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Un appel aux nuages ​​dans les modèles climatiques

Article: Schneider, T., C.M. Kaul et K.G. Pressel. Transitions climatiques possibles à partir de la rupture des ponts de stratocumulus sous l'effet du réchauffement de la serre. Nature Geoscience, 12, 163-167 (2019).

Cet article a été initialement publié en mars 2019. Il a été republié ici à la suite d'un problème de serveur dans lequel le message d'origine a été accidentellement supprimé. Pour en savoir plus sur les travaux les plus récents du groupe de recherche du Dr Tapio Schneider, dont certains utilisent l'apprentissage automatique pour améliorer la modélisation du climat, visitez le site Web de son groupe de recherche.


Au printemps 2018, j'ai visité le Institut Kavli de physique théorique (KITP) à Santa Barbara, Californie pour une conférence sur Frontières dans les couches limites océaniques, atmosphériques et cryosphériques. Pendant cinq jours, océanographes, scientifiques de l’atmosphère et climatologues se sont réunis pour discuter des nombreuses façons couches limites planétaires – des dalles horizontales d'air et d'eau contraintes par des interfaces comme la surface de l'océan – influencent notre temps et notre climat. J'y suis allé pour présenter une affiche pour mon propre travail sur les effets des vagues de surface sur le vent. De plus, j'ai passé un peu de temps à profiter du beau temps printanier avant les incendies de forêt ravagé les forêts voisines cet été dans des conditions anormalement chaudes et sèches.

L'un des conférenciers invités – Dr. Tapio Schneider du Climate Dynamics Group au California Institute of Technology – a discuté de la façon dont les modèles climatiques mondiaux (MCG) du mal à prédire avec précision le climat sans représenter la physique des nuages ​​plus complexe – à savoir, les processus de formation des nuages ​​qui sont intimement liés au mouvement chaotique de l'air qui se produit dans les couches limites atmosphériques. Un grand défi pour les chercheurs en climatologie est de trouver un moyen de lutter contre les modèles climatiques à faible résolution spatiale généralement utilisés. Au sein d'un réseau de cellules de grille interconnectées, les mouvements complexes et multi-échelles dans l'atmosphère sont généralement moyennés en une valeur sur des dizaines de kilomètres (généralement 60 par 90 miles).

Compte tenu des nuages ​​et du climat

Figure 1: Grille spatiale pour un modèle climatique mondial (GCM). Chaque boîte représente une gamme de processus à petite échelle, comme la dynamique des ondes de surface et la formation des nuages. (Crédit d'image: Climate Dynamics Group, Caltech)

Dans cette grille de simulation grossière, les processus de couche limite comme la croissance des vagues et la formation des nuages ​​sont trop petits pour simuler avec beaucoup de complexité; au lieu de cela, les modèles climatiques en tiennent compte en supposant que leur impact à grande échelle peut être moyenné sur de grandes étendues d'espace à l'aide de données empiriques. Avec modèles climatiques actuels luttant pour recréer les climats passés, des chercheurs comme le Dr Schneider se demandent si des détails importants sur la complexité de la physique à petite échelle sont négligés.

Le Dr Schneider et ses co-auteurs ont cherché à résoudre ce problème dans une étude qui fait les gros titres. En utilisant un modèle appelé simulation des grands tourbillons (LES) qui résout les échelles spatiales du mouvement chaotique dans les nuages, ils ont déduit comment l'atmosphère pourrait réagir aux conditions futures dans lesquelles les humains auraient peu fait pour limiter les émissions de dioxyde de carbone. Ils ont simulé la dynamique des nuages ​​et bilan énergétique solaire au-dessus d'une parcelle d'océan dans les régions subtropicales, où des couches de stratocumulus de faible altitude et très réfléchissantes sont connues pour se former au milieu de vents persévérants.

Tout est question d'équilibre

Figure 1: Voies de rayonnement solaire provoquant l'effet de serre, y compris les nuages ​​hauts et bas (Crédit d'image: NASA)

L'énergie solaire prend plusieurs chemins lorsqu'elle pénètre dans notre atmosphère. Une partie de celui-ci parcourt toute la couche et réchauffe la surface de la Terre, tandis qu'une partie est réfléchie dans l'espace par des surfaces brillantes comme les nuages ​​et la glace. Dans le même temps, des gaz tels que la vapeur d'eau (humidité) et le dioxyde de carbone dans l'atmosphère absorbent facilement l'énergie du soleil sous forme de rayonnement à ondes longues (ou infrarouges) – c'est ce qu'on appelle L'effet de serre (voir Fig.2).

