1À l’exception du CO₂, la plupart des gaz et aérosols à l’origine des forçages anthropiques du climat (e.g. ozone, CH₄, N₂O, CFCs, aérosols sulfatés et organiques…) ont des cycles de vie largement contrôlés par la chimie de l’atmosphère. Ils y subissent diverses transformations chimiques et physico-chimiques telles que les changements de phase, élimination par dépôt à la surface ou par les précipitations. Bien que les variations de composition chimique (gaz et aérosols) de l’atmosphère soient la principale cause de l’évolution du climat observée au cours du dernier siècle, la relation entre la chimie atmosphérique et le climat n’est pas à sens unique. Il est donc important de décrire explicitement les cycles chimiques dans les modèles du Système Terre, et ce en interaction avec la dynamique de l’atmosphère, pour pouvoir prendre en compte les couplages entre la chimie et le climat dans les simulations.

Modèles chimie-climat

2Les premiers modèles de la chimie de l’atmosphère n’ont pas été conçus pour l’étude du climat, mais pour celle de la composition chimique elle-même, avec en ligne de mire les problématiques de pollution atmosphérique et d’ozone stratosphérique. Dans ces modèles dits de « chimie-transport », les champs de vents et de température sont spécifiés a priori, indépendamment de la composition chimique. Au contraire, dans un modèle de circulation générale de l’atmosphère, la dynamique est calculée alors que la composition chimique est spécifiée a priori. L’évolution grandissante des moyens de calcul au cours des dernières décennies a rendu possible le développement de modèles couplés dits de « chimie-climat » qui décrivent simultanément la chimie, le rayonnement* et la dynamique de l’atmosphère ainsi que l’ensemble de leurs interactions. Typiquement, un modèle de chimie-climat est un modèle de circulation générale de l’atmosphère qui intègre à la fois le transport des composés et leurs cycles chimiques (ce qui inclut aussi la microphysique des aérosols). Le modèle calcule interactivement aussi bien la dynamique que la composition chimique. La cohérence entre les deux est garantie car les calculs du transfert radiatif et des taux de chauffage pour la dynamique se font à partir des champs de concentration* des gaz et des aérosols du modèle.

3Les schémas des cycles chimiques dans les modèles sont généralement conçus et construits en combinant un grand nombre de processus élémentaires (e.g. réactions de photolyse*, réactions chimiques dans la phase gazeuse ou condensée, échanges de composés entre les différentes phases, transitions de phase*…) dont la description requiert des données de cinétique souvent mesurées en laboratoire (e.g. sections efficaces* de photolyse, constante de vitesse de réaction homogène ou hétérogène, constante d’équilibre chimique, coefficient de partage entre deux phases…). En effet, en faisant varier les conditions expérimentales en laboratoire, on est capable d’étudier et quantifier la cinétique de différentes réactions élémentaires. Parfois, ces données sont aussi tirées de calculs théoriques de chimie quantique.

Tests et évaluation des modèles

4Une fois le schéma de chimie développé et inséré dans un modèle, il est évalué grâce à des comparaisons avec des mesures de gaz ou d’aérosols réalisées dans l’atmosphère et même parfois en laboratoire. Des résultats de laboratoire pour des conditions typiques atmosphériques peuvent par exemple permettre de valider des chaînes d’oxydation* des schémas chimiques. De la même manière, les mesures réalisées dans des chambres de simulation des aérosols peuvent aussi aider à l’évaluation des schémas de microphysique. Néanmoins, le véritable test du réalisme des modèles de chimie reste la confrontation aux observations réalisées dans l’atmosphère à partir du sol, des avions, des ballons ou des satellites. Pour les gaz très réactifs tels que les radicaux chimiques*, l’influence du transport peut être négligée dans la validation des schémas de chimie rapide lorsque les jeux de données d’observations sont assez complets. En revanche, pour des gaz faiblement réactifs ou les aérosols, le transport des composés doit aussi être pris en compte dans le modèle pour la validation. Dans ce mode chimie-transport, le modèle est forcé par des analyses météorologiques pour représenter un transport aussi réaliste que possible et donc pouvoir interpréter les différences entre simulations et observations en termes de déficiences des schémas chimiques.

5L’évaluation des modèles peut aussi porter sur les isotopes* des composés. Idéalement, l’évaluation des cycles chimiques simulés dans les modèles devrait reposer sur des mesures à la fois de concentrations et de flux associés aux différentes réactions chimiques ou, plus généralement, processus élémentaires. Il est impossible de mesurer directement des flux chimiques mais les mesures des isotopes fournissent des informations quantitatives sur la nature et l’importance de flux de processus élémentaires.

Simplification des schémas

6Comme les cycles chimiques sont couplés les uns aux autres, les schémas chimiques des modèles peuvent souvent être très complexes. Compte tenu des limites dans les capacités de calcul, la représentation des cycles de chimie dans les modèles de climat doit être nécessairement simplifiée. C’est particulièrement le cas pour les cycles des aérosols qui sont régulés par des processus microphysiques très variés (nucléation, condensation/évaporation, coagulation, sédimentation). De plus, ces cycles nécessitent de simuler à la fois les concentrations des différents types d’aérosols et leur composition chimique et distribution en taille pour pouvoir calculer leurs propriétés optiques et donc leur forçage radiatif* (cf. II-7). L’objectif des simplifications des schémas chimiques est de parvenir à simuler les principaux mécanismes de couplages entre la chimie de l’atmosphère et le climat en ne décrivant qu’un minimum de gaz, de types d’aérosols et de processus élémentaires. Ces schémas simplifiés sont généralement validés par des comparaisons aux résultats obtenus avec des schémas beaucoup plus complets mais trop coûteux pour les longues simulations climatiques. Évidemment, la complexité des schémas de réaction chimique et de microphysique d’aérosols insérés dans les modèles dépend aussi des questions scientifiques abordées. Par exemple, si l’intérêt scientifique se porte sur les couplages entre l’évolution de l’ozone stratosphérique et celle du climat, la chimie des espèces halogénées (chlorées, bromées) ne peut être ignorée dans le modèle. De la même manière, la modélisation des interactions entre la biosphère*, les aérosols organiques et le climat nécessite un schéma chimique relativement détaillé des composés organiques volatils.