Élévation du niveau de la mer

Reconstitution historique et prévision du niveau de la mer de 1800 à 2100, publié en 2017 par l’U.S. Global Change Research Program for the Fourth National Climate Assessment.[1] RCP2.6 est le scénario dans lequel les émissions atteignent leur maximum avant 2020, RCP4.5 est celui dans lequel le maximum est atteint en 2040, et RCP8.5 est celui dans lequel elles continuent d’augmenter comme actuellement.
Ce graphe présente l'évolution du niveau global (moyen) de l'océan de 1992 à 2014[2].
Les mesures du niveau de la mer à partir de 23 enregistrements de marégraphes dans des environnements géologiquement stables montrent une élévation d'environ 2 mm par an.

L'élévation du niveau de la mer actuelle est un phénomène enclenché au cours du XXe siècle, qui résulte du réchauffement climatique. Le niveau moyen des océans, a considérablement varié au cours de l'Ère quaternaire, baissant de plus de 100 m au cours de chaque période glaciaire. Très stable depuis environ 2 500 ans, le niveau de la mer a commencé à s'élever à la fin du XXe siècle. Entre 2006 et 2015, il a monté de 3,6 mm/an. Les moyens de mesure du niveau de la mer sont principalement de deux types : les marégraphes, installations fixes, et l'altimétrie satellitaire.

Cette élevation résulte principalement de deux phénomènes, l'un et l'autre découlant du réchauffement climatique. Le premier est la fonte d'une partie des glaces continentales (inlandsis polaires et glaciers de montagnes). L'autre est le phénomène de dilatation thermique des masses d'eau océaniques sous l'effet de l'élévation de la température. A coté de ces deux causes principales, il existe d'autres contributions, qui n'ont pas forcément de lien direct avec le réchauffement climatique. Au premier rang de celles-ci figure l'exploitation d'un grand nombre d'aquifères terrestres au-delà de leur capacité de renouvellement.

La dilation thermique et la perte de masse des inlandsis polaires sont deux phénomènes extrêmement lents, qui ne répondent complètement à un réchauffement soudain du climat qu'après un temps de plusieurs siècles. Cela signifie que même si le réchauffement climatique pouvait être arrêté rapidement, le niveau des océans continuerait à s'élever tout au long du troisième millénaire. L'établissement de prévisions quantitatives à long terme, même pour un scénario climatique donné, reste très difficile.

Les conséquences prévisibles les plus importantes de l'élévation du niveau de la mer sont le recul du trait de côte, la disparition de territoires insulaires de basse altitude, l'intrusion d'eau salée dans les aquifères d'eau douce proches des côtes, la destruction d'écosystèmes côtiers, et la perte de patrimoine culturel et historique.

Contexte général, définitions

Niveau local, et niveau eustatique

Le niveau moyen de la mer sur l'ensemble de la Terre — niveau eustatique — peut être différent de son niveau moyen en un lieu donné — Niveau Moyen Local de la Mer (NMLM) —.

Pour une élévation moyenne, il existe des variations dans le temps et dans l'espace (ici aux États-Unis, notamment en raison respectivement des vents, courants, subsidences ou encore de la force de Coriolis).
Cycles de l'eau entre l'océan, l'atmosphère terrestre et les glaciers.

Le Niveau Moyen Local de la Mer (NMLM) est défini comme la hauteur de la mer par rapport à un point de référence sur terre, et en moyenne sur une période de temps suffisamment longue (un mois, une année) pour que la valeur soit indépendante des fluctuations causées par les vagues et les marées. On doit également ajuster les variations du NMLM pour prendre en compte les mouvements verticaux de la terre qui peuvent être du même ordre (quelques mm/an) que les changements du niveau de la mer. Certains mouvements de la terre se produisent à cause d'un ajustement isostatique du manteau terrestre dû à la fonte des inlandsis à la fin de la dernière glaciation : en effet, le poids d'un inlandsis fait baisser la terre sous-jacente et quand la glace fond, la terre remonte ou « rebondit » (rebond post-glaciaire). La pression atmosphérique, les courants océaniques et la force de Coriolis ainsi que les changements de température des océans (et donc de volume) peuvent aussi affecter le NMLM.

Les variations « eustatiques » (par opposition aux variations locales) concernent l'altération du niveau global de la mer, tels que les changements de volume de l'eau des océans et les changements de volume des bassins océaniques[3].

Tous ces éléments combinés expliquent aussi que la montée réelle ou apparente de la mer varie géographiquement quand le niveau moyen d'un océan (Atlantique par exemple) augmente. Un océan peut même s'élever globalement, avec un niveau de laisses de mer qui descendrait légèrement sur certains littoraux et augmenterait plus que la moyenne sur d'autres, même sur des zones proches comme les rivages anglais et continentaux qui lui font face[4].

Évolution du niveau de la mer à l'échelle des temps géologiques

Changements du niveau de la mer depuis la fin de la dernière période glaciaire.

À l'échelle de la centaine de milliers d'années, le niveau de la mer a varié avec les glaciations. Il était proche de son niveau actuel durant les périodes interglaciaires et une centaine de mètres plus bas durant les périodes glaciaires.

Les variations du niveau de la mer aux échelles de temps géologiques sont désignées sous les termes de transgression marine (hausse du niveau) et régression marine (baisse du niveau).

Depuis le dernier maximum glaciaire in y a 20 000 ans le niveau de la mer a augmenté de plus de 125 m, en conséquence de la fonte des inlandsis d'Amérique du Nord et d'Eurasie. La vitesse d'élévation du niveau de la mer a alors varié de moins de 1 mm/an à plus de 40 mm/an. Une vitesse très rapide a eu lieu durant l'impulsion de fonte 1A il y a environ 14 600 ans, au cours de laquelle le niveau de la mer a augmenté de 20 m sur 500 ans (40 mm/an)[5]. L'élévation du niveau des océans commence à ralentir il y a environ 8 200 ans (première partie de l'Holocène), et devient très faible à partir de 6 700 ans. Le niveau de la mer n'est alors que d'environ 4 m en dessous du niveau actuel. Il augmente encore légèrement jusqu'il y a 4 200 ans et est alors moins d'1 m sous le niveau du début du XXe siècle[6]. Le niveau de la mer est pratiquement constant au cours des derniers 4 200 ans (seconde moitié de l'Holocène), jusqu'à la reprise contemporaine de l'élévation qui commence au début du XXe siècle[6]. Durant cette période, la variation du niveau de la mer est de l'ordre de 0,1 mm/an[7].

Évolution récente du niveau de la mer

Niveau eustatique depuis 1993, données satellite NASA[8]

L'évaluation de l'élévation du niveau eustatique se fait par synthèse des mesures des marégraphes et des satellites.

Selon la synthèse des connaissances scientifiques publiée en 2019 par le GIEC, le niveau de la mer a augmenté de 0,16 m (intervalle de confiance probable 0,12 à 0,21 m) entre 1902 et 2015[9].

Le rythme de hausse de niveau de la mer s'est accru depuis les années 1990. Les données des satellites tendent à indiquer une accélération de l'élévation du niveau de la mer plus importante que celles des marégraphes[10]. La mesure de l'accélération de la hausse du niveau de la mer est complexe, car les mesures, que ce soient celles des marégraphes ou des satellites, sont perturbées par de nombreux paramètres[11]. Entre 1901 et 1990 le niveau de la mer a augmenté d'environ 1,4 mm/an[12]. Selon la synthèse 2019 du GIEC, la vitesse d'augmentation du niveau de la mer était de 3,2 mm/an entre 1993 et 2015[12] et 3,6 mm/an entre 2006 et 2015[12].

Phénomènes régionaux ou de court terme

De nombreux effets locaux, périodiques ou épisodiques, affectent le niveau de la mer. Le lien entre ces phénomènes et l'élévation eustatique du niveau de la mer est de deux ordres. D'une part, d'un point de vue métrologique, ces effets doivent être retranchés des mesures pour extraire la tendance à long terme, et l'existence de phénomènes régionaux explique la nécessité de disposer de mesures sur l'ensemble de la planète[13]. D'autre part, en matière de prévision des risques, ces effets s'ajoutent à la hausse globale du niveau de la mer : pour décrire les risques pour telle zone dans la monde, c'est le niveau maximal prévisible qui soit être pris en compte[14].

Variations du niveau de la mer dues à des effets astronomiques

Les marées astronomiques diurnes et semi-diurnes, phénomènes périodiques dont l'amplitude totale peut varier de 20 cm à 16 m selon les endroits, sont faciles à mesurer, et à retrancher de la tendance à long terme, du fait de leur périodicité courte[15].

En revanche, il existe différents phénomènes de marées à longue période, avec des périodicités de 14 jours ou plus[16]. Dues à différents phénomènes astronomiques, elles ont des amplitudes relativement faibles. La composante la plus longue est un cycle qui s'étend sur 18,6 ans durant lequel le niveau moyen des pleines mers augmente de 3 % par an durant 9 ans, puis diminue de 3 % durant 9 ans, et ainsi de suite. Ce phénomène est lié au cycle nodal de la Lune[17].

