La haute atmosphère se refroidit, suscitant de nouvelles préoccupations climatiques

Fred Pearce

Cette histoire est apparue à l'origine sur Yale Environment 360 et fait partie de la collaboration Climate Desk.

Il y a un paradoxe au cœur de notre changement climatique. Alors que la couverture d'air près de la surface de la Terre se réchauffe, la majeure partie de l'atmosphère au-dessus se refroidit considérablement. Les mêmes gaz qui réchauffent les quelques kilomètres d'air inférieurs refroidissent les étendues beaucoup plus grandes au-dessus qui s'étendent jusqu'aux confins de l'espace.

Ce paradoxe est prédit depuis longtemps par les modélisateurs du climat, mais ce n'est que récemment qu'il a été quantifié en détail par les capteurs satellitaires. Les nouvelles découvertes fournissent une confirmation définitive sur une question importante, mais en même temps, elles soulèvent d'autres questions.

La bonne nouvelle pour les climatologues est que les données sur le refroidissement en altitude confirment l'exactitude des modèles qui identifient le réchauffement de surface comme étant d'origine humaine. Une nouvelle étude publiée en mai dans la revue PNAS par le modélisateur climatique vétéran Ben Santer de la Woods Hole Oceanographic Institution a révélé qu'elle multipliait par cinq la force du "signal" de l'empreinte digitale humaine du changement climatique, en réduisant le "bruit" d'interférence de variabilité naturelle de fond. Santer dit que la découverte est "irréfutable".

Mais les nouvelles découvertes sur l'ampleur du refroidissement en altitude laissent les physiciens de l'atmosphère avec de nouvelles inquiétudes - sur la sécurité des satellites en orbite, sur le sort de la couche d'ozone et sur le potentiel de ces changements rapides à provoquer des bouleversements soudains et imprévus sur notre météo. dessous.

Jusqu'à récemment, les scientifiques appelaient les zones éloignées de la haute atmosphère «l'ignorosphère», car ils en savaient si peu à leur sujet. Alors maintenant qu'ils en savent plus, qu'apprenons-nous, et cela doit-il nous rassurer ou nous alarmer ?

L'atmosphère terrestre comporte plusieurs couches. La région que nous connaissons le mieux, car c'est là que se produit notre météo, est la troposphère. Cette dense couverture d'air de 5 à 9 miles d'épaisseur contient 80% de la masse de l'atmosphère mais seulement une petite fraction de son volume. Au-dessus se trouvent de grands espaces ouverts d'air de moins en moins dense. La stratosphère, qui se termine à environ 30 milles, est suivie de la mésosphère, qui s'étend jusqu'à 50 milles, puis de la thermosphère, qui atteint plus de 400 milles.

D'en bas, ces zones lointaines apparaissent comme un ciel bleu placide et immaculé. Mais en fait, ils sont secoués par des vents violents et d'énormes marées montantes et descendantes qui envahissent parfois notre troposphère. Et le souci est que cet environnement déjà dynamique pourrait changer à nouveau car il est infiltré par le CO2 et d'autres produits chimiques fabriqués par l'homme qui perturbent la température, la densité et la chimie de l'air en altitude.

Le changement climatique est presque toujours pensé en termes de régions les plus basses de l'atmosphère. Mais les physiciens avertissent maintenant que nous devons repenser cette hypothèse. L'augmentation de la quantité de CO2 est désormais "manifeste dans toute l'atmosphère perceptible", explique Martin Mlynczak, physicien de l'atmosphère au centre de recherche Langley de la NASA à Hampton, en Virginie. Ils "entraînent des changements spectaculaires que les scientifiques commencent à peine à saisir". Ces changements dans le bleu sauvage là-bas bien au-dessus de nos têtes pourraient se répercuter pour changer notre monde en dessous.

Brenda Stolyar

Chevalier

Personnel filaire

Médée Jordanie

L'histoire des changements de température dans l'atmosphère à tous les niveaux est en grande partie l'histoire du CO2. Nous savons très bien que nos émissions de plus de 40 milliards de tonnes de gaz par an réchauffent la troposphère. Cela se produit parce que le gaz absorbe et réémet le rayonnement solaire, chauffant d'autres molécules dans l'air dense et augmentant globalement les températures.

Mais les gaz ne restent pas tous dans la troposphère. Il se propage également vers le haut dans toute l'atmosphère. Nous savons maintenant que le taux d'augmentation de sa concentration au sommet de l'atmosphère est aussi important qu'au fond. Mais son effet sur la température en altitude est très différent. Dans l'air plus fin en altitude, la majeure partie de la chaleur réémise par le CO2 ne se heurte pas à d'autres molécules. Il s'échappe dans l'espace. Combiné avec le plus grand piégeage de la chaleur à des niveaux inférieurs, le résultat est un refroidissement rapide de l'atmosphère environnante.

