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Les nuages et leur rétroaction

Dossier - Pourquoi tant d'incertitudes sur les prévisions climatiques ?
DossierClassé sous :climatologie , Réchauffement climatique , aérosol

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Le 21 ème siècle pourrait être marqué par un réchauffement compris entre 1,6 et 6°C. L'incertitude est grande. Ce dossier présente les deux causes les plus importantes si l'on excepte celle concernant la consommation d'énergie fossile elle-même.

  
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Les nuages jouent un rôle de tout premier plan dans le système climatique. En premier lieu, c'est bien grâce à eux qu'il y a des précipitations mais leur influence sur le rayonnement est considérable. Ils influencent à la fois le rayonnement solaire et le rayonnement infrarouge thermique, celui que la Terre émet à son tour.

Les nuages absorbent peu le rayonnement solaire mais ils le diffusent très efficacement à toutes les longueurs d'onde et c'est pourquoi ils apparaissent blancs. Ils réfléchissent ainsi vers l'espace une partie du rayonnement solaire qui peut être très importante: leur réflectivité est variable mais souvent élevée et elle peut atteindre celle de la neige fraîche (environ 80%).

L'influence des nuages sur le rayonnement infrarouge est peut être un peu moins évidente à première vue mais elle est tout aussi importante. On sait bien que les nuits les plus froides sont les nuits claires, cela est dû au fait que la surface qui n'est plus chauffée par le soleil perd de la chaleur par émission de rayonnement infrarouge thermique. Lorsque des nuages sont présents, ils font écran à cette émission et isolent donc la surface qui perd moins de chaleur. Les nuages ont donc un effet de serre qui peut être très important. En augmentant l'albédo de la planète, ils diminuent l'énergie solaire absorbée et ils ont tendance à la refroidir mais, par leur effet de serre, ils ont, au contraire, tendance à la réchauffer. Il y a donc compensation entre deux effets de grande amplitude mais cette compensation n'est pas totale.

L'effet d'albédo des nuages est maximum quand la surface au dessous est peu réfléchissante car, dans ce cas, le contraste est maximum. C'est le cas au dessus de la mer: typiquement, la réflectivité de la mer dépasse rarement 5 à 6% sauf dans la direction dite spéculaire c'est-à-dire celle de la réflexion sur un miroir, le contraste avec la réflectivité des nuages est donc considérable même pour des nuages modestes.

L'effet de serre des nuages dépend de leurs caractéristiques et du contraste de température qu'ils présentent avec la surface. Ils ont une grande opacité au rayonnement infrarouge thermique et, sauf dans le cas des plus minces d'entre eux, on peut les assimiler à des corps noirs, c'est-à-dire qu'ils absorbent la totalité du rayonnement infrarouge qu'ils reçoivent et qu'ils émettent tout ce que leur température leur permet. L'effet de serre est donc d'autant plus important que le nuage est froid. Ce sont donc les nuages les plus hauts qui ont l'effet de serre maximum. (A l'inverse, "vu de la surface" et non plus "vu de l'espace", ce sont les nuages bas qui ont l'effet de serre le plus important: ce sont eux qui émettent vers la surface le rayonnement le plus grand.)

1 - L'influence des nuages bas

Figure 7: couverture de nuages bas (stratus et stratocumulus) d'après ISCCP (voir note 40). Il s'agit de stratus observables depuis satellite, c'est-à-dire en l'absence de nuages situés au dessus. On notera les fortes concentrations au dessus des océans des latitudes moyennes et à l'est des océans dans les régions tropicales (ISCCP : voir note 7)

Les nuages qui ont le maximum d'effet sur le rayonnement sont ceux qui sont les plus étendus et les plus persistants, deux types de nuages sont particulièrement importants: ce sont les stratocumulus marins et les cirrus. Les stratocumulus sont des nuages bas (leur base est typiquement vers 500 à 1000 m) et peu épais (quelques centaines de mètres) mais ils sont très étendus et couvrent en permanence près de 20% de la surface du globe. Comme ils ne contiennent pas beaucoup d'eau, ils précipitent peu et, donc, persistent fort longtemps. Puisqu'ils sont bas, leur température est peu différente de la température de la surface et leur effet de serre reste limité, par contre leur réflectivité est typiquement de l'ordre de 40 à 50% ou plus ce qui contraste très fortement avec la réflectivité de la mer. Ils ont donc un fort effet d'albédo.

