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Le climat à découvert

 | 
Catherine Jeandel
, 
Rémy Mosseri

Première partie. Le système climatique

7. Couplages entre les différents milieux

David Salas y Mélia et Jean-Louis Dufresne

Texte intégral

Rétroactions et couplages

1Le système climatique* est un ensemble couplé complexe au sein duquel l’océan, l’atmosphère, les surfaces et eaux continentales, la cryosphère* et la biosphère* interagissent continuellement, en échangeant notamment de l’eau, de la quantité de mouvement, de l’énergie et des composés chimiques. Ces échanges définissent de multiples couplages entre composantes du système climatique, c’est-à-dire des interactions pour lesquelles un changement d’une variable* caractérisant un milieu agit sur une variable d’un autre milieu. De telles interactions donnent potentiellement lieu à de multiples rétroactions, dites « positives » lorsqu’elles ont pour effet d’amplifier une perturbation initiale, et négatives dans le cas inverse.

2Un exemple de rétroaction positive* est la réponse de la glace de mer à une augmentation de la température atmosphérique. L’extension de la glace diminue et elle se couvre de flaques d’eau de fonte. Ces deux processus réduisent l’albédo* de la surface, c’est-à-dire sa capacité à réfléchir le rayonnement solaire. L’énergie retenue par la surface marine augmente donc, avec pour conséquence un réchauffement de l’océan et une amplification de l’augmentation initiale de la température. Cette rétroaction positive d’« albédo-température » peut éventuellement se poursuivre jusqu’à disparition complète de la glace de mer ou cesser dès que des conditions atmosphériques plus froides mettent fin à l’anomalie initiale de température.

3Il existe également des rétroactions climatiques négatives, notamment à l’échelle locale. Par exemple, un réchauffement de la température de l’océan en un lieu donné peut entraîner une augmentation locale de l’évaporation et donc un refroidissement de la surface. En effet, l’évaporation est un processus qui refroidit le milieu dans lequel il se produit. Cela ne signifie pas que l’augmentation initiale de température va se transformer en un refroidissement, mais plutôt qu’elle sera modérée par la rétroaction due à l’évaporation. Cet effet de modération de la température océanique existe aussi sur les sols humides, mais la quantité d’eau qu’ils contiennent est relativement limitée, ce qui réduit l’intensité de la rétroaction. Cela contribue à expliquer que le réchauffement climatique soit moins marqué sur continent que sur océan.

4D’autres rétroactions du système climatique sont plus difficiles à observer directement mais peuvent être quantifiées par des modèles relativement simples. Ainsi, une dizaine d’années après le début des premières mesures directes de l’évolution de la concentration atmosphérique en gaz à effet de serre*, des climatologues ont tenté de quantifier l’impact de la réponse de la vapeur d’eau atmosphérique à un doublement du CO2. Ils ont ainsi montré que, dans ces conditions, le réchauffement en surface était de 1,3 °C lorsque l’humidité absolue de l’atmosphère restait constante mais atteignait 2,4 °C lorsque l’humidité relative restait constante. Dans ce dernier cas, le réchauffement lié à un accroissement de la teneur atmosphérique en CO2 entraîne une augmentation de la pression de vapeur saturante et donc une augmentation de l’humidité absolue. Ainsi, la rétroaction de la vapeur d’eau doublerait pratiquement le réchauffement en réponse à un doublement du CO2, par rapport à ce qui se produirait sans changement du contenu atmosphérique en vapeur d’eau.

Sophistication des modèles

5Depuis les années 1960, les modèles de circulation atmosphérique ont été largement améliorés, confirmant notamment l’importance cruciale des mécanismes de rétroaction sur l’amplitude du réchauffement climatique et leur forte dépendance à des processus physiques complexes tels que la turbulence*, la convection, la formation de systèmes nuageux et de précipitations. Cependant les modèles radiatifs-convectifs sont encore trop simples car ils ne prennent pas en compte certains phénomènes importants comme les mouvements d’air qui déterminent la redistribution d’énergie et de vapeur d’eau au sein de l’atmosphère. Il est alors nécessaire d’introduire la dynamique atmosphérique et d’avoir recours à des modèles tridimensionnels représentant la circulation générale de l’atmosphère sur l’ensemble du globe.