Ce cycle exacerbe puis diminue les effets de l'élévation du niveau de la mer induits par le réchauffement climatique[18]. Selon l'IRD, aux endroits où l'amplitude des marées est naturellement forte (par exemple dans la : baie du mont Saint-Michel), ce cycle contribuera dans les années 2008-2015 proportionnellement davantage à l'élévation du niveau de la pleine mer, ou des grandes marées hautes que le seul réchauffement climatique (jusqu'à + 50 cm, c'est-à-dire 20 fois l'expansion thermique des mers, consécutive au réchauffement climatique global). Inversement, de 2015 à 2025, la phase décroissante de ce cycle devrait conduire à un ralentissement apparent du phénomène de montée de l'océan, et probablement de l'érosion du littoral qui lui est généralement liée.

Effet de la pression atmosphérique

L'effet baromètre inverse est une variation du niveau de la mer sous l'influence de la pression atmosphérique : la mer est bombée sous une dépression et creusée sous un anticyclone. Cette variation est d'environ 1 cm pour 1 hPa[19]. Cet effet est croissant avec la latitude : son écart-type sur l'année est inférieur au centimètre dans les régions équatoriales, et atteint 7 cm aux abords de l'océan Arctique. L'effet se calcule, il est donc corrigé sur les mesures de niveau de la mer, ce qui demande naturellement une connaissance précise de valeurs de pression atmosphérique, parfois défaillante sur les séries de données anciennes[20].

Différences de salinité et de température

La salinité de l'eau influe également sa densité, c'est l'effet dit halostérique : ainsi la densité de l'eau de mer est, à température égale, supérieure de 2,5 % à celle de l'eau douce[21]. Sur l'ensemble des océans, la salinité moyenne ne varie de façon mesurable, ainsi cet effet n'intervient pas sur le niveau moyen de la mer. Néamoins les différences de salinité d'une région à l'autre influent le niveau local de la mer : les zones où l'eau est moins salée sont bombées, pour établir l'équilibre hydrostatique avec les zones plus salées, plus dense). Ainsi la variation locale de la salinité, due notamment à appport d'eau douce par les fleuves, la pluie et la fonte des glaces, intevient dans l'évolution du niveau de la mer d'une région donnée[22].

Par un mécanisme comparable, les variations de température superficielle d'une zone à une autre induisent des différences de niveau de la mer : dans une une zone plus froide, la masse volumique de l'eau en surface sera plus élevée, ce qui se traduira par une anomalie négative sur le niveau de la mer. Cet effet conduit à des disparités régionales importantes. A titre d'exemple, des années 1960 aux années 1990, le niveau de la mer en Méditerranée orientale a diminué, à l'inverse de la tendance mondiale, du fait d'une diminution des températures dans cette région[23].

Phénomènes saisonniers

Il existe une fluctuation saisonnière du niveau de la mer. Dans l'hémisphère nord, son amplitude min-max est d'environ 12 mm, avec un minimum en mars, et un maximum en septembre. Dans l'hémisphère sud, l'amplitude est moitié moindre et la saisonnalité est inversée. Cette fluctuation est due au cumul de plusieurs effets. Elle combine les phénomènes cités précédemment : marée annuelle, variations de la pression atmosphérique, de la salinité et le température. Elle fait aussi intervenir une variation saisonnière de distribution des masses d'eau entre les océans et les continents : les masses continentales étant réparties de façon très asymétrique entre les deux hémisphères, la quantité d'eau stockée sur les continents (dans les lacs, les sols, les nappes souterraines et les glaces) est plus importante pendant l'hiver de l'hémisphère nord. Pour cette raison, même le niveau de la mer moyenné sur toute la planète présente une légère fluctuation annuelle, d'environ 1 cm[24],[25],[26].

El Niño

Le phénomène climatique El Niño se traduit par une anomalie considérable sur le niveau de la mer. Une surélévation anormale se produit le long de l'équateur, sur les deux tiers de l'océan Pacifique, jusqu'à la côte sud-américaine — dans l'exemple de l'El Niño 2015-2016, elle atteint 20 cm —, équilibrée par un creux d'amplitude comparable plus à l'ouest et au nord. Cet effet permet d'utiliser les satellites altimétriques pour mesurer l'amplitude d'El Niño, mais doit être retranché des mesures pour ne pas biaiser l'estimation à long terme de l'évolution du niveau de la mer[27].

Ondes de tempête

Les évènements météorologiques associés à une dépression (tempête, cyclones tropicaux) peuvent provoquer localement une hausse soudaine et massive du niveau de la mer, d'où des inondations dévastatrices. Cet effet est dû l'association de la pression, du vent et de la force de coriolis[28]. La probabilité de innondations résultant du cumul d'une onde de tempête avec de fortes précipitations s'accroit du fait du réchauffement climatique, et l'élévation du niveau de la mer ajoutera progressivement à leurs conséquences[29].

Métrologie du phénomène

Quantifier l'élévation du niveau de la mer, et a fortiori son accélération, pose de nombreuses difficultés méthodologiques. Il faut extraire une tendance de l'ordre du millimètre par an de tous les effets à court et moyen terme : les vagues, les marées, les tempêtes, etc[30].

Mesures des marégraphes

Les marégraphes sont des installations fixes qui mesurent localement le niveau de la mer. Mis au point historiquement pour affiner l'étude des marées, ils fournissent aussi des données sur l'évolution à long terme du niveau de la mer. Ces mesures doivent être mondiales et coordonnées car l'élévation n'est pas géographiquement homogène ; elle interagit avec d'autres évolutions (géotectoniques). Par ailleurs, le réseau des marégraphes ne couvre qu'une petite partie de la planète[31].

Technologie

Marégraphe construit en 1882 au Portugal

Il existe, schématiquement, trois types de marégraphes. La première technologie développée, et encore la plus utilisée, fait appel à un flotteur qui, via un mécanisme, trace avec un crayon une courbe sur un rouleau de papier entraîné par un mouvement d'horlogerie. Le flotteur est placé dans un puits de tranquillisation, c'est à dire un tube vertical, ouvert sur l'eau par le bas, et sur l'air par le haut : il élimine l'effet des vagues[32]. Une deuxième technologie disponible conserve un puits de stabilisation, mais remplace le flotteur par une mesure télémétrique effectuée par un capteur — qui fut d'abord ultrasonore, à partir des années 1980, mais, deux décennies plus tard, devient une mesure radar[33]. La troisième méthode consiste à mesurer la pression : un capteur de pression est fixé sur le sol, sous la limite basse de la marée (il sera donc toujours immergé). La pression, dont on déduit la pression atmosphérique mesurée en même temps par un autre capteur, permet de suivre le niveau de la mer, par pression hydrostatique. Cette méthode est très précise ne nécessite pas de puits de stabilisation[34].

Réseaux de marégraphes

Ces mesures et diverses modélisations visent à répondre au projet mondial de suivi lancé par l'UNESCO (Global Sea Level Observing System ou « GLOSS ») ainsi qu'à des enjeux de sécurité publique (gestion des risques) et de planification de l'aménagement du territoire et des littoraux, en particulier dans les zones les plus exposées aux risques de submersion marine, aux ondes de tempête et aux tsunamis (en Europe principalement par le Centre Régional d'Alerte aux Tsunamis pour l'Atlantique Nord-Est et la Méditerranée ou CRATANEM coordonné par le Commissariat à l'énergie atomique, ou CEA/DASE[35]).

Une base de données mondiale, nommée GESLA (Global Extreme Sea Level Analysis) a été établie en 2009. Elle a pour but de rassembler des mesures faites au moins une fois par heure, c'est-à-dire assez fréquentes pour mieux décrire les variations de limite des hautes eaux lors de l'évolution des surcotes et tempêtes[36]. Elle a déjà permis de montrer qu'en 40 ans (entre 1970 et 2010), l'ampleur et la fréquence des niveaux extrêmes de la mer ont augmenté dans le monde[37] ; dans certaines régions du monde, la hauteur de ce qui constitue une inondation cinquantenaire a augmenté de plus de 10 cm par décennie[38].

Les Pays-Bas sont les plus concernés, ce sujet fait partie des priorités nationales depuis plusieurs décennies. Un réseau s'organise peu à peu dans les années 2000[39].

En France, en 2010, le Réseau d'Observatoires du Niveau des Mers (RONIM) comptait 32 marégraphes[40]. Il existe aussi le réseau d’Observation Subantarctique et Antarctique du niveau de la Mer[41], dont les données sont traitées par le Laboratoire d'études en géophysique et océanographie spatiales (LEGOS).

En mars 2015, un rapport d’experts[42] fait le point sur les données historiques disponibles, soulignant que la hausse du niveau marin sera vraisemblablement la cause principale de l'aggravation de l'aléa de submersion marine ; des effets érosifs majeurs sont aussi prévus pour les prochaines décennies.

