MATAPLI-SMAI, n°58, Avril 1999

 

MODELES PROBABILISTES OU MODELES DETERMINISTES

Le cas du changement global

 

Nicolas Bouleau

 

Les succès des méthodes stochastiques en finance portent à réfléchir. Il faut reconnaître qu'en ce domaine, imprégné d'interprétations subjectives, rien n'incitait à croire a priori qu'une modélisation mathématique si élaborée pût être pertinente au point de rendre des services tout à fait concrets.

Dans le cas des modèles climatiques, il semble, en première analyse, que le hasard dû pour une bonne part à la turbulence des fluides, soit beaucoup plus physique et moins psychologique, et que la question puisse relever de la théorie des processus aléatoires. Celle-ci est suffisamment développée aujourd'hui pour fournir des outils souples et variés. Je pense que la communauté des mathématiques appliquées est certainement le lieu le plus adapté pour bâtir une réflexion à ce sujet. Je propose ici quelques remarques de philosophie de la modélisation qui se dégagent du cas du changement climatique et qui font apparaître une ambiguïté déontologique méritant d'être explicitée.

* *

Les résultats des modélisations prises en compte par les instances internationales (GIEC), qui sont communiqués à la presse sous une forme assez simple pour être comprise par l'opinion, se présentent comme des graphiques d'évolution de grandeurs scalaires (quantité de CO2 dans l'atmosphère, température, etc.) suivant diverses hypothèses, chaque courbe étant accompagnée, dans les bons cas, de barres d'erreur indiquant une évaluation de la précision. Faisceau d'hypothèses et barres d'erreur constituent, rappelons cette évidence, une représentation extrêmement pauvre d'un phénomène aléatoire puisque les lois marginales d'ordre un sont très mal dégrossies, celles d'ordre supérieur ignorées, on n'a même pas accès aux corrélations.

Évidemment, des modèles probabilistes plus élaborés sont utilisés en climatologie, notamment pour tenter d'estimer par des séries temporelles calées sur les données climatiques et paléoclimatiques, ce que serait l'évolution spontanée sans effet anthropique (phrase méritant d'être précisée sur laquelle nous reviendrons car il est bien sûr du domaine de la fiction d'envisager la planète sans l'intervention de l'homme).

Ces modèles sont tirés de versions améliorées de la théorie des processus stationnaires (dont les plus simples sont les classiques processus ARMA régis par des récurrences linéaires) éventuellement corrigés des évolutions cycliques (périodes glaciaires, récession des équinoxes). Les méthodes de lissage et de prédictions sont dans l'esprit du filtrage de Wiener. Il s'agit donc de modèles descriptifs qui ne prennent pas en compte la physique et la chimie des phénomènes. Il est intéressant de se souvenir que lorsque les techniques de séries temporelles sont apparues en économie avec Box et Jenkins, plusieurs auteurs ont montré, chiffres à l'appui, que ces prédictions aveugles étaient souvent meilleures que celles fournies par des modèles économétriques explicatifs difficiles à caler sur la réalité et contradictoires entre eux selon les écoles de pensée. En termes contemporains cela pose la question de savoir si un modèle explicatif dont l'assimilation est mauvaise étant donnée sa complexité mathématique ne doit pas être remplacé par un modèle descriptif mieux calibré vis-à-vis des observations.

Une classe a priori intéressante, peu développée à ma connaissance, est celle des modèles à la fois stochastiques et explicatifs en ce sens qu'ils prennent en compte les lois physiques, la conservation de la masse et de l'énergie et utilisent le calcul stochastique et les diffusions pour représenter des fluctuations aléatoires, les équations causales des modèles de circulation générale se voyant perfectionner convenablement par des termes de bruit. Avec ces modèles, on perd de la simplicité mais sans doute y a-t-il certains phénomènes que la modélisation stochastique permet de faire apparaître ou de calculer plus aisément. Peut-être certains effets de paroi froide pour le mouvement des aérosols et des poussières grâce au terme d'ordre deux de l'équation d'Ito. Dans le même ordre d'idée on peut tenter de définir un espace de représentation où l'évolution puisse se représenter par une probabilité de transition markovienne, qui est l'expression probabiliste de la causalité.

