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Cumulonimbus et effet de serre : l’effet d’iris des cirrus tropicaux

Dossier - Climat : les rétroactions, question clé de la sensibilité climatique
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La variation de température face à l'augmentation des gaz à effet de serre dépend des nombreuses rétroactions du système climatique : vapeur d'eau, dioxyde de carbone...

  
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Poursuivant l'idée présentée dans la page précédente, R. Lindzen a aussi avancé une autre hypothèse, celle d'une modulation de la couverture nuageuse haute résultant encore dans une rétroaction négative.

Cumulonimbus capillatus incus. © NOAA Domaine public

Cirrus, cumulonimbus et diminution de l'effet de serre

Le moteur de la convection, c'est la condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'air ascendant et la libération de la chaleur latente correspondante qui le réchauffe. La parcelle d'air dans laquelle se produit la condensation est alors plus chaude que l'air qui l'entoure et est donc accélérée vers le haut. Cela continue jusqu'à ce que la parcelle rencontre des masses d'air plus chaudes qu'elle. À la limite entre la troposphère et la stratosphère, au niveau de la tropopause, la température diminue beaucoup moins rapidement avec l'altitude pour augmenter ensuite dans la stratosphère. En se soulevant et en se refroidissant, la parcelle devient alors plus froide que l'air qui l'entoure et redescend. Elle finit par se stabiliser au niveau de la tropopause et, puisque les parcelles suivantes continuent d'arriver, elle se déplace horizontalement. Dans cette parcelle se trouve de l'eau condensée, il y a donc extension horizontale d'un nuage au niveau de la tropopause. Les nuages convectifs sont des cumulonimbus et cette extension correspond à leur enclume.

Ces enclumes peuvent avoir une extension gigantesque et lorsqu'après l'orage, le cumulonimbus se disloque, elles persistent sous forme de cirrus épais tout en se déplaçant suivant les grandes ondulations de la circulation atmosphérique. Ces nuages ont un effet de serre important (voir le dossier sur les forçages) du fait de leur basse température.

En examinant des observations satellitaires, au-dessus du Pacifique Ouest (la warm pool), Lindzen et des collègues ont trouvé que la couverture de cirrus associée aux cumulonimbus diminuait quand la température de la mer augmentait, ce qui pourrait conduire à une diminution importante de l'effet de serre. L'idée de Lindzen est que les précipitations plus intenses conduiraient à l'assèchement de la haute troposphère, à une diminution de l'étendue des cirrus tropicaux et, donc, à une diminution de l'effet de serre. Ce processus serait alors analogue à l'action de l'iris de l'œil qui se referme quand la lumière devient trop forte et vice versa. Les modèles imaginent plutôt l'inverse puisqu'ils prévoient, au contraire, une humidification de la haute troposphère. Lindzen et ses collègues ont estimé que si la concentration en CO2 doublait, cette réduction des cirrus tropicaux, en réduisant l'effet de serre, pourrait refroidir le système entre 0,45 et 1,1 °C, une contreréaction qui serait donc très efficace. Cela ramènerait le réchauffement en 2100 entre 0,6 et 2,3 °C au lieu de 1,5 à 6 °C.

Estimation de l'effet de serre des cirrus et de leur effet d'albédo

Pour arriver à ce résultat, Lindzen et ses collègues ont dû estimer l'effet de serre des cirrus et leur effet d'albédo. Cette estimation est très délicate et la marge d'incertitude est telle que d'autres chercheurs en reprenant la même démarche ont abouti à un résultat inverse, c'est-à-dire que la diminution des cirrus cause une rétroaction faiblement positive et non négative. Pour l'essentiel, cette différence est due au fait que les cirrus tropicaux étant épais ont aussi un fort albédo. En conséquence, leur effet de serre est partiellement compensé. Il semblerait que Lindzen ait fortement sous-évalué cet albédo. De leur côté, Hartmann et Michels ont montré que l'anticorrélation entre cirrus et température de surface que Lindzen et ses collègues ont trouvée était dominée par la variabilité de la couverture nuageuse au-dessus des régions froides, alors que l'effet d'iris est attendu surtout dans les cas de SST élevée. Le sujet reste d'actualité et le débat continue.

Depuis, Spencer et. al. (2007) ont étudié 15 épisodes de réchauffement de l'ensemble de la zone intertropicale d'une durée d'une soixantaine de jours. Ces événements sont, entre autres, liés à El Niño. En combinant l'ensemble de ces événements et en examinant leur déroulement, ils ont trouvé que l'effet radiatif net des nuages refroidissait le système océan-atmosphère durant la phase chaude alors qu'il le réchauffait dans la phase froide et que ce refroidissement était d'autant plus important que la SST était élevée. Ce comportement serait bien dû à la diminution des nuages de glace qui perdurent après la phase des précipitations les plus intenses.

La rétroaction négative par effet d'iris

Bien entendu, ces résultats demandent à être confirmés ou infirmés mais ils tendent à valider l'effet d'iris. Ils ne valident pas pour autant la rétroaction négative par effet d'iris puisque, là encore ce sont des événements météorologiques individuels qui sont observés et non pas la réponse à un forçage global. Pour valider la rétroaction, il faudrait montrer que la fréquence ou l'intensité de ces événements augmente avec la température globale et il faudrait évidemment en quantifier l'effet. Plus récemment, Lindzen et Choi (2009) ont tenté cette approche. Ils ont analysé les variations des flux radiatifs sortant au sommet de l'atmosphère en relation avec la SST dans les tropiques pour la période de 1985 à 1999, ils ont cru pouvoir conclure à une rétroaction négative puissante qui réduisait considérablement la sensibilité climatique mais, là encore, ce n'est pas une rétroaction qui était mesurée. En effet, pour cette période, l'essentiel des variations de la SST des régions tropicales est dominée par les oscillations El Niño-La Niña et par les conséquences de l'éruption du Pinatubo. Dans ces conditions, c'est une fois encore la sensibilité du bilan radiatif à ces événements qui est mise en évidence (voir Cess et. al., 2001). Cette étude présente, par ailleurs, d'autres erreurs, comme le fait de ne pas tenir compte des échanges d'énergie entre les régions tropicales et les latitudes moyennes.

En résumé, il est tout à fait concevable que lors des événements météorologiques individuels, l'augmentation des précipitations conduise à un assèchement de la haute troposphère permettant une meilleure évacuation de la chaleur. La question reste posée de savoir si ce mécanisme peut voir son efficacité augmenter dans le cas d'un réchauffement global et constituer ainsi une rétroaction négative sans parler de l'intensité de cette éventuelle rétroaction.