Limites des marégraphes

La couverture géographique des marégraphes, et surtout des plus anciens, n'est pas homogène. Très peu de jeux de données peuvent être utilisés pour des études sur plus de cinquante ans. En particulier, il existe un net déséquilibre entre les deux hémisphères : l'hémisphère nord possède environ 90 % des marégraphes de la planète. Nombre d'entre eux fournissent des enregistrements remontant au XIXe siècle, les marégraphes de l'hémisphère sud sont à la fois moins nombreux et moins anciens[43],[44],[31].

Outre leur répartition géographique limitée, les marégraphes sont vulnérables aux mouvements verticaux du sol sur lequel ils sont construits. Il s'agit des phénomènes de subsidence (tassement vertical du sol), des mouvements tectoniques, et de l'affaissement ou du rebond du sol, lorsqu'il est confronté à un changement de la masse de sédiments ou de glace qu'il supporte. De nombreux travaux visent à quantifier et corriger ces biais de mesure[31].

Mesures par satellite

Le satellite Jason-1

Principe de mesure

Les satellites chargés de la mesure du niveau de la mer emportent un altimètre radar travaillant le plus souvent en bande Ku, c'est-à-dire entre 12 et 18 Ghz. Cet altimètre est pointé vers le nadir, les données suivent donc la trace au sol du satellite. Le radar envoie des impulsions (quelques centaines de fois par seconde), brèves (de l'ordre de 100 µs) et d'une grande bande passante. La mesure du temps d'aller-retour du signal radar permet de mesurer la distance séparant le satellite de la surface de l'eau[45].

Cette information n'est pas suffisante : il faut aussi connaître l'altitude du satellite lui-même, par rapport à un référentiel terrestre, avec une précision de l'ordre du centimètre. Les satellites sont placés sur une orbite circulaire, plus stable et plus facile à caractériser. La caractérisation extrêmement précise de l'orbite est obtenue par positionnement GPS, par système DORIS qui fonctionne comme un GPS inversé (émetteurs au sol, récepteur sur le satellite), par télémétrie laser, ou par des combinaisons de ces techniques[45]. Pour un satellite comme Topex/Poseidon, la stabilité des hauteurs orbitales sur 4 ans est de 10 mm[46].

L'intérêt scientifique de l'altimétrie satellite radar a été reconnu à partir des années 60, à l'époque l'objectif principal était de mesurer la forme de la terre, c'est à dire les aspéritées du géoïde dues aux anomalies gravimétriques. Après le succès des premières expériences, la priorité s'est déplacé vers la mesure de l'évolution du niveau de la mer[47]. Il existe aussi des altimètres laser, couramment utilisés pour mesurer la position des masses de glaces, mais qui se sont également révélés applicables aux océans[48].

Liste des satellites

Les satellites suivants emportent des instruments dédiés à la mesure du niveau de la mer[45],[49].

  • Les premières expérimentations d'altimétrie radar ont eu lieu à bord de Skylab à partir de 1974[50].
  • Le satellite Seasat, lancé en 1978, a permis la poursuite des travaux engagés avec Skylab[50].
  • Geosat de la marine américaine, opérationnel de 1985 à 1990, le premier à fournir des données réellement exploitables.
  • ERS-1 et ERS-2, satellites européens, dont les missions ont duré, respectivement, de 1991 à 2000 et de 1995 à 2011.
  • TOPEX/Poseidon (franco-américain), lancé en 1992, a fonctionné jusqu'en 2006[51].
  • Geosat Follow-On , lancée en 1998. Reprend la trace au sol de GEOSAT.
  • La famille Jason : Jason-1 lancé le , a ensuite repris la mission de T/P en suivant la même trace au sol. Jason-2 est lancé en 2008, et Jason-3 en 2016[52].
  • ENVISAT (ESA), lancé en 2002[53].
  • CryoSat (ESA), lancé en 2010, était destiné à la mesure des indlandsis et des glaciers, mais son altimètre laser se révéla évalement très utile pour les océans[47]
  • HY-2A (chinois), lancé en 2011[54].
  • Sentinel-3, deux satellites européens lancés en 2018 et 2020.
  • SARAL (franco-indien), lancé en 2013, qui offre une résolution améliorée grâce à son altimètre radar en bande Ka nommé Altika, qui prend la suite de la partie altimétrique de la mission Envisat[55],[56].
  • Sentinel-6, programme européen comprenant deux satellites. Le premier a été lancé en 2020, le deuxième doit suivre en 2026[57].
  • Surface Water Ocean Topography Mission, satellite franco-américain qui doit être lancé en 2022[58].

Exploitation des données

Des mesures d'une précision extrême étant nécessaires, il existe de complexes phases de calibrations visant à corriger les différentes erreurs de mesure possibles. Des algorithmes de traitement des données sont appliqués pour corriger plusieurs sources d'erreurs de mesure[27].

La traversée de l'ionosphère affecte la vitesse de phase des ondes, en créant un délai qui est fonction du niveau d'ionisation, et varie donc considérablement selon l'heure de la journée, et est aussi affectée par les cycles d'activité du Soleil. Des modèles numériques sont utilisés pour corriger cette dispersion. À partir de Topex-Poséidon, des altimètres bi-fréquences ont été employés, et ont permis la mesure directe de cet effet. Les données ainsi obtenues ont aussi été utilisées pour affiner rétrospectivement les corrections appliquées aux mesures des satellites antérieurs[59].

La troposphère induit, elle aussi, un délai de propagation. Ce délai se décompose en deux termes. Le terme de "troposphère sèche" lié aux propriétés diélectriques de l'air (oxygène, azote, argon), qui s'exprime comme fonction d'une seule variable : la pression atmosphérique en surface. Le deuxième terme, lié à la présence d'humidité dans l'air, est bien plus difficile à corriger, surtout pour les régions côtières[60].

L'altimétrie radar subit aussi un biais dû à l'état de la mer : les creux des vagues étant un meilleur rétrodiffuseur des ondes radar que leur sommet, le niveau d'une mer agitée tend à être sous-estimé (biais qui n'existe pas pour les marégraphes), des règles empiriques sont utilisées pour corriger cet effet[61].

En outre, il faut aussi, comme pour les marégraphes, retrancher d'autres sources de variation du niveau de la mer indépendantes de l'évolution à long terme, comme l'effet baromètre inverse, les effets saisonniers, etc[27].

Les résultats satellites étant partiellement calibrés sur les résultats des marégraphes, ce ne sont pas des sources entièrement indépendantes[62]. Des lacs sont aussi utilisés pour la calibration des mesures. Leur niveau ne varie pas sur les courtes périodes de temps : les vagues sont minimes, il n'y a pas d'effet baromètre inverse ni de marées. Le lac kirghize Yssyk Koul est devenu un site de référence[63].

Les programmes satellites TOPEX/Poseidon (T/P) et Jason-1 de la NASA et du CNES, fournissent des mesures du changement du niveau de la mer depuis 1992. Les données sont disponibles en ligne[64]. Ces données montrent une augmentation moyenne du niveau de la mer de 2,8±0,4 mm/an. Cela inclut une augmentation apparente de 3,7±0,2 mm/an pendant la période de 1999 à 2004[65].

Contributions à l'élévation contemporaine du niveau de la mer

Principales contributions à l'élévation du niveau de la mer, 2006-2015[66]

La hausse du niveau de la mer observée depuis la fin du XXe siècle et anticipée dans le futur est, pour l'essentiel une conséquence du réchauffement climatique, dont l'étude ne peut être séparée de celui-ci. Selon la synthèse 2019 du GIEC[12], au cours de la période 2006-2015, le niveau de la mer a augmenté de 3,58 mm/an en moyenne, tandis que la somme des contributions, estimées à partir de la synthèse de nombreuses publications scientifiques, est de 3 mm/an. Le figure ci-contre présente les principales contributions, que sont la dilatation thermique de l'eau et la fonte des glaciers. La contribution e, négative, correspond au changement de la quantité d'eau stockée sur les continents à l'état liquide : lacs de retenues et nappes phréatiques[66].

Contribution de la dilatation thermique

(haut) Volume occupé par un kg d'eau entre 0 et 30°c. (bas) coefficient de dilatation thermique en ppm/K.

L’eau liquide se dilate à mesure qu’elle monte en température, son volume augmentant en même temps que sa température[67]. Cet effet, correspondant à un changement de la masse volumique, est dit stérique, par oppositions à toutes autres contributions qui sont barystatiques, c'est à dire représentent une variation de la masse d'eau présente dans les océans[68].

Cette dilatation de l’eau est responsable, selon les études de la NASA, d'environ un tiers de l'élévation en cours du niveau de la mer, et d'une élévation de sept millimètres du niveau des océans entre 2003 et 2018[69]. La même proportion est déterminée par la synthèse du GIEC de 2019, d'après laquelle la contribution de la dilatation thermique des océans est de 1,40 mm/an (très probablement entre 1,08 à 1,72 mm/an) entre 2006 et 2015[70]

Les océans absorbent 90 % de la chaleur supplémentaire due à l’effet de serre[69]. La capacité thermique des océans est environ 1000 fois supérieure à celle de l'atmosphère, c'est à dire que la même quantité de chaleur qui élèverait d'un degré la température de l'atmosphère, l'élèverait que de un millième de degré celle des océans[71].