En tout état de cause, on voit bien que les mathématiques contemporaines sont susceptibles de nous proposer une profusion de modèles différents, chacun pouvant faire l'objet de diverses méthodes d'identification et d'assimilation et conduisant à une grande variété de résultats, notamment dans les modalités d'expression du hasard et de la précision.

Or tous ces modèles sont finalement destinés à éclairer les décisions et nous savons bien – l'économie nous l'avait dit depuis longtemps et la finance le confirme – que les diverses façons d'appréhender le hasard conditionnent grandement les mentalités et les comportements.

Quel est donc le cadre des enjeux décisionnels en matière de changement climatique ? On peut schématiquement distinguer trois niveaux. D'abord celui des connaissances scientifiques relatives aux phénomènes physiques induits par les répartitions végétales, l'élevage et l'activité économique consommatrice d'énergie. À ce niveau, on pourrait penser que le choix des modèles ne relève que du talent du modélisateur. Ce serait sous-estimer les interactions avec les autres niveaux, en particulier avec celui des enjeux socio-économiques, où de nombreux modèles étudient la modification de mode de vie selon divers schémas incitatifs ou réglementaires et suivant diverses hypothèses, puis celui des choix politiques et du contexte international où les intérêts s'affrontent avec violence. L'instance d'expertise la plus qualifiée, placée sous l'égide de l'ONU, considérant qu'il y a un risque réel de détérioration climatique dû à l'homme, la question qui se pose est de faire progresser un système où les intérêts des États sont divergents (puisque les restrictions énergétiques pénalisent l'économie) et où les hommes politiques – qu'ils soient ou non en régime démocratique – reçoivent comme principal mandat de défendre les intérêts économiques de leurs populations, elles-mêmes peu disposées en cette période de difficultés graves à envisager spontanément des restrictions ou des efforts.

Modèles probabilistes et opinion

Or l'homme de la rue, donc aussi le journaliste et l'homme politique, a une compréhension affective du hasard : dès lors qu'un phénomène relève des probabilités, il y a une sorte de maladie qui fait que tout est possible. Dans un sens favorable ou défavorable. L'incertain plane et brouille tout ce qu'il touche. On joue au loto malgré des probabilités de gains très faibles et des taxes dissuasives parce que " on ne sait jamais " et on refuse de faire vacciner ses enfants par crainte d'effets secondaires non confirmés parce que " on ne sait jamais ". J'ai vainement tenté, avec un collège économiste, de faire comprendre à un journaliste pourtant d'un grand quotidien que la notion de risque n'était pas scalaire, qu'il y avait derrière au moins le couple d'une probabilité et d'une amplitude, peine perdue.

Dans le cas de la question du changement climatique, deux facteurs aggravent la situation. D'abord chaque consommateur d'énergie, particulier, industriel, transporteur, a intérêt à amplifier les doutes pour justifier son égoïsme ; ensuite l'avenir ne fournira qu'une seule trajectoire du processus et donc son caractère aléatoire se résoudra comme une ignorance des modélisateurs, ce qui est d'ailleurs parfaitement correct. De sorte qu'une prédiction climatique probabiliste n'est pas réfutable.

Dans tous les domaines de l'ingénieur, ce phénomène existe. Les modèles probabilistes sont plus difficiles à confronter à l'expérience, ce qui explique sans doute qu'on en abuse dans des situations déterministes incomplètement connues. Je suis assez perplexe quant à l'intérêt par exemple d'exprimer les règlements de génie civil en termes probabilistes comme c'est la mode actuellement. Autant maintes situations rencontrées en environnement relèvent bien de l'aléatoire, autant l'ignorance et l'incertitude qu'a le modélisateur vis-à-vis de ce qu'il modélise sont à manier avec plus de précaution, elles ne sont pas toujours objectives ni universalisables et traduisent parfois un défaut d'engagement du faiseur de modèle pour esquiver une implication personnelle en imitant la Grande Science alors qu'il s'agit de préparation à la décision.

