Climat

Confirmation du déséquilibre énergétique de la Terre

Une évaluation complète du déséquilibre énergétique de la Terre a été publiée par le Système mondial d’observation du climat (GCOS). Dans la revue Earth System Science Data, un groupe de plus de 30 chercheurs d’institutions scientifiques du monde entier a suivi et quantifié le stockage de chaleur global de 1960 à 2018 pour répondre à une question fondamentale : où va la chaleur ?

Pour caractériser le réchauffement climatique, deux paramètres sont particulièrement suivis : l’évolution de la concentration de CO2 et la température à la surface de la Terre. Le déséquilibre énergétique de la Terre (DET ou Earth Energy Imbalance en anglais), reçoit moins d’attention mais c’est probablement la meilleure approche pour comprendre l’état climatique de la Terre. Le DET est la différence entre la quantité d’énergie solaire absorbée par la Terre et la quantité d’énergie que la planète rayonne vers l’espace sous forme de chaleur.

L’absorption de chaleur par l’océan agit comme un tampon, ralentissant le rythme du réchauffement de surface. Ainsi, la capacité de l’océan à stocker et à redistribuer verticalement de grandes quantités de chaleur sur une dizaine d’années signifie que les tendances de température de surface sont un indicateur peu fiable du réchauffement climatique à ces échelles de temps. Le DET traduit en revanche l’excès de chaleur qui s’accumule dans tout le système terrestre : c’est le véritable moteur du réchauffement climatique.

L’inventaire thermique le plus précis et le plus avancé à ce jour a été publié en septembre par le Système mondial d’observation du climat (GCOS), un programme scientifique dédié à l’observation du climat soutenu par l’Organisation météorologique mondiale et les Nations-Unies. Cette mise à jour est le fruit d’une collaboration entre des chercheurs du monde entier, sous la direction d’une éminente spécialiste du bilan énergétique de la Terre, Karina von Schuckmann. Parmi ses 37 co-auteurs, on trouve le fameux James Hansen, ancien directeur du NASA Goddard Institute for Space Studies, et le jeune Lijing Cheng, qui s’est distingué récemment par ses études sur le contenu en chaleur de l’océan. Les scientifiques ont passé en revue un grand nombre de données pour dresser l’inventaire qui se veut le plus exhaustif possible.

Toute l’énergie entrant ou quittant le système climatique terrestre le fait sous forme de rayonnement au sommet de l’atmosphère (top of atmosphere ou TOA en anglais). La différence entre le rayonnement solaire entrant et le rayonnement sortant, détermine le flux radiatif. Les changements de ce bilan de rayonnement global déterminent l’évolution temporelle du climat de la Terre : si le déséquilibre est positif (c’est à dire moins d’énergie sortante qu’entrante), l’énergie sous forme de chaleur s’accumule sur Terre, ce qui entraîne un réchauffement climatique. Si le DET est négatif, c’est un refroidissement qui se produit.

La nouvelle étude montre que le déséquilibre énergétique de la Terre continue de croître sans relâche et a doublé au cours de la dernière décennie (2010-2018) par rapport à la valeur moyenne de 1971-2018. Le DET est estimé à 0,87 W / m2 sur la période 2010-2018 contre 0,41 W / m2 sur la période 1971-2018.

Le flux net au sommet de l’atmosphère dérivé de la télédétection par satellite donne des résultats similaires au bilan du GCOS pour la période 2005-2018. ll faut cependant préciser qu’il est ancré par une estimation du contenu en chaleur de l’océan (et donc pas complètement indépendant pour le DET total).

Il faut noter cependant, comme l’indiquait Kevin Trenberth dans une étude de 2014, que le déséquilibre énergétique global n’est pas constant dans le temps. Ceci en raison de la complexité des différents forçages climatiques et également en raison de la variabilité naturelle. Par exemple, les fluctuations ENSO provoquent des changements dans le stockage de chaleur dans l’océan et il y a un mini réchauffement climatique à la fin des événements El Niño, car la chaleur sort de l’océan et est finalement rayonnée vers l’espace

Où va prioritairement ce déséquilibre énergétique ? En accord avec les précédentes études sur le sujet, l’océan, avec sa masse et sa capacité thermique élevée, domine très largement l’inventaire, devant les sols, la cryosphère et l’atmosphère. C’est la raison pour laquelle le déséquilbre énergétique peut être le mieux estimé à partir des changements du contenu thermique des océans, complété par des mesures de rayonnement depuis l’espace.

Inventaire de la chaleur de la Terre (accumulation d’énergie) en ZJ (1 ZJ = 1021 J) pour les composantes du système climatique terrestre de 1960 à 20. Le flux net à TOA du programme NASA CERES est affiché en rouge. Source : Karina von Schuckmann et al.