Les sondes de mesure - avant 2014 - n'enregistraient pas la température aux très grandes profondeurs (sous 6 000 m), la plupart des bouées ne descendant pas à moins de 2 000 m alors que la profondeur moyenne est de 3 800 m, avec des fosses à plus de 12 000 m[67]. En 2014, des bouées dites Deep Argo ont commencé à faire des mesures à 6 000 m de fond, ce qui permet de mieux étudier la diffusion de la chaleur dans l'océan[67].

La température de l'océan évolue avec le climat, mais de façon différée : la chaleur ne se diffuse dans les profondeurs océaniques qu'à l'échelle des siècles. Par conséquent, l'élévation du niveau de la mer causé par la dilation thermique de l'eau est, elle aussi, très étalée dans le temps. Ainsi, une étude de 2017[72] étudie un scénario dans lequel les émissions de gaz à effet de serre s'arrêtent brutalement en 2050. La température moyenne de l'air cesse d'augmenter au même moment, en revanche, le niveau de la mer (plus exactement, la composante de sa variation dûe à la dilation thermique) ne cesse pas : la variation est de 30 cm avant 2050, et plus du double pendant les siècles suivant, l'équilibre n'étant pas atteint en 2800. Même dans des scénarios ou les gaz à effet de serre sont retirés de l'atmosphère (émissions négatives, captures), une partie de l'élévation est irréversible à l'échelle des siècles. Cela signifie que l'expansion thermique de l'océan a en fait à peine commencé à réagir au réchauffement climatique[73].

Contribution de la fonte des glaces

La fonte des glaces flottantes (barrières de glace et banquises) ne modifie pas le niveau de la mer. En effet, en vertu du principe d'Archimède, les glaces flottantes occupent sous la ligne de flottaison un volume identique à celui issu de leur fonte. C'est donc la fonte des masses de glace continentale qui contribue à l'élévation du niveau de la mer[69],[74]. Les inlandsis d'Antarctique et du Groenland représentent, respectivement, 88.2% et 11.3% des glaces non-flottantes sur Terre. Les 0.5% restant correspondent aux glaciers et calottes glaciaires du reste de la planète (massifs montagneux, Alaska, Islande...). Bien que représentant un faible volume, les glaciers et les calottes participent beaucoup à l'élévation actuelle du niveau de la mer, car ils fondent rapidement[75]. La fonte des inlandsis est plus lente. Celle du Groenland durerait 1 500 ans (pour le scenario le plus rapide) et celle de l'Antarctique serait encore plus lente[76].

Si tous les glaciers et calottes glaciaires (hors des régions polaires) fondaient, l'élévation du niveau de la mer serait d'environ 0,32 m[77]. La fonte de l'inlandsis du Groenland produirait 7,2 m d'élévation du niveau, et la fonte de l'inlandsis de l'Antarctique en produirait 61,1 m[76]. L'effondrement du réservoir intérieur immobilisé de l'inlandsis de l'Antarctique Ouest augmenterait le niveau de 5 à 6 m[78].

Inlandsis polaires

Les précipitations sous forme de neige sur les inlandsis d'Antarctique et du Groenland s'élèvent, respectivement, à 1 637 Gt et 399 Gt par an. Si toute cette neige s'accumulait et aucune glace ne retournait à l'océan, cela correspondrait à une baisse de 5,6 mm par an du niveau des océans. La différence entre la quantité de glace entrante et sortante est appelée le bilan de masse. L'évaluation précise de ce bilan est un enjeu majeur car c'est lui qui contribue aux variations du niveau de la mer.[79].

Trois méthodes complémentaires permettent d'évaluer le changement des masses des Indlandis :

  • Des satellites mesurent l'altitude des glaces. Ils peuvent utiliser des altimètres radars proches de ceux qui surveillent le niveau de la mer (comme pour le programme européen Cryosat), soit des altimètres laser (cas du programme américain ICESat)[80].
  • D'autres satellites, comme GRACE, mesurent l'anomalie gravimétrique à la verticale des inlandsis, ce qui fournit une évaluation de leur masse[81].
  • La troisième méthode consiste à estimer directement les flux entrant et sortant, en se basant notamment sur la vitesse de glissement des glaces et la mesure des précipitations[82]

De 1995 à 2018, le Groenland a perdu environ 4 000 milliards de tonnes de glace, ce qui correspond à une élévation d'environ 11 mm du niveau de la mer. Cette perte de masse n'est pas homogène sur le Groenland : les zones en haute altitude au centre de l'île ont légèrement accumulé de la glace[82]. Sur la période 2006-2015, la Contribution de l’inlandsis du Groenland (et de ses glaciers périphériques) sur la même période et de 0,77 mm/an (très probablement entre : 5 et 95 %: 0,72 à 0,82 mm/an).[70]

Sur la même période, la fonte de l’inlandsis Antarctique (et de ses glaciers périphériques) a contribué à la hausse du niveau de la mer à hauteur de 0,43 mm/an (très probablement entre : 0,34 et 0,52 mm/an)[70].

Les deux inlandsis polaires ont donc contribué à hauteur de 1,20 mm/an (très probablement entre 1,06 et 1,34 mm/an).[70]

Glaciers et calottes glaciaires

Evolution de la masse des glaciers subpolaires et de montagnes, 2003-2018[83]

Les glaciers et calottes glaciaires représentent 0.5% de la masse des glaces non-flottantes sur Terre. Malgré cette réserve beaucoup plus faible que celle des inlandsis, ces glaciers sont très importants dans l'évolution du niveau de la mer au cours du siècle écoulé, et dans le futur proche : étant bien plus petits et situés dans des régions où la température peut devenir positive l'été, ils fondent beaucoup plus rapidement que les énormes Inlandsis polaires[77].

Un glacier est en permanence en train de s'écouler, à une vitesse qui dépend notamment de la pente du terrain. La neige qui tombe sur sa surface, compactée par son propre poids, expulse l'air contenu et s'accumule en glace. La partie la plus basse (zone d'ablation) du glacier perd de la masse par fonte, sublimation et effritement. Le bilan hydraulique annuel du glacier (l'évolution de sa masse) est donc la différence entre la quantité de neige accumulée dans l'année, et la quantité de glace perdue par la base du glacier, il dépend donc à la fois de l'évolution des précipitations de la vitesse de fonte[84].

Leur fonte totale élèverait le niveau de la mer d'environ 32 cm. Entre 1884 et 1975, ils ont contribué pour au moins le tiers de l'élévation du niveau de la mer qui a été observée[77],[85].

D'après la synthèse du GIEC de 2019 la contribution à l'élévation du niveau de la mer des glaciers et calottes glaciaires (hors Groenland et Antarctique) a été, entre 2006 et 2015, de 0,61 mm/an (très probablement entre 0,53 et 0,69 mm/an)[70]. Sur la base des mesures satellitaires du programme GRAC, Ciracì et Al estiment les pertes de masse des glaciers et calottes glaciaires (hors Groenland et Antarctique), de 2003 à 2018, à 285,5 ± 30 Gt/an. Ce qui correspond à environ 0,8 mm par an d'élévation du niveau de la mer. Cette fonte tend à s'accélérer dans toutes les régions étudiées, à l'exception de l'Islande et du nord de la Cordillière des Andes, l'accélération globale étant évaluée 5 ± 2 Gt/an2[83].

Le recul des glaciers n'est pas seulement une conséquence de l'évolution des températures des précipitations. Un autre facteur y contribue : l'accumulation sur leur surface de particules fines (suies) issues de la pollution des industries et des transports. En diminuant l'albedo de la couche superficielle de neige, les suies accélèrent leur fonte[86].

Autres contributions

A coté de ces deux causes principales que sont la fonte des glaces et la dilatation thermique, d'autres phénomènes, qui n'ont pas tous de lien direct avec le réchauffement climatique, contribuent aussi à l'élévation des océans, comme l’exploitation des aquifères terrestres.

Surexploitation des aquifères

De nombreux aquifères dans le monde sont exploités au-delà de leur capacité de renouvellement, ou ne se renouvellent pas du tout (eau fossile). Cette surexploitation des ressources d'eau souterraine contribue à l'élévation du niveau de la mer, en transférant de l'eau vers l'océan. Une étude de 2011 s'est attachée à quantifier cette contribution : il en ressort qu'au cours des années 2000 145 km3 d'eau ont ainsi été ajoutés annuellement à l'océan de cette façon, contribuant pour 13 % à la hausse observée du niveau des océans[87]. La surexploitation des ressources d'eau souterraine est une réalité mondiale, mais elle est particulièrement importante en Inde au Moyen-orient, où l'agriculture est largement irriguée par ce moyen[88].