Comme les aérosols restent généralement dans les basses couches de l'atmosphère, ce sont ces nuages qui sont les plus sensibles à leur effet indirect.

2 - L'influence des nuages hauts

Figure 8: couverture de nuages hauts d'après ISSCCP (voir note 7). On notera les concentrations très élevées dans les zones de convection tropicale à l'ouest du Pacifique et, au contraire, la faible concentration sur le Pacifique Est

Voir le dossier : Nuages en tout genre 
Les cirrus, au contraire, sont les nuages les plus élevés, on les trouve au sommet de la troposphère, au niveau de la tropopause. (Limite entre la troposphère (partie inférieure de l'atmosphère dont l'épaisseur est déterminée par l'intensité de la convection et dans laquelle se situent les nuages) et la stratosphère.)

Ce sont eux que l'on voit en premier avant l'arrivée d'une perturbation, souvent aussi, ils subsistent après un orage, c'est de cette manière qu'ils sont le plus souvent formés sous les tropiques où la convection profonde génère de très puissants cumulonimbus. Ils sont très étendus et couvrent, eux aussi, environ 20% de la surface du globe. Ils sont composés de cristaux de glace et leur température peut être très basse: des températures de - 60, - 70°C sont courantes surtout, paradoxalement, sous les tropiques. Leur effet de serre est donc considérable. Par ailleurs, les cirrus sont souvent assez transparents au rayonnement solaire (on voit souvent le Soleil au travers) et leur effet d'albédo est faible.

De façon générale, les modèles ont beaucoup de difficultés à simuler correctement l'apparition des nuages, particulièrement ces deux types de nuages. La raison tient à ce qu'un modèle a toujours une échelle spatiale beaucoup trop grande par rapport aux phénomènes de condensation, (c'est moins vrai dans le cas des perturbations car dans ce cas, c'est toute la masse d'air qui est soulevée et la condensation a lieu à grande échelle, les nuages associés aux perturbations sont donc assez bien simulés et donc prévus par les modèles de prévision météorologiques.)

A priori, un nuage apparaît lorsque l'humidité relative atteint 100%, c'est-à-dire quand il y a saturation. C'est vrai à l'échelle de la parcelle d'air, disons 1 m3 ou 100 m3 mais, dans un modèle, le volume élémentaire (la maille de calcul) fait typiquement 100 km par 100 km sur 1 km d'épaisseur (1013 m3). Il serait illusoire de penser que l'humidité est partout la même dans un tel volume, autrement dit le nuage apparaît éventuellement par ci, par là. La difficulté est donc de représenter aussi correctement que possible un phénomène, la condensation, qui apparaît à une échelle très inférieure à l'échelle des calculs.

Par ailleurs et jusqu'à ces dernières années, on connaissait mal la quantité de nuages présents. Ce n'est que dans les années 80 qu'on a commencé à traiter de façon systématique les observations des satellites météorologiques pour en déduire la quantité et les propriétés de la couverture nuageuse globale . On dispose ainsi d'une vingtaine d'années de climatologie, ce qui permet d'espérer percevoir d'éventuelles modifications de la couverture nuageuse. On sait ainsi que la Terre est couverte en permanence environ 60% de nuages, (cette valeur dépend fortement, en fait, du seuil à partir duquel on estime la présence d'un nuage.)

Figure 9: couverture nuageuse totale d'après ISCCP (voir note 7). On notera la grande fréquence des nuages au dessus des océans des latitudes moyennes.