La plus grande part de la chaleur excessive (89% sur 1970-2018 ; 90% sur 2010-2018) est absorbée par la mer, ce qui peut être estimé par l’évaluation du contenu thermique des océans mesuré de plus en plus précisément grâce aux flotteurs Argo qui couvrent désormais l’ensemble des mers du globe. Sur la période 1971-2018, 52% du gain de chaleur est allée dans les 700 m supérieurs, 28% dans les couches intermédiaires et 9% dans la couche océanique profonde (en dessous de 2000 m de profondeur).

Concernant le reste de la répartition, 1% seulement de la chaleur en excès sur la période 1971-2018 réside dans l’atmosphère, un chiffre qui grimpe à 2% sur 2010-2018.  Enfin, 6% du gain de chaleur va dans le réchauffement des sols et 4% fait fondre la glace.

Bien que le réchauffement des sols représente une faible proportion de chaleur par rapport à l’océan, plusieurs processus pourraient jouer un rôle crucial dans l’évolution future du climat. Entre autres, la stabilité et l’étendue des zones continentales occupées par les sols de pergélisol. Les modifications des conditions thermiques à ces endroits ont le potentiel de libérer du CO2 et du CH4 stockés à long terme.

Pour la composante appelée « fonte des glaces », il faut entendre l’absorption d’énergie impliquée dans la fonte de la glace de mer, des calottes glaciaires du Groenland et de l’Antarctique, des glaciers autres que ceux des inlandsis et la neige.

Présentation schématique de l’inventaire de la chaleur pour le déséquilibre énergétique au sommet de l’atmosphère. Source : Karina von Schuckmann et al.

Tant que la Terre continuera d’absorber plus d’énergie solaire que la planète ne rayonne d’énergie vers l’espace, la température mondiale augmentera. D’après l’étude, la concentration de CO2 dans l’atmosphère devrait être réduite du niveau actuel de plus de 410 ppm à 350 ppm pour ramener la Terre vers l’équilibre énergétique. Ce qui nous ramènerait au niveau de concentration de la fin des années 1980. Une réduction de la concentration de CO2 de 57 ppm est en effet requise pour augmenter la radiation vers l’espace de 0,87 W / m2, ce qui permettrait de retrouver un équilibre énergétique. Ce nouvel équilibre laisserait la température autour de son niveau actuel de +1,2°C au-dessus du niveau préindustriel environ.

Il faut bien comprendre que le DET actuel est la partie du forçage qui ne s’est pas encore manifestée. La planète s’est déjà réchauffée en réponse au déséquilibre énergétique. Mais le déséquilibre reste positif et même s’accroit, ce qui signifie qu’il y a un potentiel de réchauffement supplémentaire. Le réchauffement se poursuivra même si les gaz à effet de serre sont stabilisées au niveau actuel. Le déséquilibre énergétique définit donc un réchauffement climatique supplémentaire qui se produira sans changement supplémentaire du forçage.

Compte-tenu de l’importance du déséquilibre énergétique dans l’évaluation de l’état climatique de la Terre, les chercheurs impliqués dans l’étude appellent à poursuivre les efforts pour traquer le plus précisément possible l’énergie.

12 réponses »

  1. Merci pour cet article très factuel, clair et très pédagogique. Ce qui m’interpelle, c’est la faible part de stockage de l’atmosphère 1%. Je n’avais pas réalisé à quel point une modification même faible dans les autres éléments de stockage de l’énergie, peut avoir un impact très important sur l’atmosphère. Il suffit qu’une modification intervienne dans la circulation thermohaline pour qu’ une grande quantité d’énergie ne soit plus absorbée et se retrouve dans l’atmosphère. Notre environnement proche n’est que la résultante de phénomènes qui sont énormément plus puissant et que nous ne contrôlons absolument pas. Je comprends mieux l’impact des phénomènes Nino ou la Nina.

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    • Merci Parmantier. La température de surface a augmenté de 1,2°C au-dessus de la période préindustrielle. Le déséquilbre actuel de 0,87 W/m2 impliquerait un réchauffement supplémentaire de l’ordre de 0,6°C, même si la concentration de CO2 restait au niveau actuel (estimation de James Hansen notamment).

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  2. Bonjour Johan.