Assèchement des bassins endoréiques

Cartographie des régions endoréiques

La régression de mers et lacs endoréiques contribue également à élever le niveau de la mer. La Caspienne étant la plus grande mer fermée, sa contribution est la plus sensible. Son niveau, après une période de montée à la fin du XXe siècle, a perdu 1,5 m de 1996 à 2015. Si l'évolution historique du niveau de la caspienne est assez erratique, dans le futur proche la baisse devrait continuer[89]. Une baisse comprise entre 9 et 18 m est anticipée d'ici la fin du XXIe siècle. La surface de la mer Caspienne étant 3700 fois plus petite que celle de l'océan global, une baisse d'un mètre du niveau de la caspienne correspond à une élévation de 0,27 mm du niveau de la mer, ce qui reste une contribution assez minime[90].

La baisse du niveau du lac Tchad et la mer d'Aral, a aussi contribué, de façon marginale, à l'élévation du niveau de la mer[91]. De façon générale, les régions endoréiques tendent à s'assécher, même si celles d'Afrique australe et orientales font exception. Entre 2002 et 2016 elles ont perdues plus de cent milliards de tonnes d'eau par an[92].

Etats et affectation des sols

Plusieurs effets touchant à l'état et l'affection des sols se répercutent sur le niveau de la mer.

La déforestation est une des causes du réchauffement climatique, et donc de l'élévation du niveau de la mer que celui-ci cause via la dilatation thermique et la fonte des glaciers : le dioxyde de carbone relargué par la déforestation représente 12 % des émissions anthropiques de Gaz à effet de serre[93]. La déforestation a aussi un impact plus direct sur le niveau de la mer, par d'autres mécanismes. L'eau contenue dans la biomasse forestière est libérée lorsque les forêts sont détruites et elle finie par rejoindre les océans. Le ruissellement de l'eau et l'érosion du sol sont souvent accrus par la déforestation. Une estimation haute de ces contributions est de 0,035 mm par an, soit de l'ordre de 1% de l'élévation du niveau de la mer au cours des années 2010[91],[94].

L'assèchement des marais réduit la quantité d'eau stockée sur les continents. Selon une estimation de 2010, ce facteur contribue pour 0,067 mm par an à l'élévation du niveau de la mer, soit en ordre de grandeur, 2% du total[95].

La désertification entraîne une réduction de la quantité d'eau présente dans le sol, elle réduit donc le stock d'eau des continents au profit de celui de l'océan. En 1994, Shahagian[94] propose ce calcul d'ordre de grandeur : si, en 35 ans, le Sahara a avancé sur un million de kilomètres carrés dans la bande sahéliennne, en réduisant de 2 % à pratiquement zéro la teneur en eau du sol sur 5 m de profondeur, alors une élévation de 0,28 mm de la mer en a résulté.

Enfin, l'érosion des sols contribue également à l'élévation du niveau de la mer. D'une part en diminuant la stock d'eau présente dans les sols et d'autre part en produisant des sédiments. Environ 60 milliards de tonnes de sols sont érodés par an, dont 25 milliards finissent par se sédimenter au fond des océans. L'espace ainsi occupé fait monter d'autant le niveau de la mer[96]. Le rapport d'évaluation 2011 du GIEC mentionne cet effet sans le quantifier[97].

Effet négatif des retenues d'eau

La construction de barrages, avec la création de lacs de retenue, tend à faire baisser le niveau de la mer. En effet, le volume d'eau contenu dans ces lacs est retranché à celui des océans. Un article de 2008[98] estime ainsi qu'en 80 ans, les lacs de retenue créés dans le monde ont accumulé 10 800 km3 d'eau, faisant baisser le niveau de la mer de 30 mm au total. Une fraction de cet effet devrait être annulée à long terme, car l'envasement des lacs de barrage réduit leur capacité[99].

Action non-climatique des produits de combustion

La combustion des hydrocarbures fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon, etc.) produit de l'eau et du dioxyde de carbone (CO2). Outre leur effet sur le climat, ces produits de combustion contribuent directement, par leur volume, à élever le niveau des océans. L'eau nouvelle, créée par la combustion, s'ajoute au cycle de l'eau et environ 25% du CO2 créé finit dissout dans les océans (d'où l'acidification des océans). Cette contribution est cependant minime: un article de 2014 estime que l'eau et le CO2 produits par la combustion des hydrocarbures fossiles font respectivement monter l'océan de 0,033 ± 0,005 mm/an et de 0,011 ± 0,003 mm/an par cet effet (soit de 1 à 1.5% de l'élévation totale mesurée)[100].

Rebond isostatique

Il s'agit de l'ajustement de forme de la croûte terrestre à la suite du changement de son état de contrainte mécanique.

Évaluation de l'évolution future du niveau de la mer

La prévision de l'évolution future du niveau a fait l'objet d'environ 70 études publiées entre le début des années 1980 et 2018, sans qu'un consensus ne se dégage réellement sur les valeurs anticipées. L'incertitude porte principalement sur l'évolution à long terme des inlandsis du Groenland et d'Antarctique[101].

Les méthodes semi empiriques consistent à définir, à partir des données du passé, une loi reliant la variation du niveau de la mer à une ou plusieurs variables explicatives (comme la température ou sa dérivée), et utiliser cette loi pour les projections à l'échéance de plusieurs décennies[101]. L'autre grande famille de méthodes consiste à construire des modèles physiques de chaque contribution à l'évolution au niveau de la mer : glaciers, inlandsis et dilatation thermique notamment. De nombreux articles cumulent ces méthodes, en s'appuyant par exemple sur une méthode statistique pour les indlandsis mais un modèle physique de l'effet stérique[101].

Le GIEC réalise des synthèses régulières des connaissances scientifiques sur l'évolution de climat et des océans.

Application d'un modèle sur les données historiques

Ces méthodes reposent sur l'utilisation des données historiques (sur plusieurs décennies) pour établir une relation entre une ou plusieurs variables explicatives

Approche semi-empirique (Rahmstorf)

En 2007, Stefan Rahmstorf  publie la méthode semi-empirique suivante[102]. Il est considéré qu'à une modification soudaine à la date de la température de surface (de type fonction échelon), le niveau de la mer réagit sous forme exponentielle :

est la variation finale du niveau de la mer, fonction de la variation de température appliquée. La constante de temps est de plusieurs siècles. Ainsi, à « court terme », c'est à dire sur un ou deux siècles, la fonction , réponse à un échelon en température, peut être approximée comme une fonction affine. En généralisant à une variation de température quelconque, et non une fonction échelon, il apparait qu'à court terme, la variation annuelle du niveau de la mer est proportionnelle au changement cumulé de température de surface.

étant la température de surface pré-industrielle, Rahmstorf choisit 1880 comme point de départ. Le coefficient est ajusté selon les données historique, la valeur obtenue est de 3,4 mm par an et par degré celcius[102].

Modélisation physique

Modélisation de la fonte des glaces

De nombreux travaux visent à modéliser de façon prédictive le fonte des glaces, qu'il s'agisse des glaciers de montagne, des calottes ou des indlandsis.

Des phénomènes de rétroaction sont suceptibles de provoquer une accélération de la fonte des glaces[103] :

  • La rétroaction fonte-albédo : la neige a une albédo très élevé (jusqu'à 0,9). Ainsi, lorsque la neige fond, laissant la place à de l'eau à l'état liquide, ou, après regel, à de la glace, l'albédo diminue, ce qui accélère la fonte car la température augmente plus rapidement au soleil. C'est une donnée importante pour toutes les formations de glace, des glaciers de montagnes aux inlandsis polaires[104],[105].
  • Dans le cas des inlandsis ou des calottes les plus importantes, il existe aussi une rétroaction altitude-fonte : la fonte de glace se traduit par un amincissement de l'inlandsis. Ainsi, sa surface se retrouve à une altitude plus basse, et donc naturellement exposée à une température de l'air plus élevée[103]
  • La réduction des surfaces recouverte de neige et de glace tend à augmenter la température atmosphérique au niveau régional, c'est encore un facteur d'accélération de la fonte[106].

Les glaciers de montagnes se comptent par dizaines de milliers : la base de donnée GLIMS, basées sur l'imagerie par satellites, en recense environ 160 000[107]. Ainsi, même si il existe des modèles numériques de ces structures, permettant d'anticiper le bilan de masse d'un glacier en fonction de l'évolution du climat auquel il est exposé, tous les glaciers ne sont modélisés individuellement. L'approche habituelle constitue à modéliser une petite population de glaciers, et d'extrapoler les résultats à l'ensemble d'entre eux en utilisant des règles de mise à l'échelle et dépendance au climat[108].

Modèle le plus simple d'un glacier alpin

La figure ci-contre représente le modèle élémentaire d'un glacier alpin[109]. Le glacier est envisagé comme un simple parallélépipède de glace, à flanc de montagne. Le bilan de masse du glacier est la différence entre l'accumilation et l'ablation (fonte).

