Grâce à la nouvelle méthode mathématique qu’il a développée, un chercheur américain de l’Institut de technologie de Rochester montre que le changement climatique a probablement été à l’origine de la chute d’une civilisation ancienne. Son étude, publiée dans la revue Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science, concerne la civilisation de la vallée de l’Indus, qui remonte à l’Âge du bronze.
La méthode mise au point par le scientifique a permis une analyse plus fine des séries de données paléoclimatiques et de mettre en évidence l’événement climatique qui a sans doute causé l’extinction d’une ancienne civilisation.
Les mathématiques au service de l’Histoire
En mathématiques, l’étude des séries chronologiques permet d’analyser, de décrire et d’expliquer un phénomène au cours du temps et d’en prévoir les conséquences. Elle s’applique dans de très nombreux domaines : économétrie, médecine, démographie, etc. Une série est ainsi constituée de valeurs numériques, indicées par le temps. L’objectif étant de prédire les valeurs futures. Chaque série chronologique est la résultante de plusieurs composantes fondamentales, parmi lesquelles :
- la tendance, qui représente l’évolution à long terme de la série, une sorte de comportement moyen ;
- la saisonnalité, qui correspond à une répétition périodique ;
- le bruit, qui désigne l’ensemble des fluctuations irrégulières, aléatoires, et de faible intensité ;
- les phénomènes accidentels ;
- les phénomènes cycliques, qui se répètent mais sur des durées qui ne sont pas fixes et plus longues que dans le cas d’une saisonnalité.
Les données paléoclimatiques renferment de précieuses indications sur les climats passés, qui permettent d’établir des prévisions sur l’évolution du climat. Cependant, Nishant Malik, mathématicien à l’Institut de technologie de Rochester, estime que les outils mathématiques utilisés aujourd’hui pour comprendre le climat ne sont pas adaptés à l’étude des séries chronologiques paléoclimatiques.
Généralement, les experts en climatologie s’appuient sur la théorie des systèmes dynamiques. Or, cette théorie est difficile à appliquer aux données paléoclimatiques, car les données utilisées consistent habituellement en une courte série chronologique, comportant une quantité non négligeable de bruit et d’incertitude. La nouvelle méthode qu’il propose permet d’identifier automatiquement des transitions dans ces séries chronologiques, même sur un laps de temps relativement court et même si elles comportent du bruit.
Plusieurs théories ont été avancées pour expliquer le déclin de la civilisation de la vallée de l’Indus, qui a commencé vers 1900 av. J.-C.. Certains pensent notamment à l’invasion d’une population venue de l’extérieur, notamment les Indo-Aryens ; une hypothèse généralement rejetée par les archéologues. Il existe en effet peu, voire pas du tout de traces de cette supposée invasion. Des causes naturelles ont également été suggérées : des experts ont notamment relevé des preuves d’inondations récurrentes, dues à des crues du fleuve Indus. Des tremblements de terre ont également pu provoquer la montée des eaux, ou bien l’éloignement des eaux du fleuve de la ville, conduisant à l’assèchement progressif du réseau hydrographique de la région.
Un changement dans la dynamique de mousson
Mais parmi toutes les hypothèses avancées, les spécialistes pensent que le changement climatique pourrait être l’explication la plus probable à la disparition de cette civilisation. Aucune preuve scientifique n’avait cependant permis de corroborer cette hypothèse jusqu’à présent. L’approche hybride de Malik, qui combine les systèmes dynamiques et des méthodes issues des domaines de l’apprentissage automatique et de la théorie de l’information, vient combler cette lacune.
Sa méthode résulte d’une combinaison de trois techniques, habituellement utilisées indépendamment les unes des autres dans l’analyse des séries chronologiques : un diagramme de récurrence, un apprentissage multiple par le biais de cartes propres laplaciennes, et une métrique d’information de Fisher. Le fait de combiner ces différentes techniques permet de mieux mettre en évidence les différents régimes dynamiques et les transitions, y compris en cas de valeurs manquantes, de bruit d’observation et de séries temporelles courtes.
Pour illustrer l’efficacité de la méthode, Malik s’est appuyé sur un exemple concret en analysant des données paléoclimatiques récemment publiées, concernant la présence d’isotopes de l’oxygène dans des spéléothèmes (des dépôts minéraux que l’on trouve dans les grottes) au nord de l’Inde. Ces données couvrent les 5700 dernières années ! Elles renferment ainsi les modèles de pluies de mousson qui se sont abattues sur la région à la période lors de laquelle la civilisation de l’Indus a évolué, puis décliné.
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Or, l’analyse des données a permis de mettre en évidence l’existence d’une transition, un changement majeur dans la dynamique de la mousson juste avant l’aube de cette civilisation ; et cette dynamique a subi exactement le changement inverse pile avant le déclin observé. Par conséquent, le changement climatique est bel et bien une cause probable de la chute de la civilisation de l’Indus (tout comme il a permis son expansion).
Malik espère que sa méthode permettra aux scientifiques de développer des systèmes plus automatisés de recherche de transitions dans les données paléoclimatiques et conduira ainsi à d’autres découvertes historiques importantes.