    Si le DET est passé de 0,41W/m² (1971-2018) à 0,87W/m² cette dernière décennie, cela constitue bien une preuve mesurée de l’accélération du réchauffement, non ? Est ce qu’il serait possible de connaitre les données du DET décennie par décennie depuis 1971, histoire d’évaluer un peu plus précisément cette accélération ?
    Le fait que seulement 1 à 2% du réchauffement total soit « consacré » à l’atmosphère expliquerait-il que cette accélération ne soit pas encore tout à fait décelable dans l’élévation de température atmosphérique ?
    De même pour les 4% consacrés à la fonte de la cryosphère. Quelle pourrait être la part de la fonte de la banquise arctique seule dans ces 4% ? Même si c’est la moitié, 2%, c’est certainement encore une part trop faible du réchauffement pour y voir apparaitre une accélération nette.
    Ce que je veux dire, c’est que lorsqu’on s’interroge sur une éventuelle accélération du réchauffement, les observations atmosphériques ou celles concernant la banquise ne me semblent peut-être pas être les plus pertinentes, car ce sont des effets trop dilués du réchauffement global.

    En tout cas, merci pour cet article qui fait prendre conscience de l’importance du DET et de la communication qu’il serait nécessaire de faire sur cet indice pour vraiment prendre conscience du réchauffement global. Même si cela soulève d’autres questions qui n’ont peut-être pas encore de réponses, comme par exemple:
    – quelle est la profondeur du puits énergétique de l’océan ? Sa part est passée de 89% à 90% cette dernière décennie. Peut-elle encore augmenter ou va t-il y avoir un effet de saturation, une sorte d’El-Nino permanent qui rejetterait la chaleur vers les autres systèmes ?
    – Est ce que l’augmentation de la partie atmosphérique du DET de 1 à 2% peut être vue comme un début de saturation de la fonte de la cryosphère, qui elle a diminué de 4 à 3% ?

    et en corollaire:
    – La disparition totale de la banquise arctique en été, et donc la diminution de la part de la cryosphère d’encore 2% environ, pourrait elle être absorbée par l’océan, ou bien serait elle répercutée intégralement sur l’atmosphère ? Le résultat pour nous à court terme n’étant pas du tout le même.

    Je sais bien que ce sont beaucoup de questions qui n’ont pas encore de réponses évidentes. Mais cet article fait naitre ce genre de questionnement.

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    • Bonjour,
      Je n’ai pas les chiffres mais l’étude donne cette progression :
      1971-2018 : 0,47
      1993-2018 :0,69
      2010-2010 : 0,87

      Le graphique ci-dessous donne plusieurs estimations tirées de différentes études avec diverses périodes :

      Pour les conséquences, le plus important est de comprendre que le déséquilibre va se traduire par une élévation de la température de surface de +0,6°C, même si la concentration de CO2 reste la même.
      La question est de savoir à quel rythme cet excès de chaleur va être largué dans l’atmosphère.

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  3. Bonjour Johan,
    J’ai les mêmes questionnements que Asgarel car on sait que les océans sont de formidables puits à carbone. Lorsqu’ils seront tous saturés en CO2, on peut penser qu’ils ne pourront plus en absorber, ceci étant une simple principe de chimie de base. On peut alors penser logiquement qu’ensuite l’atmosphère se réchauffera plus rapidement.

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  4. Merci pour ces données supplémentaires, Johann. En appliquant une pondération par la durée des périodes (qui vaut ce qu’elle vaut…), j’en déduit ce genre de résultats pour le DET:
    [1971-1993] => DET = 0,22W/m²
    [1993-2010] => DET = 0,41W/m²
    [2010-2018] => DET = 0,87W/m²
    Ce qui me donnerait ces accélérations du DET
    globalement, [1982-2014] = 0,02 (W/m²) / an
    [1982-2002] = (0,01 W/m²) / an
    [2002-2014] = (0,04W/m²) / an
    Soit également une accélération de l’accélération du réchauffement.

    Bon, mes petits calculs sont peut-être un peu simplistes, mais j’ai quand même l’impression que cette nouvelle étude apporte une réponse à la question de l’accélération du réchauffement sur les 50 dernières années, alors qu’il ne semblait pas vraiment y avoir de consensus à ce sujet auparavant.

    J’aimerais bien avoir ton avis sur ce point précis.

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    • @Asgarel: Il faut aussi se demander quelles sont les incertitudes pour chaque compartiment climatique et pour chaque époque. Si l’estimation de la quantité d’énergie reçu et rayonnée par la Terre (donc, le DET qu’on en déduit) me paraît assez fiable sur les dernières décennies, il est plus difficile d’être précis sur le contenu en chaleur de chaque compartiment climatique pris individuellement (en particulier les océans, mais aussi les sols et la cryosphère). Vu l’inertie des océans, qu’on se trompe de quelques pourcents dans les estimations de l’énergie qui y est stockée, et ça aura un très fort impact sur la place relative des autres compartiments, en particulier l’atmosphère. Je n’ai pas analysé l’étude dont parle Johan, mais a priori, je prendrais avec beaucoup de prudence ces variations de 1 à 2% dans la part de l’énergie stockée, et sur ce que ça peut impliquer dans l’avenir proche.