C'est justement une particularité de la finance que les modèles probabilistes y rendent des services plus opérationnels que par la seule estimation statistique de l'avenir.

La raison en est que les risques sur un actif coté résident entièrement dans l'évolution du marché et que le gestionnaire peut interagir avec ce marché selon des stratégies dont certaines ont des conséquences intéressantes. Cette configuration remarquable de la finance ayant favorisé l'essor et la généralisation des produits dérivés, ces techniques sont une réussite du point de vue du libéralisme économique par le commerce des risques qu'elles permettent. Sans aucun doute, l'idée de permis de polluer négociables est une tentative pour obtenir des avantages analogues dans le domaine de l'environnement par la création d'un marché des droits d'émission. Seulement il n'est pas évident que ce qui marche pour les marchés financiers puisse s'exporter facilement à l'environnement. Il y a plusieurs façons d'envisager le dispositif qui ne sont pas équivalentes, de plus le problème des sanctions est irrésolu (voir les cinq articles sur ce sujet de [4]). La différence majeure est qu'en finance la situation initiale est la répartition des richesses que l'économie et l'histoire ont établie, ce qui est une injustice acceptée car difficile à modifier tandis qu'un marché des permis négociables suppose la définition de crédits initiaux d'émission sur lesquels un accord ne peut provenir que d'une priorité donnée à l'intérêt général. Cela suppose que celui-ci soit bien défini. Donc on en revient à des questions de doutes et d'opinion quant à l'action de l'homme sur le climat. Peut-on être clair à ce sujet ?

L'ambiguïté de l'évolution "de référence"

Le GIEC attribue maintenant de façon sûre une part de l'augmentation de CO2 depuis le xixe siècle à l'activité humaine : l'effet anthropique. Une telle affirmation semble, de prime abord, ne pas poser de difficulté, ni grammaticale ni sémantique. Pourtant on serait bien en peine de lui donner une quantification précise ! Si telle usine qui crache des tonnes de CO2 dans l'atmosphère n'existait pas, on est encore dans le rationnel à penser que ce serait autant de pollution en moins. Mais, en revanche, essayer de définir ce qu'aurait été l'évolution " spontanée " de la planète s'il n'y avait pas eu l'ère industrielle est au-delà de ce que la science a l'habitude d'aborder. Cette trajectoire que l'humanité n'a pas suivie qui économise les réserves énergétiques fossiles, il n'est pas absolument certain qu'elle aurait été viable, mais surtout elle n'a pas de consistance économique ni géographique précise.

Qu'on m'entende bien, je suis convaincu de l'effet anthropique. Je souligne simplement que dans la situation de conflit d'intérêts dans laquelle nous sommes, il est non quantifiable objectivement.

Ce problème de trajectoires de référence joue non seulement dans l'approche paléoclimatique mais encore bien davantage pour les prédictions. Les scénarios du GIEC reposent sur des hypothèses de croissances démographique et économique, des hypothèses d'occupation des sols, de progrès technique, de demande énergétique, et sur diverses combinaisons de sources d'énergie, à quoi s'ajoutent des hypothèses de sensibilité du climat aux variations de concentration des gaz à effet de serre qui reflètent les incertitudes quant au cycle du carbone, au cycle de l'eau et au rôle des nuages. Quelles sont les probabilités de ces divers scénarios ? Quels sont les liens de cause à effet entre les leviers décisionnels et ces scénarios ? Quelle est l'ordre d'importance des " faits nouveaux inconnus " qui se reproduiront durant le siècle prochain ?

Devant ces incertitudes, plusieurs attitudes sont possibles pour le modélisateur.

Quelles incertitudes modéliser ?

