National Aeronautics and Space Administration

Dossiers scientifiques

Déséquilibre énergétique de la Terre

Par James Hansen, Makiko Sato, Pushker Kharecha et Karina von Schuckmann — Janvier 2012

Le déploiement d’un réseau international de flotteurs Argo, mesurant la teneur en chaleur des océans à une profondeur de 2000 m, a été achevé au cours de la dernière décennie, permettant la meilleure évaluation à ce jour de déséquilibre énergétique. Le gain d’énergie planétaire observé lors du récent fort minimum solaire révèle que le forçage solaire du climat, bien qu’important, est submergé par un forçage climatique net d’origine humaine beaucoup plus important. Le déséquilibre mesuré confirme que, si d’autres forçages climatiques sont fixes, le CO2 atmosphérique doit être réduit à environ 350 ppm ou moins pour arrêter le réchauffement global warming.In notre article récemment publié (Hansen et al., 2011), nous montrons également que le forçage climatique par les aérosols d’origine humaine (particules fines dans l’air) est plus important que prévu, ce qui implique un besoin urgent de mesures précises des aérosols mondiaux pour aider à interpréter le changement climatique continu.

Le déséquilibre énergétique de la Terre est la différence entre la quantité d’énergie solaire absorbée par la Terre et la quantité d’énergie que la planète émet vers l’espace sous forme de chaleur. Si le déséquilibre est positif, plus d’énergie entrant que sortant, nous pouvons nous attendre à ce que la Terre devienne plus chaude à l’avenir — mais plus froide si le déséquilibre est négatif. Le déséquilibre énergétique de la Terre est donc la mesure la plus cruciale de l’état du climat de la Terre et définit les attentes en matière de changement climatique futur.

Le déséquilibre énergétique résulte des changements des forçages climatiques agissant sur la planète en combinaison avec l’inertie thermique de la planète. Par exemple, si le soleil devient plus lumineux, c’est un forçage positif qui provoquera un réchauffement. Si la Terre était comme Mercure, un corps composé de matériaux à faible conductivité et sans océans, sa température de surface augmenterait rapidement à un niveau auquel la planète irradiait à nouveau autant d’énergie thermique vers l’espace que l’énergie solaire absorbée.

La température de la Terre ne s’ajuste pas aussi vite que celle de Mercure en raison de l’inertie thermique de l’océan, qui est importante car l’océan est mélangé à des profondeurs considérables par les vents et la convection. Il faut donc des siècles pour que la température de surface de la Terre réponde pleinement à un forçage climatique.

Les forçages climatiques sont des perturbations imposées au bilan énergétique de la Terre. Les forçages naturels comprennent le changement de la luminosité du Soleil et les éruptions volcaniques qui déposent des aérosols dans la stratosphère, refroidissant ainsi la Terre en réfléchissant la lumière du soleil vers l’espace. Les principaux forçages climatiques d’origine humaine sont les gaz à effet de serre (principalement le CO2), qui provoquent un réchauffement en piégeant le rayonnement thermique de la Terre, et les aérosols d’origine humaine, qui, comme les aérosols volcaniques, réfléchissent la lumière du soleil et ont un effet de refroidissement.

Considérons l’effet d’un forçage climatique à longue durée de vie. Disons que le soleil devient plus lumineux, qu’il reste plus lumineux pendant un siècle ou plus, ou que les humains augmentent les gaz à effet de serre à longue durée de vie. Soit forcer entraîne plus d’énergie à entrer qu’à sortir. À mesure que la planète se réchauffe en réponse à ce déséquilibre, la chaleur rayonnée vers l’espace par la Terre augmente. Finalement, la Terre atteindra une température globale suffisamment chaude pour rayonner dans l’espace autant d’énergie qu’elle reçoit du Soleil, stabilisant ainsi le climat au nouveau niveau. À tout moment au cours de ce processus, le déséquilibre énergétique planétaire restant nous permet d’estimer combien le réchauffement climatique est encore « en cours ». »