Toutes ces différentes voies équivalent à un gain de chaleur planétaire net nul si la température globale de l'atmosphère ne change pas – mais il est. L'idée que le réchauffement pourrait s'aggraver, et même hors de notre contrôle, a troublé de nombreux chercheurs en climatologie qui notent que la glace et les nuages ​​- deux surfaces réfléchissantes qui maintiennent l'équilibre énergétique solaire de la Terre – devraient diminuer dans des conditions plus chaudes.

Figure 3: Nuages ​​dans le domaine subtropical LES sous deux concentrations atmosphériques de dioxyde de carbone. (Crédit image: Schneider et al.2019)

Les résultats de cette simulation suggèrent que les nuages ​​de stratocumulus – qui sont connus pour dévier l'énergie du soleil sur une partie importante des océans du monde – pourrait commencer à se désagréger et éventuellement disparaître complètement à mesure que les concentrations de dioxyde de carbone augmentent. Aujourd'hui, ces concentrations sont d'environ 400 parties par million (ppm) en moyenne. Que se passe-t-il lorsqu'ils atteignent 800 ppm, voire 1600 ppm – ce qui pourrait être possible dans les 100 à 200 prochaines années si nous ne réduisons pas les émissions de carbone (voir Fig.3)?

En plus de 4°C de réchauffement de ces émissions, l'étude suggère que la perte de nuages ​​de stratocumulus pourrait ajouter 8°C à des températures moyennes dans l'atmosphère. Ce degré de réchauffement a été contextualisé par les chercheurs comme une condition similaire à les crocodiles et les palmiers peuplaient l'Arctique il y a plus de 50 millions d'années. Dans cette simulation, les nuages ​​ne sont pas revenus sur Terre avant que les concentrations de dioxyde de carbone ne descendent en dessous de 300 ppm – un niveau bien inférieur à nos conditions actuelles.

La cause d'un monde sans nuage

Selon l'étude, un monde sans nuages pourrait être partiellement causée par une atmosphère supérieure plus opaque (remplie de carbone) au-dessus de la hauteur où ces nuages ​​se forment généralement. Plus de dioxyde de carbone dans la haute atmosphère signifie plus de rayonnement solaire est absorbé à ces hauteurs, ce qui rapproche sa température de celle de la basse atmosphère plus chaude. Ce réchauffement affaiblit la convection – le mélange chaotique entraîné par les différences de température qui relie la haute atmosphère à la surface de la mer par le mouvement vertical de l'air. Avec une convection plus faible, l'atmosphère a un lien plus faible avec son apport d'humidité à la surface de la mer. Dans le même temps, un environnement plus chaud entraînerait également une plus grande évaporation qui fournit plus d'humidité à la basse atmosphère. Cependant, en raison de la faible convection, cette humidité supplémentaire n'atteindrait pas la haute atmosphère pour former des nuages; au lieu de cela, il pourrait aspirer de l'air chaud et sec des environs qui détruirait davantage les nuages.

L'étude note quelques incertitudes à plus grande échelle; connecter des phénomènes à petite échelle comme les nuages ​​aux conditions météorologiques et climatiques n'est pas une tâche facile. Quoi qu'il en soit, ces résultats mettent en évidence l'importance des nuages ​​dans le système climatique et une lacune clé de nos MCG actuels. Peut-être que les petites choses comptent après tout.

Je suis doctorant à l’école supérieure d’océanographie de l’Université du Rhode Island. J'utilise des modèles pour étudier comment les processus physiques à petite échelle à l'interface air-mer – comme les vagues – impactent le stress du vent (transfert de quantité de mouvement air-mer) et l'échange de gaz air-mer. À l'avenir, j'espère en savoir plus sur le rôle que jouent les vagues dans les interactions océan-atmosphère et ses implications pour les conditions météorologiques et climatiques. J'aime aussi écrire.

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