La première, que j'appellerai la tentation hyperscientifique consiste à s'astreindre à la plus scrupuleuse vigilance en ce qui concerne l'affirmation de ce qu'on sait, de ce qu'on ne sait pas, des aléas dont on connaît la loi, de ceux dont on connaît moins que la loi ou rien du tout. En simplifiant à l'extrême, mais en conservant la nature du problème, on arrive alors à un modèle constitué d'une pseudo-roulette ayant un nombre inconnu de cases, dans certaines desquelles viennent se placer les scénarios du GIEC qui eux-mêmes se déclinent chacun avec des tirages de ce même genre de pseudo-roulette…

Cette tentation hyperscientifique peut sembler, de prime abord, la position qui se tient à l'abri des critiques les plus sévères. Mais, vérité pure et inexpugnable, elle s'évapore véritablement vers l'ineffable et tombe finalement dans le subjectif. On peut en effet se convaincre que l'appréciation de tous ces degrés d'ignorance, du certain à l'incertain probabilisable, puis au douteux vague, jusqu'au non-savoir, franchit allègrement le dégradé des probabilités objectives aux probabilités subjectives, ce qui est un vieux problème de notre vénérable discipline, abondamment discuté eu égard aux questions décisionnelles.

À la limite cela mène à un discours sceptique, " que sais-je ? ". La fuite à l'infini vers les ignorances non quantifiables (que l'économiste Keynes avait soulignées en d'autres circonstances) a comme première conséquence d'affaiblir la force de vérité du modèle.

Je voudrais défendre ici une autre attitude qui suit le principe qu'il n'y a pas lieu de modéliser dans le modèle toutes les incertitudes de l'équipe de modélisation. Citons quelques-unes de ces ignorances : a) incertitude sur les éruptions volcaniques, b) sur les incendies de forêts, c) sur les films pétroliers à la surface de l'océan, d) sur le rôle quantitatif des poussières dans la formation des nuages, e) sur le rôle catalytique de certains produits dans les réactions chimiques, f) sur les erreurs dans le programme de simulation informatique, bogues, virus, un fichier pour un autre, etc., g) probabilité qu'il y ait malveillance, h) probabilité que l'équipe de modélisation présente des signes de démence… Evidemment cette énumération n'a rien d'exhaustif... Il y a plusieurs équipes de modélisation, quatre importantes en Europe, elles ne doivent pas omettre qu'elles ont une fonction majeure dans la préparation des décisions. On compte sur elles. Il faut, à mon sens, qu'elles s'expriment en réduisant les probabilités au strict nécessaire tout en réclamant plus de moyens de recueillir des données. C'est ainsi que leur engagement sera le mieux compris. Compte tenu des difficultés socio-économiques et des divergences politiques, l'attitude de prudence est finalement que ces équipes tentent de faire passer le message le plus clair possible.

D'un point de vue de philosophie de la connaissance, certains pensent que le choix entre ces deux attitudes est définitivement clarifié par les concepts de " position scientifique " et de " position d'expertise " : le scientifique a pour tâche d'élaborer une connaissance objective et universellement valide (jusqu'à nouvel ordre), ce qui requiert dans son discours une distanciation du sujet par rapport à l'objet, et l'expert au contraire a pour mission de révéler sa conviction intime soit pour un commanditaire spécifique dont il va éclairer la décision, soit pour un conflit juridique, soit pour la presse et l'opinion, mû par son éthique personnelle ou par un lobby particulier. Pourtant ces deux étiquettes ne sont pas entièrement pertinentes dans le cas qui nous occupe, car la question centrale est ici la suivante : comment une équipe de modélisation, en la supposant honnête et animée du plus grand souci d'indépendance et de rigueur méthodologique, comment cette équipe doit-elle modéliser et exprimer ses incertitudes ? Le fait que son objet soit global la porte en dehors de la problématique classique, la dualité position scientifique / position d'expertise s'estompe.

D'ailleurs, il n'y a pas que le changement climatique qui soit un problème global. Imaginons par exemple un centre d'étude qui se verrait confier par l'Organisation Mondiale de la Santé l'établissement d'un rapport prospectif sur le risque de génération des bactéries pathogènes en comparaison de celui des antibiotiques. Une fois recueillies les données historiques et mondiales et faits tous les traitements stochastiques et statistiques entraînant la conviction de l'équipe sur une certaine tendance, quelle est l'attitude la plus responsable ? N'est-elle pas qu'elle s'exprime par les liens les plus simples et les plus directs entre les données et sa conclusion ?