De nombreux pays ont commencé, il y a une dizaine d’années, à déployer des flotteurs autour de l’océan mondial qui pourraient « yo-yo » un instrument mesurant la température de l’océan à une profondeur de 2 km. En 2006, il y avait environ 3000 flotteurs couvrant la majeure partie de l’océan mondial. Ces flotteurs ont permis à Von Schuckmann et Le Traon (2011) d’estimer qu’au cours de la période de 6 ans 2005-2010, les 2 km supérieurs de l’océan mondial ont gagné de l’énergie à un taux de 0,41 W / m2 en moyenne sur la planète.

Nous avons utilisé d’autres mesures pour estimer l’énergie allant dans les océans plus profonds, dans les continents et dans la fonte des glaces dans le monde entier au cours de la période 2005-2010. Nous avons trouvé un déséquilibre énergétique total de la Terre de + 0,58±0,15 W / m2 divisé comme le montre la Fig. 1.

Le rôle du Soleil.Le déséquilibre positif mesuré en 2005-2010 est particulièrement important car il s’est produit pendant le minimum solaire le plus profond de la période de surveillance solaire précise (Fig. 2). Si le Soleil était le seul forçage climatique ou le forçage climatique dominant, alors la planète gagnerait de l’énergie pendant les maxima solaires, mais perdrait de l’énergie pendant les minima solaires.

Le fait que la Terre ait gagné de l’énergie à un taux de 0,58 W / m2 pendant un minimum solaire prolongé profond révèle qu’il existe un fort forçage positif écrasant le forçage négatif par une irradiance solaire inférieure à la moyenne. Ce résultat n’est pas une surprise, étant donné la connaissance d’autres forçages, mais il fournit une réfutation sans équivoque des affirmations selon lesquelles le Soleil est le forçage climatique dominant.

CO2 cible.Le déséquilibre énergétique planétaire mesuré fournit une évaluation précise immédiate de la quantité de CO2 atmosphérique qui devrait être réduite pour rétablir le bilan énergétique de la Terre, ce qui est la condition de base pour stabiliser le climat. Si les autres forçages climatiques étaient inchangés, augmenter le rayonnement de la Terre vers l’espace de 0,5 W / m2 nécessiterait de réduire le CO2 d’environ 30 ppm à 360 ppm. Cependant, étant donné que le déséquilibre de 0,58±0,15 W/m2 a été mesuré lors d’un minimum solaire profond, il est probablement nécessaire d’augmenter le rayonnement dans l’espace de plus près de 0.75 W / m2, ce qui nécessiterait de réduire le CO2 à ~ 345 ppm, les autres forçages étant inchangés. Ainsi, le déséquilibre énergétique de la Terre confirme une estimation antérieure sur d’autres bases selon laquelle le CO2 doit être réduit à environ 350 ppm ou moins pour stabiliser le climat (Hansen et al., 2008).

Aérosols.Le déséquilibre énergétique planétaire mesuré nous permet également d’estimer le forçage climatique causé par les aérosols atmosphériques d’origine humaine. Ceci est important car on pense que le forçage en aérosol est important, mais il n’est pratiquement pas mesuré.

Le forçage des gaz à effet de serre (GES) d’origine humaine est connu pour être d’environ +3 W/m2 (Fig. 3). Le forçage net des aérosols d’origine humaine est négatif (refroidissement), mais son ampleur est incertaine dans une large plage (Fig. 3). Le forçage des aérosols est complexe car il existe plusieurs types d’aérosols, certains aérosols, tels que la suie noire, absorbant partiellement la lumière du soleil incidente, chauffant ainsi l’atmosphère. Les aérosols servent également de noyaux de condensation pour la vapeur d’eau, provoquant ainsi un forçage climatique supplémentaire des aérosols en modifiant les propriétés des nuages. Par conséquent, des mesures globales sophistiquées sont nécessaires pour définir le forçage climatique des aérosols, comme indiqué ci-dessous.