6Jusque dans les années 1970, un modèle de climat se limitait le plus souvent à une représentation de la composante atmosphérique, couplée aux surfaces continentales. Puis les rétroactions océaniques ont été prises en compte en couplant des modèles représentant l’océan superficiel, sans transport d’énergie ni de sel sur l’horizontale. Or, on estime que le transport de chaleur de l’équateur vers les pôles par les courants océaniques représente environ la moitié du transport de chaleur par la circulation atmosphérique. L’approche choisie à cette époque était de simplement prescrire l’effet du transport de sel et d’énergie, ce qui empêchait toute possibilité de rétroaction via la dynamique océanique. Cette approche a été nettement améliorée depuis les années 1980, l’augmentation des moyens de calcul permettant de mettre au point des modèles couplés océan-atmosphère incluant des modèles de circulation océanique tridimensionnels, puis des modèles de glace de mer. Cependant, si l’océan de surface réagit très rapidement à des variations météorologiques, la circulation océanique profonde s’effectue selon des constantes de temps de l’ordre du millénaire. On peut donc s’attendre à ce que l’intégration de la composante océanique dans un système couplé introduise de nouvelles rétroactions « lentes ». Il est souvent difficile de confirmer que ces rétroactions produites par les modèles existent également dans le système climatique réel, par manque de longues séries d’observations des composantes en jeu. Cependant les simulations climatiques longues peuvent suggérer de possibles mécanismes permettant d’interpréter certains éléments reconstruits de la variabilité climatique* du passé. Par exemple, des simulations climatiques suggèrent une rétroaction de la position de la zone de Convergence Intertropicale* sur l’intensité de la circulation océanique méridienne atlantique, appelée parfois « tapis roulant océanique » (cf. I-5). D’autres modèles suggèrent par ailleurs un couplage entre l’Arctique et l’Atlantique Nord impliquant également la circulation océanique méridienne et ses interactions avec des anomalies de salinité océanique transportées par les courants.

À bord de l’Astrolabe : icebergs tabulaires et glace de mer au large de la base antarctique Dumont d’Urville (2001). © D. Salas y Mélia

7Au cours des années 2000, les systèmes couplés se sont enrichis grâce au développement de la chimie atmosphérique et de la biogéochimie. En particulier, l’introduction des échanges de carbone a permis d’étudier l’impact du réchauffement anthropique sur les puits et sources de CO2, à travers l’exercice international C4MIP* visant à comparer les résultats de différents modèles couplés incluant le cycle du carbone. On a ainsi estimé qu’en 2100, la concentration atmosphérique de CO2 pourrait augmenter de 20 à 200 ppm* selon les modèles, par rapport à une valeur de 840 ppm dans le cas où la rétroaction climatique du climat sur le changement de CO2 n’est pas prise en compte. Ainsi l’impact des échanges de carbone au sein du système devrait se traduire par un enrichissement de l’atmosphère en gaz carbonique et un réchauffement additionnel de la planète. Mais l’intensité de cette rétroaction reste incertaine, d’autant plus que d’autres cycles, comme celui de l’azote, non pris en compte dans les modèles globaux actuels, pourraient significativement modifier ce résultat.

8D’autres rétroactions impliquant les gaz à effet de serre, également relativement incertaines, pourraient devenir significatives au-delà de 2100 et contribuer à l’amplification du réchauffement climatique, comme le déstockage de gaz à effet de serre par les pergélisols ou par les hydrates de méthane des fonds marins.

Table des illustrations

Légende À bord de l’Astrolabe : icebergs tabulaires et glace de mer au large de la base antarctique Dumont d’Urville (2001). © D. Salas y Mélia
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11332/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 621k

Auteurs

Météorologue climatologue, Ingénieur en Chef des Eaux, des Ponts et des Forêts, CNRM-GAME, Toulouse.
david.salas@meteo.fr

Physicien du climat, Directeur de Recherche au CNRS, LMD, Paris.
jean-louis.dufresne@lmd.jussieu.fr

© CNRS Éditions, 2011

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