Une étude menée par des scientifiques de l’Imperial College de Londres et de l’Université d’East Anglia, apporte de nouveaux éléments montrant que les changements affectant les nuages ​​​​amplifieront le réchauffement mondial à long terme.

Les données d’observation indiquent que les rétroactions liées aux nuages auront probablement un effet amplificateur sur le réchauffement climatique. Une étude publiée dans Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) par Paulo Ceppi et Peer Nowack, suggère un réchauffement de 3,2°C à des concentrations de CO2 atmosphérique deux fois supérieures au niveau préindustriel. Il est peu probable que le climat se réchauffe de moins de 2°C.

À l’aide de données d’observations et de simulations de modèles climatiques, les auteurs de l’article ont développé une analyse d’apprentissage statistique précisant la réponse des nuages ​​aux changements qui surviennent dans l’environnement.

La plus grande incertitude dans les prévisions de sensibilité climatique est l’influence des nuages ​​et la façon dont ils évolueront à l’avenir. Avec le réchauffement climatique, les nuages devraient connaître des changements et cela modifiera le bilan radiatif mondial. Selon la façon dont les nuages changent, ils pourraient soit amplifier, soit atténuer le réchauffement climatique.

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 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. Dans l’ensemble, les nuages provoquent un forçage net de -20 W m-2 par rapport à une Terre sans nuage. Des changements dans la couverture nuageuse pourraient avoir un impact important sur le climat futur s’ils conduisent à une réduction du forçage négatif.

Le schéma ci-dessous montre l’effet des nuages sur le bilan radiatif de la Terre. Une grande partie de la lumière du soleil (incoming solar shortwave radiation) est réfléchie par les nuages bas (reflected solar radiation) ce qui tend à refroidir l’atmosphère. Les nuages élevés réfléchissent moins d’énergie solaire, mais captent plus d’énergie émise par la surface (outgoing longwave radiation).

Les niveaux de CO2 préindustriels étaient d’environ 280 ppm et les niveaux actuels approchent désormais les 420 ppm. La concentration de CO2 pourrait atteindre le double de la quantité préindustrielle d’ici le milieu du siècle. La hausse de la température globale en réponse au doublement de la concentration de CO2 est ce que l’on appelle la sensibilité climatique. Il s’agit de la température globale au moment où le climat se stabilise.

De nombreux processus influent sur la valeur de la sensibilité climatique, notamment l’impact des nuages, la vapeur d’eau atmosphérique et les modifications de l’albédo de la surface de la Terre lorsque la neige et la glace fondent. Dans les projections des modèles climatiques, la valeur de la sensibilité climatique est très incertaine, et c’est en grande partie lié aux nuages. Cela se traduit par une large fourchette dans les projections.

Inspirés par les idées de la communauté de l’intelligence artificielle, Paulo Ceppi et Peer Nowack ont développé une nouvelle méthode pour quantifier les relations entre les observations des nuages par satellite ​​et les conditions de température, d’humidité et de vent associées. À partir des relations observées, ils ont ensuite été en mesure de mieux déterminer comment les nuages ​​changeront à mesure que la Terre se réchauffera.

Pour les deux scientifiques, il est très probable (plus de 97,5% de probabilité) que les nuages ​​amplifient le réchauffement climatique, à la fois en réfléchissant moins le rayonnement solaire et en renforçant l’effet de serre. Deux changements principaux entrent en jeu : la réduction de la quantité de nuages bas conduisant à moins de réflexion de la lumière du soleil vers l’espace ; l’augmentation de l’altitude des nuages élevés, entraînant un effet de serre plus fort des nuages.

En raison de ces rétroactions, le doublement de la concentration de CO2 devrait conduire à environ 3,2°C de réchauffement. La nouvelle estimation est entièrement basée sur des observations et le Machine Learning, ce qui apporte un degré de confiance élevé dans les résultats, d’après les auteurs de l’étude. Le Machine Learning décrit un ensemble de méthodes statistiques qui permettent aux ordinateurs d’apprendre des relations à partir de données sans y être explicitement programmés. En l’occurence, le Machine Learning a permis d’estimer à partir d’observations satellitaires comment les nuages réagissent au réchauffement, tout en maintenant les autres facteurs environnementaux fixes.

Même si la fourchette des projections de température est relativement large dans les modèles, les estimations centrales de sensibilité climatique (ECS) tirées des simulations CMIP5 (3,2°C) et CMIP6 (3,7°C) ne sont pas si éloignées de la nouvelle étude de Ceppi et Nowack (3,2°C). Les données paléoclimatiques tablent sur une ECS de 3,2°C environ avec une large fourchette, comme pour les modèles, comprise entre 2 et 5,2°C.

Les résultats de Ceppi et Nowack sont cohérents avec d’autres analyses publiées récemment, même si dans le détail certains processus peuvent différer. Parmi ces analyses, on peut citer celle de Sherwood et al. 2020, basée sur de multiples sources, qui table sur une sensibilité de 2,6 à 3,9°C. Une autre de Myers et al. publiée en 2021 dans Nature Climate Change suggère 2,4–3,6°C pour un doublement de la concentration de CO2. Myers et al. estime que la diminution des nuages bas au-dessus des océans aura un effet de réchauffement se soldant par 3°C environ. Avec la nouvelle méthode de Paulo Ceppi et Peer Nowack, l’incertitude semble encore se réduire.

Ces nouveaux résultats renforcent donc la confiance dans les estimations existantes avec l’anticipation d’une sensibilité climatique autour de 3°C lié à un rôle plutôt amplificateur des nuages.

Les auteurs de l’étude comptent maintenant utiliser leur méthode pour mieux comprendre les processus nuageux : par exemple, comment la quantité de nuages et l’altitude changent avec le réchauffement. C’est quelque chose que les modèles climatiques mondiaux peuvent ne pas être en mesure de bien simuler, et où il existe peu de travaux d’observation.