L’importance de connaître le forçage des aérosols est démontrée en considérant les deux cas suivants: (1) forçage des aérosols d’environ -1 W / m2, de sorte que le forçage climatique net soit d’environ 2 W / m2, (2) forçage des aérosols de -2 W / m2, ce qui donne un forçage net d’environ 1 W / m2. Les deux cas sont possibles, en raison de l’incertitude dans le forçage des aérosols.

Quelle alternative est la plus proche de la vérité définit les termes d’un  » marché faustien  » que l’humanité s’est fixé. Jusqu’à présent, le réchauffement climatique a été limité, car le refroidissement des aérosols a partiellement compensé le réchauffement des gaz à effet de serre. Mais les aérosols ne restent dans l’air que plusieurs jours, ils doivent donc être pompés dans l’air de plus en plus rapidement pour suivre le rythme de l’augmentation des gaz à effet de serre à longue durée de vie (une grande partie du CO2 provenant des émissions de combustibles fossiles restera dans l’air pendant plusieurs millénaires). Cependant, les préoccupations concernant les effets de la pollution atmosphérique par les particules sur la santé conduiront probablement à une réduction éventuelle des aérosols d’origine humaine. Le paiement faustien de l’humanité sera alors dû.

Si le forçage net réel est de +2 W/m2 (forçage des aérosols -1 W/m2), même un effort important de nettoyage des aérosols, par exemple une réduction de moitié, n’augmente le forçage net que de 25% (de 2 W/m2 à 2,5 W/m2). Mais si le forçage net est de + 1 W / m2 (forçage des aérosols -2 W / m2), la réduction des aérosols double de moitié le forçage climatique net (de 1 W / m2 à 2 W / m2). Étant donné que des effets climatiques mondiaux sont déjà observés (GIEC, 2007; Hansen et al., 2012), doubler le forçage climatique suggère que l’humanité pourrait faire face à un paiement faustien grave.

La plupart des modèles climatiques contribuant à la dernière évaluation du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC, 2007) utilisaient des forçages d’aérosols compris entre -0,5 et -1.1 W / m2 et a obtenu un bon accord avec le réchauffement climatique observé au cours du siècle dernier, suggérant que le forçage des aérosols n’est que modéré. Cependant, il existe une ambiguïté dans les modèles climatiques. La plupart des modèles utilisés dans le GIEC (2007) mélangent efficacement la chaleur dans l’océan intermédiaire et profond, ce qui nécessite un forçage climatique important (~ 2 W / m2) pour réchauffer la surface de la Terre de 0,8 ° C observé au cours du siècle dernier. Mais si l’océan mélange moins efficacement la chaleur dans l’océan plus profond, le forçage climatique net nécessaire pour correspondre au réchauffement climatique observé est plus faible.

Le déséquilibre énergétique de la Terre, s’il est mesuré avec précision, fournit un moyen de résoudre cette ambiguïté. Le cas du mélange rapide des océans et du petit forçage des aérosols nécessite un déséquilibre énergétique planétaire important pour produire le réchauffement de surface observé. Le déséquilibre énergétique planétaire nécessaire pour produire le réchauffement observé pour différents choix de profondeur optique des aérosols est illustré à la Fig. 4, basé sur une représentation simplifiée des simulations climatiques mondiales (Hansen et al., 2011).

Le déséquilibre énergétique de la Terre mesuré, +0,58 W/m2 entre 2005 et 2010, implique que le forçage des aérosols est d’environ -1.6 W/m2, un forçage négatif plus important que celui utilisé dans la plupart des modèles du GIEC. Nous discutons de plusieurs sources de preuves que la plupart des modèles climatiques utilisés dans ces études antérieures présentaient un mélange océanique modérément excessif, ce qui pourrait expliquer le fait qu’ils s’adaptaient bien aux changements de température mondiaux observés avec un forçage des aérosols plus faible.

