Une nouvelle analyse basée sur des observations par satellite se penche sur l’évolution des nuages de bas niveau. C’est un point clé car la rétroaction des nuages varie considérablement selon les modèles et c’est le principal facteur modulant l’amplitude du réchauffement en réponse au CO2. L’étude confirme que la diminution des nuages bas au-dessus des océans entraînera un réchauffement supplémentaire. L’impact pourrait cependant être légèrement moins important que ne le suggèrent d’autres études récentes.

Les nuages ​​bas marins refroidissent fortement la planète. La réponse de cet effet de refroidissement au changement climatique est une des principales sources d’incertitude en matière de sensibilité climatique. Une étude publiée dans Nature Climate Change se penche sur les données d’observation pour déterminer leur influence sur la température globale.

L’impact des nuages sur le bilan radiatif est considérable. Les différents types de nuages n’ont pas le même effet sur le climat. Les plus bas ont une influence largement refroidissante car ils réfléchissent en partie la lumière du soleil vers l’espace. Les nuages élevés et minces composés de cristaux de glace sont plus ou moins transparents à la lumière du soleil, mais absorbent le rayonnement infrarouge sortant, réémettant une petite fraction et réchauffant ainsi la planète.

L’analyse publiée dans Nature Climate Change permet de réduire une incertitude de longue date relative à l’évolution des nuages maritimes de basse altitude dans un contexte d’élévation des températures. Ces nuages, tels que les ​​stratocumulus, sont répandus au-dessus des océans et refroidissent fortement la planète. La nouvelle étude révèle que, dans l’ensemble, cet effet de refroidissement sera légèrement réduit à mesure que la concentration de dioxyde de carbone dans l’atmosphère augmentera. Le réchauffement provoqué initialement par l’augmentation du CO2 recevra donc une impulsion supplémentaire de la réduction des nuages bas.

Les auteurs de l’étude ont analysé les observations ​​par satellite pour déterminer comment les nuages ​​bas marins réagissent aux variations naturelles des conditions météorologiques à grande échelle. Les chercheurs ont ensuite utilisé des simulations de modèles climatiques pour déterminer comment ces conditions météorologiques changeront à mesure que la concentration de CO2 atmosphérique augmentera. En utilisant cette méthode, ils ont pu calculer comment les nuages ​​répondront à cet environnement météorologique modifié. La méthode a été testée avec succès sur la vague de chaleur marine observée dans le nord-est de l’océan Pacifique en 2015.

Les nuages ​​bas couvrent environ 25% de la surface de la Terre. Au fur et à mesure que ces nuages ​​sont advectés sur des eaux plus chaudes par les alizés, ils se transforment en cumulus peu profonds dispersés et leur effet radiatif refroidissant ​​s’affaiblit considérablement. Entre les différents modèles climatiques mondiaux, de grandes différences dans la simulation de cette rétroaction des nuages ​​bas contribuent à des estimations très variables de la sensibilité climatique, définie comme l’élévation de la température en réponse à un doublement de la concentration de CO2.

La nouvelle étude utilise une série d’observations satellitaires pour évaluer les contributions des changements de couverture nuageuse et de profondeur optique à l’échelle globale. Leurs résultats mettent en évidence certaines lacunes clés des modèles climatiques mondiaux, qui produisent des réponses très variables des nuages ​​bas marins au réchauffement, en grande partie parce qu’ils ne peuvent pas simuler directement les processus physiques à petite échelle.

Des rétroactions positives des nuages ​​bas de latitude moyenne et des stratocumulus de l’océan oriental devraient résulter du réchauffement climatique. Les cumulus d’alizés devraient en revanche rester presque inchangés. Au final, la sensibilité climatique devrait être « modérée », de l’ordre de 3°C environ. 

Malgré une meilleure simulation de la rétroaction des nuages ​​de latitude moyenne par plusieurs modèles climatiques de nouvelle génération, les rétroactions des cumulus d’alizés trop positives produisent des sensibilités climatiques irréalistes, d’après les auteurs de l’étude.