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    • Bonjour, désolé pour le retard dans la réponse. Il peut être possible de construire une tendance linéaire mais cela ne serait pas fidèle aux observations en raison de la variation interannuelle et d’une décennie à l’autre. Pour répondre à ta question d’une accélération, c’est précisément la conclusion de l’étude qui a passé en revue toute la littérature sur le sujet. Pour s’en faire une idée plus claire, le plus simple est peut-être de regarder l’accumulation du contenu en chaleur de l’océan, sachant que c’est là que 90% de l’énergie supplémentaire est stockée. Ci-dessous, on voit l’accumulation entre 0 et 2000 m qui concentre l’essentiel du stockage.

      On peut regarder aussi la traduction en w/m2 sur différentes échelles de temps et d’après différentes estimations. On peut effectivement parler d’accélération.

      Enfin,pour comprendre le rapport avec les températures de surface, on peut regarder les anomalies du contenu en chaleur de l’atmosphère. On voit clairement la montée en puissance avant les événements El Nino, signe d’un largage de chaleur d’origine océanique, puis la décrue qui suit après 1998, 2010 et 2016. Cette décrue n’est pas le signe d’un arrêt du réchauffement climatique, plutôt le signe que l’accumulation de chaleur se poursuit dans l’océan.

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  5. Merci pour ce complément d’infos. Effectivement, on « sentait » bien déjà une possibilité d’accélération en consultant les courbes du réchauffement de surface ou de l’accumulation d’énergie océanique ou autres, mais la faiblesse des indices conduisait jusqu’ici le monde scientifique à une certaine retenue. Je n’ai encore vu personne de crédible lancer l’alarme à propos d’un emballement déjà en cours.

    Mais la vision globale qu’apporte cette étude du DET à l’air de montrer une accélération bien plus franche et incontestable que précédemment. J’ai bien conscience qu’une seule étude ne suffit pas et qu’il faudra affiner l’évaluation de cet indice et de ses incertitudes avant de s’affoler définitivement, mais s’il y a vraiment un début d’emballement du réchauffement depuis 50 ans, autant le savoir le plus tôt possible pour mettre la pression sur les politiques. Si la réalité était aussi grave que mon petit calcul (que j’espère totalement faux), avec 0,04W/m²/an d’accélération actuelle, il serait temps d’abandonner toute pudeur pour les lanceurs d’alerte du GIEC.

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    • Tu as bien vu qu’il y avait différentes estimations du DET, même si globalement elles se situent entre 0,5 et 1 w/m2 ces dernières années. C’est un sujet effectivement compliqué du fait qu’il n’y a pas de mesure directe du DET.
      La quantification du déséquilibre énergétique absolu nécessite un niveau de précision qui n’est pas disponible à partir des mesures directes. Le déséquilibre planétaire au TOA est trop petit pour être mesuré directement à partir des satellites qui observent le rayonnement solaire entrant et réfléchi et le rayonnement thermique émis.
      Bien que la valeur absolue à partir des satellites soit incertaine, leur intérêt est de pouvoir suivre les variations.
      Ils peuvent être utiles donc mais insuffisants.
      Il semble que la meilleure approche consiste à dériver le DET en estimant le taux de changement du stockage d’énergie dans le système climatique. Avec 90% de l’énergie stockée, l’océan apparaît comme la source la plus fiable. Là aussi, il y a des incertitudes en raison des changements de techniques au fil du temps et des différences dans le traitement des données. Argo a permis d’améliorer considérablement la précision des relevés mais la couverture mondiale n’est pas complète.
      Je vois l’étude internationale du GCOS comme un « meilleur effort » pour parvenir à déterminer le DET mais les scientifiques appellent encore à faire des progrès pour plus de précision.
      Cela dit, même si le DET reste au niveau actuel, la hausse de la température globale va se poursuivre. Une accélération en surface pourrait venir du DET dans les scénarios RCP 6.0 à RCP 8.5, mais même sans cela, le rythme du largage de ce qui est stocké dans le pipeline (l’océan) pourrait influer sur le rythme du réchauffement, d’après James Hansen.

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  6. D’accord. Le mieux reste donc d’attendre le prochain rapport du GIEC en 2022 pour voir ce qu’ils déduisent de cette donnée. En espérant que d’ici là, d’autres études viendront affiner l’estimation de ce DET, et surtout de son accélération. Il faudra bien un jour ou l’autre oser parler d’accélération du réchauffement si accélération il y a, même si l’incertitude des données ne permet pas de trancher rigoureusement. Car vu l’enjeu, il vaudrait mieux se tromper par excès de prudence qu’entretenir par pudeur un semblant d’optimisme dans l’attente de certitudes objectives. Enfin, ce n’est que mon avis. En espérant que le début d’emballement entre-aperçu dans ces données ne soit qu’un excès de pessimisme de ma part.

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