Le forçage climatique important (négatif) des aérosols rend impératif une meilleure compréhension des aérosols à l’origine de ce forçage. Malheureusement, le premier satellite capable de mesurer des propriétés physiques détaillées des aérosols, la mission Glory (Mishchenko et al., 2007), a subi un échec de lancement. Il est urgent qu’une mission de remplacement soit effectuée, car l’effet net actuel de l’évolution des émissions dans les pays en développement et les pays développés est très incertain

Les mesures mondiales visant à évaluer le forçage indirect du climat par les aérosols, via les effets des aérosols sur les nuages, nécessitent des mesures polarimétriques simultanées de haute précision du rayonnement solaire réfléchi et des mesures interférométriques du rayonnement thermique émis avec les deux instruments regardant la même zone en même temps. Un tel concept de mission a été défini (Hansen et al., 1993) et des réévaluations récentes indiquent qu’il pourrait être réalisé à un coût d’environ 100 millions de dollars s’il était effectué par le secteur privé sans que des commissions d’examen gouvernementales indues soient nécessaires.

Lien connexe

Communiqué de presse de la NASA:Le Budget Énergétique de la Terre Est Resté Déséquilibré Malgré une Activité Solaire Exceptionnellement faible

Hansen, J., W. Rossow et I. Fung (Eds.), 1993: Surveillance à Long terme des Forçages Climatiques Mondiaux et rétroactions, NASA Conf. Publ. 3234, Institut Goddard d’études spatiales, New York.

Hansen, J., Mki. Sato, P. Kharecha, D. Beerling, R. Berner, V. Masson-Delmotte, M. Pagani, M. Raymo, D.L. Royer et J.C. Zachos, 2008: Cible de CO2 atmosphérique: Où doit viser l’humanité?Ouvrez Atmos. Sci. J., 2, 217-231, doi: 10.2174/1874282300802010217.

Hansen, J., Mki. Sato, P. Kharecha et K. von Schuckmann, 2011: Déséquilibre énergétique de la Terre et implications.Atmos. Chem. Phys., 11, 13421-13449, doi: 10.5194 /acp-11-13421-2011 .

Hansen, J., Mki. Sato, et R. Ruedy, 2012: Perceptions du changement climatique: Les nouveaux dés climatiques, URL http://www.columbia.edu/~jeh1/mailings/2012/20120105_PerceptionsAndDice.pdf, dernière consultation Jan. 6 avril 2012 – non disponible avr. 10, 2018

Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), Changement climatique 2007: Les bases de la science physique, S. Solomon, D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Avery, M. Tignor et H.L. Miller (Dir.), Cambridge Univ. Presse, 996 pages.

Mishchenko, M.I., B. Cairns, G. Kopp, C.F. Schueler, B.A. Fafaul, J.E. Hansen, R.J. Hooker, T. Itchkawich, H.B. Maring et L.D. Travis, 2007: Surveillance précise des aérosols terrestres et de l’irradiance solaire totale: Présentation de la mission Glory.iBull. Amer. Meteorol. Soc., 88, 677-691, doi: 10.1175 / BAMS-88-5-677 .

Purkey, S.G. et G.C. Johnson, 2010: Warming of global abyssal and deep southern ocean between the 1990s and 2000s: contributions to global heat and sea level rise budgets, J. Climate, 23, 6336-6351, doi: 10.1175/2010JCLI3682.1.

Von Schuckmann, K., et P.-Y. Le Traon, 2011: Dans quelle mesure pouvons-nous dériver des indicateurs océaniques mondiaux à partir des données Argo?Océan Sci., 7, 783-791, doi: 10.5194/os-7-783-2011 .

Remarque : Les documents PDF nécessitent l’utilisation gratuite d’Adobe Reader ou d’un logiciel de visualisation compatible pour être visualisés.