Les données satellitaires ont récemment révélé qu'entre 2002 et 2019, la mésosphère et la basse thermosphère se sont refroidies de 3,1 degrés F (1,7 degrés C). Mlynczak estime que le doublement des niveaux de CO2 que l'on pense probable d'ici la fin du siècle entraînera un refroidissement dans ces zones d'environ 13,5 degrés F (7,5 degrés C), ce qui est entre deux et trois fois plus rapide que le réchauffement moyen attendu au niveau du sol.

Les premiers modélisateurs du climat avaient prédit dans les années 1960 que cette combinaison de réchauffement troposphérique et de fort refroidissement en altitude était l'effet probable de l'augmentation du CO2 dans l'air. Mais sa récente confirmation détaillée par des mesures satellitaires renforce considérablement notre confiance dans l'influence du CO2 sur les températures atmosphériques, explique Santer, qui modélise le changement climatique depuis 30 ans.

En mai, il a utilisé de nouvelles données sur le refroidissement dans la stratosphère moyenne et supérieure pour recalculer la force du "signal" statistique de l'empreinte humaine dans le changement climatique. Il a constaté qu'elle était considérablement renforcée, en particulier en raison du bénéfice supplémentaire fourni par le niveau inférieur de "bruit" de fond dans la haute atmosphère dû à la variabilité naturelle de la température. Santer a découvert que le rapport signal/bruit pour l'influence humaine avait quintuplé, fournissant "une preuve irréfutable des effets humains sur la structure thermique de l'atmosphère terrestre". Nous "modifions fondamentalement" cette structure thermique, dit-il. "Ces résultats me rendent très inquiet."

Une grande partie de la recherche analysant les changements en altitude a été effectuée par des scientifiques employés par la NASA. L'agence spatiale dispose de satellites pour mesurer ce qui se passe, mais elle s'intéresse aussi particulièrement aux implications pour la sécurité des satellites eux-mêmes.

Cet intérêt vient du fait que le refroidissement de l'air supérieur provoque également sa contraction. Le ciel tombe, littéralement.

La profondeur de la stratosphère a diminué d'environ 1%, ou 1 300 pieds, depuis 1980, selon une analyse des données de la NASA par Petr Pisoft, physicien de l'atmosphère à l'Université Charles de Prague. Au-dessus de la stratosphère, Mlynczak a constaté que la mésosphère et la thermosphère inférieure se sont contractées de près de 4 400 pieds entre 2002 et 2019. Une partie de ce rétrécissement était due à une baisse à court terme de l'activité solaire qui s'est terminée depuis, mais 1 120 pieds de celle-ci était due à refroidissement causé par le CO2 supplémentaire, calcule-t-il.

Brenda Stolyar

Chevalier

Personnel filaire

Médée Jordanie

Cette contraction signifie que la haute atmosphère devient moins dense, ce qui réduit la traînée des satellites et autres objets en orbite basse - d'environ un tiers d'ici 2070, calcule Ingrid Cnossen, chercheuse au British Antarctic Survey.

A première vue, c'est une bonne nouvelle pour les opérateurs de satellites. Leurs charges utiles devraient rester opérationnelles plus longtemps avant de retomber sur Terre. Mais le problème, ce sont les autres objets qui partagent ces altitudes. La quantité croissante de débris spatiaux - des équipements de toutes sortes laissés en orbite - reste également plus longtemps, augmentant le risque de collisions avec des satellites actuellement opérationnels.

Plus de 5 000 satellites actifs et disparus, dont la Station spatiale internationale, sont en orbite à ces altitudes, accompagnés de plus de 30 000 débris connus de plus de 4 pouces de diamètre. Les risques de collision, dit Cnossen, augmenteront de plus en plus à mesure que le refroidissement et la contraction s'accélèrent.

Cela peut être mauvais pour les affaires des agences spatiales, mais comment les changements en altitude affecteront-ils notre monde d'en bas ?

Une grande préoccupation est l'état déjà fragile de la couche d'ozone dans la basse stratosphère, qui nous protège du rayonnement solaire nocif qui cause des cancers de la peau. Pendant une grande partie du 20e siècle, la couche d'ozone s'est amincie sous l'assaut des émissions industrielles de produits chimiques mangeurs d'ozone tels que les chlorofluorocarbures (CFC). De véritables trous d'ozone se forment chaque printemps au-dessus de l'Antarctique.

Le Protocole de Montréal de 1987 visait à combler les trous annuels en éliminant ces émissions. Mais il est maintenant clair qu'un autre facteur sape cet effort : le refroidissement stratosphérique.

La destruction de l'ozone opère en surmultiplication dans les nuages ​​stratosphériques polaires, qui ne se forment qu'à très basse température, notamment au-dessus des régions polaires en hiver. Mais la stratosphère plus froide a signifié plus d'occasions où de tels nuages ​​​​peuvent se former. Alors que la couche d'ozone au-dessus de l'Antarctique se reforme lentement à mesure que les CFC disparaissent, l'Arctique se révèle différent, déclare Peter von der Gathen de l'Institut Alfred Wegener pour la recherche polaire et marine à Potsdam, en Allemagne. Dans l'Arctique, le refroidissement aggrave la perte d'ozone. Von der Gathen dit que la raison de cette différence n'est pas claire.

