dans la génération de dynamisme et leadership politique pour établir comment le monde agira pour prévenir le changement climatique et poursuivre ces mesures.

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