Les glaciers ont contribué pour une part importante de l'élévation récente du niveau de la mer, et cette part restera importance à court terme : environ un tiers de l'élévation anticipée au cours du XXIe siècle leur est attribuée[108]. A plus long terme cependant, cette part diminuera, car les glaciers de montagne auront largement disparu. Ainsi selon un article publié en 2006, dans un scénario prévoyant un réchauffement de 4 °c sur un demi-siècle, suivi d'une stabilisation des tempérfatures mondiales, les glaciers de montagne auront pour l'essentiel disparu en 200 ans, leur contribution au niveau de la mer sera finalement comprise entre 10 et 15 cm[110]. Les calottes glaciaires contribueront pour à peu près autant mais leur fonte sera trois fois plus lente[110].

Projection à long terme pour la contibution du Groenland à l'élévation du niveau de la mer. Applegate 2015

La figure ci-contre donne une série de projections sur un millénaire concernant l'inlandsis du Groenland. La colonne de gauche représente une série de scénarios dans lequel le réchauffement climatique est arrêté (ce qui en première approximation correspond à un arrêt des émissions) à tel ou tel point dans le futur. Dans la colonne de droite, les scénarios prévoient un retour des températures au niveau du 20e siècle, ce qui impliquerait des efforts gigantesques de géo-ingénierie. Les graphiques de la première ligne donnent l'évolution des températures (régionales, au niveau du Groenland, et non globales) dans chaque scénario. La deuxième ligne donne la contribution cumulée de la fonte de l'indlansis groenlandais, en mètres, dans chaque scénario. La troisième ligne donne le rythme de cette contibution. Ces projections sont obtenus par un modèle numérique de l'indlandsis, elles sont extraites d'une publication de Applegate et Al[111].

Effet stérique

La prévision de la contribution de la dilatation thermique fait appel à des modèles de dynamique des fluides, appliquant les équations de Navier-Stokes à l'échelle des océans, et incluant aussi les échanges thermiques entre l'océan et l'atmosphère. Le CMIP6 (Coupled Model Intercomparison, phase 6) met à disposition 15 modèles de ce type, mis au points par des équipes de divers pays, ce qui permet aux chercheurs de les confronter[112].

La température des masses océaniques suit l'évolution du climat, mais de façon extrêmement différée. Ainsi, dans le cas d'un doublement instantané la teneur en CO2 de l'atmosphère, la température de l'eau à 3 000 m de profondeur augmentera d'environ 2 °c, mais ce processus sera étalé sur 3000 ans. En conséquence, l'élévation du niveau de la mer dûe à l'effet stérique est elle aussi très lente[113].

Prévisions sur les contributions non-climatiques

Les autres contibutions à l'élévation du niveau de la mer font aussi l'objet de prospection. Selon une série de scénarios considérés dans une publication de 2012, l'épuisement des réserves d'eau souterraines, qui a déjà apporté 25 mm d'élévation du niveau de la mer par rapport au niveau pré-industriel, contribuerait pour 70 à 90 mm de plus d'ici 2100. Ces estimations se basent sur un prolongement des tendances historiques prenant en compte, région par région, l'estimation des besoin en eau futurs, selon l'évolution de la population et de la pluviométrie[114].

Synthèse du GIEC

D'après la synthèse des connaissances scientifiques réalisée par le GIEC dans le cadre du rapport spécial océans et cryosphère de 2019, le niveau moyen de la mer augmentera d'ici à 2100 (par rapport à sa moyenne sur la période 1986–2005) d'environ 0,43 m (probablement entre 0,29 et 0,59 m) dans un scénario de faible émission de gaz à effet de serre (RCP2.6) et d'environ 0,84 m (probablement entre 0,61 et 1,10 m) dans un scénario de forte émission de gaz à effet de serre (RCP8.5)[115]. Ce rapport souligne qu'il existe des incertitudes structurelles quant à la vitesse de fonte de l'inlandsis de l'Antarctique, car certains processus impliqués dans sa fonte ne sont pas suffisamment connus pour être représentés de façon réaliste. La contribution de l'inlandsis pourrait ainsi être sous-estimée dans les intervalles de confiance probables, estimés statistiquement. Les instabilités de l'inlandsis de l'Antarctique pourraient conduire à une hausse du niveau des mers de 2,3 à 5,4 m d'ici 2100 pour le scénario RCP8.5[115].

Effets et enjeux de l'élévation du niveau de la mer

Zones à risques de submersion, pour l'Europe

Sur la base des projections rappelées ci-dessus, le rapport TRE du GIEC (IPCC TAR) WG II note qu'on peut s'attendre à ce que le changement actuel et futur du climat ait divers impacts sur les systèmes côtiers[116] ; incluant une érosion côtière accélérée, une exacerbation de l'occurrence et de l'ampleur des inondations, des invasions marines dues aux tempêtes, l'inhibition de processus de production élémentaires, des changements dans les caractéristiques et dans la qualité de l'eau de surface et des eaux souterraines (salinisation), davantage de pertes de propriétés et d'habitats littoraux, des pertes de ressources et de valeurs culturelles et sociales, déclin de la qualité du sol et de l'eau, pertes économiques (agriculture, aquaculture, tourisme, loisirs) et liées et les services de transports (les littoraux sont souvent bordés d'infrastructures importantes ou vitales pour les transports nationaux). Des pertes potentielles de vie font partie des impacts cités par le GIEC.

Les modèles projettent des différences régionales et locales importantes dans les changements relatifs du niveau marin. Les impacts varieront aussi selon les capacités de résilience écologique des écosystèmes et donc selon les zones biogéographiques et leur état de santé (Alors que l'objectif de bon état écologique et physico-chimique des masses d'eau, poursuivi par la directive cadre européenne sur l'eau semble ne pas pouvoir être partout atteint en 2015 comme prévu (au rythme des progrès actuels). Des changements floristiques, fauniques, trophiques et de biomasse sont déjà observés, mais dont les causes sont difficiles à démêler (le réchauffement ou des perturbations induites par la surpêche sont probablement aussi en cause).
La biodiversité et biomasse de la zone intertidale moyenne et basse (là où elle est la plus riche) pourraient être affectées si l'eau monte trop rapidement[117].

Cas des littoraux

Ils sont plus ou moins exposés, selon leur altitude ou leur degré de poldérisation, mais aussi selon la nature des substrats, leur orientation, le climat local, leur position dans un détroit, etc. Les données statistiques prospectives sur les impacts sur l'Homme de l'élévation des mers sont rares, mais certaines données paléoclimatiques et sur les paléopaysages peuvent renseigner sur la manière dont ils ont été affectés lors des avancées marines précédentes[réf. nécessaire].

Une étude[118] rappelait en 2007 que 634 millions de personnes vivent près des côtes et à moins de 10 mètres au-dessus du niveau marin. Et deux tiers des villes de plus de cinq millions d'habitants sont situées dans des secteurs côtiers de basses terres. Ce sont dans de nombreux pays les littoraux qui s'urbanisent le plus vite et qui sont le plus touchés par la périurbanisation, dont en France, selon l'Observatoire du littoral de l'Institut français de l'environnement[réf. nécessaire].

Une grande partie des usines chimiques, des raffineries, des grands ports stratégiques, des centrales électriques, notamment nucléaires les plus puissantes y sont construites[119],[120].

Un enjeu important de protection de la nature existe aussi, car ce sont sur les littoraux qu'ont subsisté de nombreux milieux naturels précieux et menacés (par exemple coûteusement achetés par le Conservatoire du littoral en France) ; Ils abritent une partie importante des réserves naturelles et de la biodiversité mondiale. De nombreux récifs et mangroves risquent de ne pas pouvoir croître assez vite pour s'adapter à une montée de l'eau, surtout si celle-ci devient plus turbide et polluée en raison d'une augmentation de l'érosion, ce qui semble être déjà le cas[121]. Toutes ces ressources sont menacées par la montée des océans.

Dans le monde, de nombreuses régions littorales ont commencé à consolider ou rehausser leurs digues, à redimensionner leurs systèmes d'écluses ou de protection, sans néanmoins qu'il y ait de consensus sur la hauteur du risque à envisager ou sur les dates butoirs[122].

Ce n'est pas la hauteur moyenne, mais les maxima qu'il faut prendre en compte, ce qui nécessite d'intégrer les combinaisons possibles de facteurs d'exacerbation que sont les tempêtes, les dépressions et les crues, voire le risque de tsunami. La Flandre belge a par exemple décidé de maintenant prendre en compte le risque de surcote lié à une tempête « millénaire » dans son plan de protection des côtes mis en place par l’État et les dix communes côtières concernées. En effet, sans renforcement des digues et du cordon dunaire sur au moins 1/3 du littoral belge, selon les modélisations, presque toute la côte et les villes des zones arrière dunaires et de polders seraient inondées, jusqu'à Bruges[123].

La subdsidence, c'est à dire le tassement de la surface terrestre est pour nombre de villes et régions côtières, un facteur aggravant, qui s'additionne à la montée de la mer pour augmenter le risque d'innondation. La subsidence est due à l'extraction des réserves d'eau souterraine, mais aussi parfois de gaz et de pétrole, et aux poids des construction. Ce phénomène touche surtout de grandes villes asiatiques. La situation de Bangkok, ville extrêmement basse en altitude dont le sol s'enfonce de un à deux centimètres par an, est particulièrement préoccupante[124]. Tokyo, Osaka, Manille, Hanoï, Jakarta sont des exemples de métropoles asiatiques particulièrement concernées par cet effet[125]. En Europe, Venise est un exemple de ville concernée[126]. Outre la menace de submersion de villes, c'est aussi une cause de perte de terres agricoles, par exemple dans le Delta du Mékong[127].