Pour certains thèmes, le principe de précaution impose également des contraintes quant à la façon de s'exprimer. En pragmatique du langage, tout discours est celui d'un sujet locuteur et à cet égard on peut considérer que le sujet du discours scientifique est idéalement l'humanité elle-même. Aussi, lorsque l'objet d'étude concerne l'humanité dans son ensemble ou certains facteurs majeurs qui la conditionnent, la démarche de distanciation est impossible. Elle est vaine et illusoire. Dans ces situations globales, à quoi peut conduire une démarche d'effacement du sujet ? Ni à de la science parce que l'objet qu'on embrasse est trop ambitieux, ni à de la connaissance opératoire parce que le sujet a disparu. Je dirais personnellement que cela conduit à une sorte de " vouloir être prêtre ", une participation locale et partielle au point de vue de dieu, être suprême, qui prend acte, dans son infinie vérité, de toutes les ignorances des hommes mais qui, évidemment, ne prend pas parti, et reste, quant aux choix qui se présentent à nous, dans le mutisme le plus absolu.

Dès lors, la question qui vient au premier plan, compte tenu du conflit entre intérêts particuliers et collectifs, est celle de la sincérité des positions qui, sous prétexte d'exigence d'objectivité, portent le doute sur les affirmations susceptibles d'étayer des décisions contraignantes. En paraphrasant une célèbre formule de Georg Kreisel, on peut dire aujourd'hui que les doutes quant à l'effet de serre anthropique sont plus douteux que l'effet de serre anthropique lui-même.

* * *

On attendait de la conférence de Buenos Aires de novembre dernier des principes sur les mesures des émissions de gaz à effet de serre, des règles quant à l'attribution de droits et au fonctionnement des permis d'émission ainsi que des descriptions de mécanismes de développement non polluants. Rien de concret n'en est sorti hormis un calendrier sur l'organisation de travaux futurs. Plus grave, l'écho de cet échec dans la presse a été infinitésimal. Les États-Unis écartant du débat l'argument moral (un citoyen américain émet 19 tonnes de CO2 par an quand un Européen en émet 8 et un habitant des pays en développement 1,8) fondent leur position négative sur le fait que dans vingt ans les émissions des pays en développement égaleraient celles des pays développés, celles de la Chine avoisinant celles des États-Unis.

Les pays du G77 et la Chine ne prennent pas non plus d'engagement suivant l'argument que l'effet de serre est dû à la surexploitation des réserves fossiles d'énergie par les pays riches. Le principe de droits d'émission proposé dans un souci d'équité par l'Indien Anil Argawal (cf. [4], p. 7 et p. 31) est traité jusqu'à présent comme s'il s'agissait d'une naïveté.

Situations inégales, rapport de forces, l'histoire nous a déjà habitués à cela…

Observons que le plus fort peut se permettre d'utiliser n'importe quel argument, fût-il probabiliste. Les autres ne sont pas dans la même situation, pour eux les choses sûres et bien établies sont le seul moyen de faire valoir que l'addition des raisons partisanes n'est pas l'intérêt général.

Références

[1] http://www.ipcc.ch ; http://www.agora21.org/mies ; http://www.cerfacs.fe ; http://www.meteo.fr ; http://www.ipsl.jussieu.fr ; http://www.lmd.jussieu.fr ; http://www.pcmdi.llml.gov/wwwgroups.html.

[2] Ph. Roqueplo, Climats sous surveillance, limite et conditions de l'expertise scientifique, Economica, 1993.

[3] Changements climatiques, Annales des Ponts n° 79, 1996.

[4] Le climat risque majeur et enjeu politique, de la conférence de Kyoto à celle de Buenos Aires, Courrier de la planète/Cahiers de Global Chance, mars-avril 1998.

[5] Mission interministérielle sur l'effet de serre, Le Plan d'action de Buenos Aires, nov. 1998.