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Nuages et rayons cosmiques : études climatologiques

Dossier - Réchauffement : le rôle des UV, nuages et rayons cosmiques
DossierClassé sous :climatologie , Environnement , changement climatique

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Ce dossier est le deuxième d'une série de trois qui essaient de faire le point sur les mécanismes susceptibles de modifier le climat de la planète. Le premier abordait les différents forçages. Dans ce celui-ci on examine les mécanismes qui pourraient peut-être les amplifier.

  
DossiersRéchauffement : le rôle des UV, nuages et rayons cosmiques
 

Le rapport entre les nuages et le rayonnement cosmique est donc une question intéressante lorsque l'on considère le réchauffement climatique. Les climatologues ont réalisé de nombreuses études. L'histoire est ici fertile en rebondissements divers, en voici une chronologie certainement non exhaustive.

Que disent les études climatologiques sur le rapport entre nuages et rayons cosmiques ? © DR

Les premiers articles sur le rayonnement et les nuages

C'est en 1991 que Friis-Christensen and Lassen ont, les premiers, publié un article qui faisait état d'une corrélation entre la longueur des cycles solaires et la température globale. Cet article a eu un retentissement important bien qu'il ait été montré [1] par la suite que les estimations du dernier cycle solaire étaient erronées ce qui faisait disparaître toute corrélation sur les dernières décennies. Quelques années plus tard, Svensmark et Friis-Christensen ont publié un article montrant que la couverture nuageuse totale déduite de satellites semblait montrer une très forte corrélation avec l'intensité du rayonnement cosmique.

En 2000, Marsh and Svensmark ont présenté une nouvelle hypothèse dans laquelle la couverture nuageuse totale était remplacée par la couverture nuageuse basse. Il peut sembler à priori paradoxal que ce soit les nuages bas qui soient fortement corrélés aux rayonnements cosmiques puisque ceux-ci viennent de l'extérieur de l'atmosphère mais en réalité deux processus jouent en sens inverse : le rayonnement cosmique augmente avec l'altitude alors que la quantité de H2SO4 diminue.

On peut estimer très grossièrement le forçage radiatif qui résulterait des variations de nuages bas selon l'hypothèse de Svensmark : c'est à dire 1 à 2 % en valeur absolue. En été, le forçage radiatif des nuages bas est de l'ordre de -100 W/m2, une variation de 1 à 2 % de la couverture de nuages bas correspond donc à environ 1 à 2 W/m2, ce qui est évidemment important mais il s'agit là de la plus forte variation qu'il ait observé, et son effet est maximum puisque le forçage utilisé est celui de l'été. C'est donc très nettement une limite supérieure.

Stratocumulus au large des côtes du Pérou. Ces nuages y sont permanents mais présentent un cycle diurne. Le contraste de leur albédo avec celui de la surface de la mer est important alors que leur faible altitude ne leur permet qu’un effet de serre très modéré. Ces nuages tendent donc à refroidir la planète. © Nasa, Modis sur le satellite Terra

La question est très controversée. En effet, il semble bien y avoir une forte corrélation entre 1984 et 1991 mais la couverture nuageuse varie avec un retard d'environ six mois et à partir de 1994, la tendance s'inverse totalement (la couverture nuageuse diminue alors que les rayons cosmiques augmentent). Dans un autre article paru en 2003, Marsh et Svensmark ont attribué ce désaccord à un problème de dérive de la calibration des données satellite utilisées, moyennant quoi, ils prolongent leur tendance jusqu'en 2001.

ISCCP (International Satellite Cloud Climatology Programme) est un projet lancé par le Programme mondial de recherche sur le climat, il utilise les données acquises en permanence par le Système global de satellites météorologiques opérationnels. © WMO

Les mesures des satellites météorologiques

La question est évidemment de savoir si cette correction est justifiée. Les données satellite sont issues de ISCCP. Quels sont les arguments pour cette correction ? ISCCP est le résultat d'une compilation des observations des satellites météorologiques dans le visible et dans l'infrarouge. Pour couvrir l'ensemble de la planète il y a cinq satellites géostationnaires et deux satellites à orbite polaire. Les radiomètres visibles et infrarouges ne sont pas calibrés de façon absolue et ce sont les satellites polaires qui servent de référence. L'intercalibration s'effectue sur un certain nombre de cibles bien déterminées.

Il se trouve que fin 1994, un des satellites polaires était indisponible. Marsh et Svensmark ont utilisé les tendances observées pendant les périodes précédentes et suivantes pour interpoler les données pendant la période manquante. En réalité, il se pourrait bien que ce soit l'ensemble de la variation de la couverture nuageuse d'après ISCCP qui doive être reconsidérée, une analyse détaillée mais non encore publiée de la distribution des anomalies révèle en effet d'autres causes possibles d'artefacts : un problème lié à la détection au-dessus de la glace de mer, un autre provoqué par la dérive de l'angle de visée des satellites géostationnaires, un autre encore provoqué par l'accroissement du nombre de ces satellites, et un dernier lié aux champs d'observation des satellites géostationnaires (voir aussi Evan et al, 2007).

La figure ci-dessous présente la variation de la couverture nuageuse d'après ISCCP, avant et après correction empirique de ces artefacts. Sans chercher bien loin, il est clair qu'il y a dans l'océan Indien une structure des anomalies qui est manifestement suspecte.

En haut : évolution de la couverture nuageuse totale d’après ISCCP avant (partie gauche) et après (partie droite) correction des artefacts identifiables sur la figure du bas à gauche. En bas : distribution spatiale de la couverture nuageuse avant et après correction. © meteora

Par ailleurs, les variations de la couverture nuageuse entre 1984 et 1991 peuvent aussi être expliquées, au moins partiellement, par l'influence d'El Nino [2]. De plus, la couverture nuageuse moyenne est anticorrélée avec la couverture basse. Or il pourrait y avoir une excellente explication à cela : ISCCP classe les nuages dans l'une ou l'autre catégorie suivant la pression du sommet, elle-même déduite de la température infrarouge avec un seuil prédéterminé (si la pression est supérieure à 680 hPa, les nuages sont classés bas sinon ils sont classés moyens ou hauts). La diminution des rayons cosmiques est due à l'effet de bouclier du vent solaire. Celui-ci augmente avec l'activité solaire mais il en est de même de la TSI. Si le rayonnement solaire à la surface augmente, le flux turbulent de chaleur dans la couche limite augmente également et la couche limite s'épaissit. Il en résulte que le sommet des nuages est plus élevé, c'est ce qui explique le cycle diurne des stratocumulus. La conséquence, c'est que dans certains cas, le sommet des nuages bas s'élève et qu'ils peuvent être classés comme nuages moyens. Il est donc possible que les variations observées soient encore en partie un artefact, cette fois, de la classification de ISCCP.

En conclusion, il est malheureusement probable que ISCCP soit assez mal approprié à ces analyses qui exigeraient une très grande reproductibilité sur toute la période disponible, les corrélations entre couverture nuageuse et GCR apparaissent alors peu concluantes.

[1] Voir par exemple Pattern of Strange Errors Plagues Solar Activity and Terrestrial Climate Data, Laut P, Eos,Vol. 85, No. 39, 28 September 2004
[2] Lire Correlations of clouds, cosmic rays and solar irradiation over the Earth