Cas des îles

L'atoll de Baa aux Maldives.

Le GIEC a suggéré que les deltas et les petits États insulaires pourraient être particulièrement vulnérables à la montée des mers. Des phénomènes de compensation isostatique pourraient toucher la Baltique et certaines îles. L'élévation relative du niveau marin pourra être exacerbée par des affaissements ou pertes substantielles de terres dans certains deltas[128]. À ce jour, les changements de niveau marin n'ont pas encore causé de graves pertes environnementales, humanitaires, ou économiques dans les petits États insulaires. L'enfoncement d'une partie des terres des nations insulaires des Tuvalu avait d'abord été attribué à la seule montée de la mer, mais des articles ont ensuite suggéré que des pertes importantes de terre résultaient de l'érosion induite par les cyclones Gavin, Hina, et Keli de 1997[129],[130]. Les îles en question n'étaient pas peuplées. Reuters cite d'autres îles Pacifiques qui font face à un risque grave, dont l'île de Tegua dans Vanuatu. l'Agence affirme que les données de Vanuatu ne montrent aucune élévation nette du niveau de la mer, et ne sont pas corroborées par des données de mesure de marée. Les données de mesure de marée de Vanuatu[131] montrent une élévation nette d'environ 50 millimètres de 1994 à 2004. La régression linéaire de cet enchaînement à court terme suggère une vitesse d'élévation d'environ 7 mm/an, bien qu'il y ait une variabilité considérable et qu'il soit difficile d'évaluer la menace exacte qui pèse sur les îles en utilisant un enchaînement à si court terme.

Pour éviter un afflux supplémentaire de réfugiés climatiques, diverses options ont été proposées pour aider les nations insulaires à s'adapter à l'élévation du niveau marin et à des tempêtes plus fréquentes ou plus graves[132].

Intrusion d'eau salée dans les aquifères côtiers

Certains aquifères côtiers communiquent avec l'océan, ce qui est matérialisé par l'existence d'exsurgences sous-marines. Lorsque le niveau de l'aquifère baisse (surexploitation), le risque est l'intrusion d'eau de mer, augmentant la salinité de l'aquifère, et rendant potentiellement son eau inutilisable. L'élévation du niveau de la mer augmente ce risque. Il est mal connu et doit être évalué au cas par cas. C'est un risque potentiellement considérable, car il peut concerner les aquifères qui alimentent en eau douce des régions côtières très peuplées[133].

Écosystèmes littoraux

Les marais maritimes constituent des Écosystèmes très particuliers, et sont directement exposés à la hausse du niveau de la mer. Tant que le rythme d'élévation est modéré, l'accrétion de matière (sédiments apportés par la mer et déchets végétaux) permet aux marais salants de ne pas être submergés : ils se déplacent en accompagnant le niveau de la mer. Cependant, un rythme supérieur à 5 mm/an placerait une grande parti des marais maritimes au risque d'être submergé. Une partie seulement de l'espace perdu pourrait être compensé par une migration de cet écosystème vers l'intérieur de terres[134].

Récifs coralliens

Une étudie publiée en 2018 questionne la capacité des récifs coralliens à croître verticalement au rythme de l'élévation du niveau de la mer, en modélisant leur comportement. Selon les résultats obtenus, la majorité des récifs sont capables de suivre de près le rythme d'un scénario (RCP2.6) prévoyant 44 mm de hausse de niveau de la mer d'ici 2100. En revanche, dans un scénario (RCP8.5) où le niveau des océans gagne 74 mm, malgré une légère amélioration de leur taux de croissance (en raison de la disponibilité supérieure de carbonates, du fait du taux de CO2 plus élevé de l'air), peu de récifs peuvent croître assez vite. Environ trois quarts des 200 récifs coralliens étudiés verraient ainsi leur profondeur d'immersion augmenter de plus de 50 cm. La conséquence directe est une forte diminution de la protection que les récifs apportent à la côte contre l'érosion et les inondations[135].

Cas des polders

Les zones de polders comptent parmi les plus vulnérables. Dans certains cas (Pays-Bas), des polders sont rendus à la mer ou vont l'être. En cas de recul des nappes d'eau douce, l'avancée d'un « biseau salé » sous une digue ou un cordon dunaire est possible. Les régions de polders et de marais sont particulièrement exposées par leur altitude très voisine du niveau moyen de la mer. Si l’augmentation de la profondeur à l’extérieur des digues n’est pas compensée par une sédimentation équivalente, elle provoque une diminution de la réfraction des vagues, d'où une énergie plus grande libérée sur le littoral et une vulnérabilité accrue des ouvrages de défense contre la mer. Par ailleurs, la plus grande profondeur peut entraîner une modification de direction des courants, ce qui soumet le tapis végétal à une plus longue durée de submersion et à une salinité plus élevée, causant son appauvrissement[136]. En plein essor depuis les années 1980, de nouvelles formes de gestion du littoral axées sur la dépoldérisation développent une politique défensive face à la mer. Ce mouvement consiste à rendre à la mer les étendues de terre qui avaient été gagnées sur l’eau. La dépoldérisation permet de se défendre contre la mer sans dommages environnementaux. Elle participe même à reconstituer des milieux naturels. Dépoldériser entraîne une modification du milieu par resalinisation de celui-ci et permet la reconstitution d’un écosystème maritime composé de slikke et de schorre. Sa végétation halophile dense et épaisse est un frein pour la pénétration de la mer puisqu’elle contribue à l’accumulation des sédiments[137].

Les aménagements humains pour protéger l'habitat de la mer impactent les prix et le consentement à payer ; ainsi les prix des loyers semblent évoluer selon le niveau de sécurité ressentie lié à la présence de digues[138].

Patrimoine culturel

Dans un réchauffement limité à 2 degrés, 110 sites inscrits au patrimoine mondial de l'UNESCO sont menacés (de submersion et/ou d'érosion accélérée) à l'échance de deux millénaires. Ce chiffre passe à 139 pour 3 degrés de réchauffement, et à 148 pour 4 degrés[139]. Parmi les sites menacés, on recense les centres historiques de villes comme Saint-Petersburg, Ayutthaya, La Valette, et Venise; des sites archéologiques comme ceux de Carthage ou Byblos, des ensembles emblématiques comme le Béguinage de Bruges et la Casbah d'Alger, et des monuments comme la Statue de la Liberté ou la Basilique patriarcale d'Aquilée[139].

Conséquences sociales : migrations et conflits

Les conséquences de l'élévation du niveau de la mer sont nombreuses sur différents plans (social, environnemental, économique, etc.). Sur le plan social, les impacts peuvent varier de pays à pays.

Les populations exposées à un niveau de la mer élevé qui submerge les côtes habitées sont obligées de migrer pour échapper à leur position vulnérable. Au Bangladesh, deux types de migrations peuvent être mises en évidence : premièrement, la migration interne qui pousse les habitants ruraux à se déplacer vers la région urbaine et deuxièmement, la migration internationale qui a surtout lieu vers l'Inde[140]. The State of Environmental Migration 2011 a publié un tableau concernant la présence des migrants bangladais dans différents états indiens[141] :

États

West Bengal

Assam

Bihar

Delhi

Tripura

Rajasthan

Maharashtra

Nombres en millions

5,4

4

0,5

1,5

0,8

0,5

0,5

Au Nigeria, la migration de la population se limite au déplacement interne, population composée de personnes déplacées à l’intérieur de leur propre pays qui ont été forcées à fuir leur lieu de résidence habituel, notamment en raison de catastrophes naturelles, et qui n’ont pas franchi les frontières internationalement reconnues d’un État[142]. Mais le changement climatique est vécu de manière très différente selon les régions et les catégories sociales concernées, car la vulnérabilité à l’égard de l’environnement est le résultat des facteurs socio-économiques et géographiques spécifiques qui façonnent chaque société[143]. C’est ainsi que certains pays, pourtant très exposés à l’élévation de la mer, parviennent à développer des programmes et infrastructures de défense efficace face à la menace des eaux. Se situant dans la partie du monde où les ressources financières sont les plus élevées, les Pays-Bas ont développé depuis la fin du XXe siècle différentes techniques de protection devant cet enjeu climatique majeur. Aujourd’hui, la population néerlandaise n’est plus en permanence directement menacée par les inondations susceptibles de provoquer des migrations.

Le phénomène des migrations climatiques est susceptible de causer des conflits dans les régions déjà sensibles de la planète. Ainsi, au Bangladesh, des conflits externes ont explosé à cause de la migration élevée vers l'Inde qui aggrave la concurrence pour l’accaparement de ressources déjà rares. Cette concurrence entraîne le déclenchement de tensions ethniques à la frontière et à l’intérieur des terres[144].