La rétroaction moyenne des nuages ​​bas marins simulés les modèles CMIP5 (dernier rapport du GIEC) et CMIP6 (prochain rapport) montre des similitudes avec la rétroaction contrainte par les observations, mais aussi des différences notables. Les moyennes d’ensemble et les estimations d’observation présentent une rétroaction positive dans les régions de stratocumulus au large des côtes ouest des continents et dans les latitudes moyennes du Pacifique Nord. Les deux ensembles ont également tendance à simuler une rétroaction plus faible dans les régions de cumulus d’alizés que dans les zones de stratocumulus de l’océan oriental, comme les observations. Mais la différence est très atténuée par rapport aux observations. Les modèles CMIP5 produisent une bande de rétroaction nuageuse négative sur les océans du sud à moyenne latitude. Cette caractéristique est largement absente dans les estimations d’observation et encore moins apparente dans les modèles dernière génération CMIP6. Concernant les caractéristiques spatiales des rétroactions, les modèles CMIP6 sont plus fidèles aux observations que leurs prédécesseurs. Les modèles CMIP6 correspondent maintenant raisonnablement aux observations aux latitudes moyennes, mais ont toujours des problèmes aux basses latitudes.

Les rétroactions des stratocumulus et des nuages bas des latitudes moyennes sont positives dans toutes les estimations dérivées des observations. Cela résulte de rétroactions positives à peu près égales provenant de réductions séparées de la quantité de nuages ​​et de la profondeur optique. La rétroaction de profondeur optique des modèles CMIP5 aux latitudes moyennes semble irréaliste, probablement parce qu’elles simulent trop peu d’eau liquide de nuage surfondue. Ce biais est corrigé dans les modèles CMIP6.

Dans les observations, les rétroactions dans les régions de cumulus d’alizés et d’ascension tropicale sont proches de zéro. Dans les modèles CMIP5 et CMIP6, les rétroactions dans les régions de cumulus d’alizés et d’ascension tropicale ont tendance à être positives, même si elles restent légèrement plus faibles que celles des stratocumulus.

Dans les modèles CMIP6, la rétroaction quasi globale est plus élevée qu’avec CMIP5. Ceci est dû à l’émergence d’une rétroaction positive en latitude moyenne qui n’était pas présente dans CMIP5. Il apparaît également que les rétroactions des cumulus d’alizés contribuent trop fortement à la moyenne globale dans les deux générations de modèles, alors que les rétroactions des stratocumulus y contribuent trop faiblement.

Au final, l’analyse tirée des observations indique que la rétroaction des nuages ​​bas marins est très probablement positive. Qu’est-ce que ces résultats impliquent sur la sensibilité du climat de la Terre à l’augmentation du CO2 ? La nouvelle étude table sur une sensibilité climatique à 2,4–3,6°C pour un doublement de la concentration de CO2. Une étude récente de Sherwood et al. basée sur de multiples sources tablait sur une sensibilité de 2,6 à 3,9°C. Pour la dernière génération de modèles (CMIP6), la plage de sensibilité climatique à l’équilibre se situe entre 1,8°C et 5,6°C ; pour les modèles CMIP5, la fourchette va  de 2,1 à 4,7°C.

Le risque d’un sensibilité climatique très importante (supérieure à 5°C) apparaît comme peu probable, passant de 3,1% dans l’étude de Sherwood et al. à 1,2% dans celle de Nature Climate Change. L’élévation future de la température globale apparaît donc plus circonscrite, d’après ce nouvel article, qui ne sera sans doute pas le dernier sur le sujet. D’autant que des incertitudes demeurent pour des niveaux très élevés de gaz à effet de serre. Selon une étude parue dans Nature Geoscience le 25 février 2019, des concentrations de C02 extrêmes risqueraient de conduire à un point de basculement qui verrait les stratocumulus maritimes devenir instables et même disparaitre. Mais il faudrait pour cela une concentration de C02 au-dessus de 1200 ppm (contre ~415 ppm aujourd’hui), susceptible de provoquer une élévation de 8°C en plus du réchauffement lié au CO2. Il s’agirait alors d’un effet de seuil avec des rétroactions non linéaires qui deviennent importantes à très forte concentration de CO2.