Au printemps 2020, l'Arctique a connu son premier trou d'ozone à part entière avec plus de la moitié de la couche d'ozone perdue par endroits, ce que von der Gathen attribue à l'augmentation des concentrations de CO2. Ce pourrait être le premier d'une longue série. Dans un récent article paru dans Nature Communications, il a averti que le refroidissement continu signifie que les attentes actuelles selon lesquelles la couche d'ozone devrait être complètement guérie d'ici le milieu du siècle sont presque certainement trop optimistes. Selon les tendances actuelles, a-t-il dit, "les conditions favorables à une importante perte saisonnière de la colonne d'ozone arctique pourraient persister ou même s'aggraver jusqu'à la fin de ce siècle... beaucoup plus longtemps que ce qui est généralement apprécié".

Cela est d'autant plus préoccupant que, alors que les régions sous les précédents trous antarctiques étaient largement dépourvues de population, les régions sous les futurs trous d'ozone arctiques sont potentiellement parmi les plus densément peuplées de la planète, y compris l'Europe centrale et occidentale. Si nous pensions que l'amincissement de la couche d'ozone était une préoccupation du XXe siècle, nous devrons peut-être réfléchir à nouveau.

Brenda Stolyar

Chevalier

Personnel filaire

Médée Jordanie

La chimie n'est pas le seul problème. Les physiciens de l'atmosphère craignent également de plus en plus que le refroidissement ne modifie les mouvements de l'air en altitude d'une manière qui affecte le temps et le climat au niveau du sol. L'un des plus turbulents de ces phénomènes est connu sous le nom de réchauffement stratosphérique soudain. Les vents d'ouest dans la stratosphère s'inversent périodiquement, entraînant de grandes variations de température, au cours desquelles des parties de la stratosphère peuvent se réchauffer jusqu'à 90 degrés F (50 degrés C) en quelques jours.

Cela s'accompagne généralement d'un affaissement rapide de l'air qui pousse sur le courant-jet de l'Atlantique au sommet de la troposphère. Le courant-jet, qui entraîne les systèmes météorologiques largement à travers l'hémisphère nord, commence à serpenter. Cette perturbation peut provoquer une variété de conditions météorologiques extrêmes, allant des pluies intenses persistantes aux sécheresses estivales et aux «anticyclones bloquants» qui peuvent provoquer des semaines de froid hivernal intense de l'est de l'Amérique du Nord à l'Europe et à certaines parties de l'Asie.

Cela est déjà connu. Au cours des 20 dernières années, les prévisionnistes météorologiques ont inclus ces influences stratosphériques dans leurs modèles. Cela a considérablement amélioré la précision de leurs prévisions à long terme, selon le Met Office, une agence de prévision du gouvernement britannique.

La question qui se pose maintenant est de savoir comment le CO2 supplémentaire et le refroidissement stratosphérique global influenceront la fréquence et l'intensité de ces événements de réchauffement soudains. Mark Baldwin, climatologue à l'Université d'Exeter en Angleterre qui a étudié le phénomène, affirme que la plupart des modèles s'accordent à dire que le réchauffement stratosphérique soudain est en effet sensible à plus de CO2. Mais alors que certains modèles prédisent beaucoup plus d'événements de réchauffement soudains, d'autres en suggèrent moins. Si nous en savions plus, dit Baldwin, cela "conduirait à une meilleure confiance dans les prévisions météorologiques à long terme et les projections de changement climatique".

Il devient de plus en plus clair que, comme le dit Gary Thomas, physicien de l'atmosphère à l'Université du Colorado à Boulder, "si nous n'obtenons pas de bons modèles sur ce qui se passe là-haut, nous pourrions nous tromper en bas". Mais l'amélioration des modèles de fonctionnement de la haute atmosphère et la vérification de leur exactitude nécessitent de bonnes données à jour sur les conditions réelles en altitude. Et la fourniture de ces données est sur le point de se tarir, prévient Mlynczak.

La plupart des satellites qui ont fourni des informations depuis la haute atmosphère au cours des trois dernières décennies - fournissant ses prévisions de refroidissement et de contraction ainsi que celles d'autres - arrivent en fin de vie. Sur six satellites de la NASA sur l'affaire, un est tombé en panne en décembre, un autre a été mis hors service en mars et trois autres devraient bientôt être arrêtés. « Il n'y a pas encore de nouvelle mission prévue ou en développement », dit-il.

Mlynczak espère relancer l'intérêt pour la surveillance avec une session spéciale qu'il organise à l'American Geophysical Union cet automne pour discuter de la haute atmosphère comme "la prochaine frontière du changement climatique". Sans surveillance continue, la crainte est que nous puissions bientôt revenir à l'époque de l'ignorosphère.