3 - L'influence radiative des nuages actuels

Les mesures du bilan radiatif effectuées depuis satellite ont permis d'évaluer l'effet d'albédo et l'effet de serre des nuages existants. On a ainsi déterminé le « forçage radiatif des nuages » : c'est, par définition et au signe près, la variation du bilan radiatif de la Terre qui résulterait d'une disparition pure et simple de tous les nuages. Il comporte une composante courtes longueurs d'onde et une composante grandes longueurs d'ondes infrarouge. La première est négative car les nuages diminuent l'énergie absorbée, la deuxième est positive puisqu'elle traduit un effet de serre. Les deux termes sont très grands: en moyenne annuelle, environ - 47 Wm-2 pour l'effet d'albédo et +29 Wm-2 pour l'effet de serre. Globalement donc, l'effet d'albédo l'emporte et l'effet résultant des nuages est de refroidir la planète. Si, instantanément, ils devenaient transparents, le bilan radiatif augmenterait de 18 Wm-2, une quantité déjà fort importante mais on voit qu'il s'agit du bilan de deux grandeurs encore plus importantes, c'est dire que de relativement faibles modifications de la couverture nuageuse et/ou de ses propriétés pourrait avoir un impact considérable sur le climat.

Figure 10 : forçage radiatif des nuages estimé à partir des observations spatiales du bilan radiatif. Le forçage est négatif quand l'impact des nuages sur l'albédo l'emporte sur leur impact sur l'effet de serre.( (D'après l'expérience NASA Earth Radiation Budget et l'expérience franco-russe Scarab, voir le site http://www.lmd.polytechnique.fr/~Scarab/francais/FCRF.htm et http://terra.nasa.gov/FactSheets/Clouds/) On notera les fortes valeurs négatives associées aux perturbations au dessus des océans des moyennes latitudes et, au contraire, les valeurs positives associées aux cirrus produits par l'activité convective à l'Ouest du Pacifique (source: http://depts.washington.edu/uwpcc/remote_sensing/cloud_sst.html)

Figure 10 : forçage radiatif des nuages estimé à partir des observations spatiales du bilan radiatif. Le forçage est négatif quand l'impact des nuages sur l'albédo l'emporte sur leur impact sur l'effet de serre.( (D'après l'expérience NASA Earth Radiation Budget et l'expérience franco-russe Scarab, voir le site http://www.lmd.polytechnique.fr/~Scarab/francais/FCRF.htm et http://terra.nasa.gov/FactSheets/Clouds/) On notera les fortes valeurs négatives associées aux perturbations au dessus des océans des moyennes latitudes et, au contraire, les valeurs positives associées aux cirrus produits par l'activité convective à l'Ouest du Pacifique (source: http://depts.washington.edu/uwpcc/remote_sensing/cloud_sst.html)

4 - La rétroaction des nuages

La question vient donc immédiatement: dans le cadre d'un réchauffement global dû à l'augmentation de la concentration atmosphérique en gaz à effet de serre, que deviendront la couverture nuageuse, le type et la répartition des nuages et comment, cela réagira-t-il en retour sur le bilan radiatif? Y aura-t -il plus ou moins de nuages? Où? Sous les tropiques? Aux hautes latitudes? Leur cycle diurne sera-t-il modifié? Y aura-t-il plus de nuages hauts ou de nuages bas? Leurs propriétés resteront-elles constantes ?

Si ce sont les nuages bas qui sont avantagés, l'effet d'albédo peut augmenter, le forçage radiatif des nuages deviendrait alors davantage négatif ce qui tendrait à refroidir la planète et la rétroaction serait négative. Au contraire, si ce sont les nuages hauts qui le sont, c'est l'effet de serre des nuages qui augmentera et la rétroaction sera positive, tendant à augmenter encore le réchauffement. C'est la question à 1 million de dollars. Elle est tout à fait essentielle car les modèles se révèlent extrêmement sensibles à la façon dont les nuages sont représentés, elle n'a pas de réponse pour l'instant. Les modèles indiquent plutôt une rétroaction positive due à une augmentation de la nébulosité haute mais les processus en cause sont subtils et mal maîtrisés. Le problème reste donc ouvert et constitue la principale cause d'incertitude quant à la réponse à court terme des modèles.