Adaptations et contre-mesures

Cartographie des zones touchées selon le niveau

Carte des territoires qui seraient submergés en cas d'élévation de la mer de 6 m

La montée de la mer aura des impacts différents et ne se fera pas à la même vitesse partout. De plus, au fur et à mesure de la submersion, l'érosion et de nouveaux cordons dunaires pourront modifier le trait de côte. Cartographier le futur trait de côte et son évolution relève encore du domaine de la prospective et de ses incertitudes.

Enfin, de nombreuses méthodes et représentations visuelles du risque de submersion existent à ce jour (voir John C. Kostelnick, Dave McDermott, Rex J. Rowley, Cartographic methods for visualizing sea level rise[145]) ; leur précision dépend de celle du modèle numérique de terrain, mais pas uniquement (il faut notamment tenir compte des rééquilibrages eustatiques et isostatiques). Il existe des sites (par exemple Flood Maps[146]) calculant en ligne dans le monde, mais assez grossièrement, les zones submergées en fonction la hauteur de la mer selon le MNT (modèle numérique de terrain).

Mesures d'adaptation

Protection du trait de côte

Sable de reconstitution ajouté à une plage aux Pays-bas

Les risques de submersion marines liées aux ondes de tempête, risques accrus par l'élévation du niveau de la mer, font l'objet de mesures de prévention de plusieurs ordres. On peut regrouper les aménagements destinés à prévenir ce risque en trois catégories[147] :

  • Les travaux "en durs" : barrages, digues etc, qui représentent une artificialisation supplémentaire du littoral.
  • La reconstruction localisée pour empêcher le recul du trait de côte.
  • La méthode du moteur de sable, expérimentée au Pays-bas, qui consiste à laisser les courants distribuer le sable.

Adaptation des politiques d'urbanisme

Plusieurs pays (ou juridications) ont adopté des politiques en matière d'urbanisme et d'infrastructure qui prennent en compte l'élévation du niveau de la mer.

  • L'Union européenne a produit une directive[148] sur les inondations, incluant la préparation à l'aléa submersion marine (« inondations par la mer des zones côtières »).
  • En Nouvelle-Zélande, depuis 2010, toutes les nouvelles constructions doivent prendre en compte une élévation du niveau de la mer prévisible évaluée à un mètre[149].

Propositions de géo-ingénieurie

Différentes propositions ont été formulées en matière de géo-ingénieurie : d'un part, celles visant à ralentir, de façon générale, le réchauffement climatique, d'autre part, celles visant à agir directement sur le niveau de la mer.

Géo-ingénierie sur le climat

De nombreuses idées visant à freiner le réchauffement climatique par une intervention humaine ont été proposées : ensemencement des océans, action sur l'albédo, réflecteurs solaires en orbite, aérosols, etc. Pour compenser l'effet climatique d'un doublement du taux de CO2 atmosphérique, il faudrait réduire de 4 W m−2 le forçage radiatif[150].

Un moyen d'obtenir ce résultat serait l'injection de sulfates, sous forme aérosol, dans la stratosphère, c'est le processus qui est à l'origine de l'hiver volcanique suivant les plus importantes éruptions pliniennes. Les aérosols de sulfates ont une durée de vie assez courte, ils devraient donc être renouvelés en permanance. Pour obtenir le chiffre de 4 W m−2, il faudrait relâcher dans la stratosphère 10 à 20 millions de tonnes de sulfates par an (soit l'équivalent de l'Éruption du Pinatubo en 1991 tous les 1 à 2 ans. Dans un scénario de réchauffement climatique modéré (RCP4.5), cette méthode pourrait quasiment arrêter l'élévation du niveau de la mer. En revanche, dans un scénario de très fort réchauffement (RCP8.5), elle n'offre qu'un délai, de l'ordre de 80 ans[150]. D'autres études ont néanmoins pointé un effet contre-productif possible : réduire artificiellement l'ensoleillement diminue l'évaporation et donc les précipitations. Cela pourrait freiner l'accumulation de glace sur les inlandsis[151].

Une autre proposition consiste à déployer des miroirs en orbite, afin de réduire le rayonnement solaire atteignant la terre. Pour obtenir le même chiffre de 4 W m−2, il faufdrait mettre sur orbite environ 20 millions de tonnes[150]. Les démarches de reboisement, même si elles ont des effets positifs sur d'autres critères, ne semblent pas en mesure de ralentir sensiblement l'élévation du niveau de la mer[150].

Action sur les glaciers

Partant du constant qu'une partie importante de l'élévation du niveau de la mer prévue dans les prochaines décennies vient d'un petit nombre de champs de glace bien localisés, plusieurs auteurs ont proposé d'entreprendre des travaux à grande échelle pour ralentir leur fissuration et leur glissement vers la mer, et pour stabiliser ou augmenter leur masse[152].

Une famille de propositions se base sur l'idée d'augmenter l'albédo de la surface de la neige ou de la glace, afin de ralentir sa fonte, et de permettre éventuellement une accumulation d'une année sur l'autre. Une petite expérimentation a été menée sur un lac du Minnesota en 2016 : la fonte de la couche de glace a été ralentie par l'utilisation de microbilles de verre[153]. Dans les Alpes Italiennes, des bâches blanches sont installées chaque été depuis 2008 sur le glacier de Presena, à la fois pour augmenter l'albédo et pour réduire les échanges thermiques avec l'air ambiant[154] Il a aussi été proposé de retirer la surface "sale" (débris naturel ou pollution) de certains glaciers (éventuellement pour en faire des talus freinant l'érosion éolienne), ou de la recouvrir d'une couche de neige artificielle[152].

Une autre piste proposée est d'appliquer le principe d'ensemencement des nuages au dessus des zones les plus froides du Groenland et d'Antarctique, afin d'y augmenter les précipitations et donc l'accumulation de glace, renforçant certains glaciers[152]. Diverses solutions ont été proposées pour freiner mécaniquement le glissement des glaciers vers la mer : construction d'ancrages en béton, utilisation de chaines ou de cables d'acier, murs s'opposant au vêlage[155].

Enfin, d'autres propositions consistent à cibler la couche d'eau liquide séparant les glaciers des substrats rocheux (qui permet le glissement des glaciers vers la mer), par exemple en pompant l'eau via un forage, ou en la réfrigérant sur place[152].

Autres propositions

Le Sahara présente plusieurs régions sous le niveau de la mer, dont la plus importante, de loin, est la dépression de Qattara, dont le point bas est à −133 m. Construire un canal pour remplir certaines de ces dépressions d'eau de mer est un projet proposé depuis des décennies, principalement pour humidifier le climat local et produire de l'énergie marémotrice. Ce serait aussi un moyen d'agir sur le niveau de la mer, mais très limité : la dépression de Qattara stockerait 1 340 km3 d'eau, avec un abaissement du niveau de la mer de l'ordre de 3 mm[156]

La régression de la mer Caspienne a fait l'objet de propositions spécifiques, notamment celle visant à détourner une partie de l'eau du Don vers la Volga (et donc la caspienne)[157].

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Annexes

Législation

  • Directive  2007/60/CE du Parlement et du Conseil relative à l’évaluation et à la gestion des risques d’inondation, 32007L0060, adoptée le 23 octobre 2007, JO du 6 novembre 2007, p. 27-34, entrée en vigueur le 26 novembre 2007 [consulter en ligne, notice bibliographique]

Articles connexes

Liens externes

Modélisations

Bibliographie

  • Barroca B & Hubert G (2008) Urbaniser les zones inondables, est-ce concevable ?, Développement durable et territoires, Dossier 11 : Catastrophes et Territoires
  • Carling C. Hay, Eric Morrow, Robert E. Kopp & Jerry X (2015) Mitrovica (2015) Probabilistic reanalysis of twentieth-century sea-level rise, Nature, Letter, mis en ligne 14 janvier 2015 ; doi:10.1038/nature14093 PDF, 12 pages
  • Conseil général de Charentes maritime (2007), Diagnostic des digues maçonnées « extérieures » de l’île de Ré, Phase 5 : Hiérarchisation des risques liés à la rupture et/ou au dysfonctionnement des digues, p. 29
  • Lauriane Paul (2011) des critères de l’acceptation du risque de submersion marine par la population ; Application sur l’île de Ré à la suite de la tempête Xynthia, projet de fin d'étude 2010-2011, sous la direction de Marc-André PHILIPPE, SCD, Université de Tours, PDF, 75p
  • Ganier E. & Surville F. (2010), La tempête Xynthia face à l’histoire, submersion et tsunamis sur les littoraux français du Moyen Âge à nos jours ; L’exemple du littoral aunisien et de ses prolongements d’entre Loire et Gironde, La Croît Vif, 174 p.
  • Laurent Labeyrie (2015), Submersion. Comment gérer la montée du niveau des mers, Éditions Odile Jacob, 176 p.
  • OCDE (2019), Hausse du niveau des mers : Les approches des pays de l'OCDE face aux risques côtiers, Éditions OCDE, Paris, https://doi.org/10.1787/9789264312999-fr. existe aussi en anglais (résumé)