Le rôle du Soleil
La question :
Certains scientifiques expliquent que l'évolution des températures depuis un siècle est due aux variations de l'activité solaire et pas à l'augmentation de l'effet de serre. Qu'en est-il exactement ?
Les réponses :
- Celle de Marie-Lise Chanin , chercheur émérite au Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations spatiales, correspondante de l'Académie des sciences.
- Celle de Philippe Keckhut , chercheur au Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations spatiales,directeur adjoint de l'IPSL
Les climatologues ne nient absolument pas que le soleil ait une influence sur le climat. Comment en serait-il autrement ? Le soleil étant la source d’énergie responsable de la vie sur notre planète, l’activité solaire est reconnue par tous comme un des paramètres majeurs affectant l’atmosphère et le climat. On sait aussi que le flux solaire est variable à toutes les longueurs d’onde et à toutes les échelles de temps et que ceci a eu des influences sur le climat dans le passé : L’exemple du « petit âge glaciaire » correspondant à une période de fort minimum d’activité solaire est le plus connu. La reconstitution dans les siècles passés du flux solaire arrivant à la surface du globe et influençant la température de surface a fait l’objet récemment de nombreux travaux utilisant différents traceurs de l’activité solaire, et la compilation des plus récentes reconstitutions indique que depuis 1700, (fin du petit age glaciaire), l’amplitude de la variation de ce que l’on appelle l’irradiance solaire totale a été comprise entre 0 17 et 0.65 W/m2, ce qui représente une variation très lente sur 3 siècles.
En fait jusqu’à récemment il avait été considéré que l’irradiance solaire totale était constante ; c’est ce que l’on appelait la « constante solaire ». Ce n’est que depuis 1979 que l’on dispose de mesures précises faites à partir de l’espace et que le flux solaire et surtout sa variation ont été mesurés avec beaucoup de précision : on a alors découvert qu’elle n’était pas constante et que sa variation cyclique sur la période de 11 ans correspondait à 0.08% de l’intensité solaire totale moyenne (0.2 W/m2). De plus on a constaté qu’au cours de cette période de 30 ans, le flux solaire moyen était quant à lui resté constant.
Ceci indique que la variation de 0.2 W/m2 correspondant au cycle de 11 ans ne peut que moduler la température de surface et non affecter la tendance de croissance observée sur les derniers siècles et surtout sur les dernières décennies. Or l’influence de l’augmentation des gaz à effet de serre depuis 1980 se chiffre à 0 .2 W/m2/décennie soit à 0.6 W/m2 sur 30 ans à comparer avec la modulation de 0.2 W/m2 sur 11 ans. On ne peut donc pas attribuer au soleil l’augmentation des températures observée depuis 3 décennies.
Par ailleurs, de nombreuses corrélations (plus ou moins significatives) entre des paramètres atmosphériques ou des paramètres de surface et l’activité solaire ont été obtenues au cours des dernières décennies, pas toutes d’ailleurs avec la rigueur statistique qui convaincrait, mais le problème est surtout que corrélation ne veut pas dire causalité.
Le problème principal est que l’on n’a pas encore identifié de façon certaine le mécanisme par lequel le changement d’activité solaire a un impact sur la température de surface et donc on ne sait pas le modéliser. Le changement de 0.08 % de l’irradiance solaire totale au cours des récents cycles de 11 ans est insuffisant d’un ordre de grandeur pour expliquer de façon purement radiative les effets observés. A l’heure actuelle, deux autres mécanismes sont à l’étude. Ils pourraient d’ailleurs exister simultanément.
Le premier mécanisme fait intervenir l’influence des rayons cosmiques sur l’ionisation et la formation de noyaux de condensation dans la troposphère. Le flux des rayons cosmiques varie en opposition de phase avec l’activité solaire et cette variabilité contribuerait à des changements dans la nébulosité. Ceci n’a pas encore été démontré et malheureusement les travaux danois peu scrupuleux (Svensmark surtout) ont contribué à décrédibiliser cette idée, mais des scientifiques plus sérieux continuent à l’étudier et surtout cette hypothèse va faire l’objet de l’expérience CLOUD au CERN.
Le second mécanisme met en jeu l’absorption du flux solaire UV par l’ozone stratosphérique. Le flux solaire varie dans des proportions beaucoup plus importantes dans l’UV que dans le domaine visible : environ 4% vers 300 nm dans les bandes d’absorption de l’ozone au cours du cycle de 11 ans ; la concentration d’ozone est affectée par l’UV, ce qui entraîne un changement du gradient de température entre le pôle et l’équateur et donc un changement de la circulation vers 20 km d’altitude. Dans ce domaine d’altitude, cette variation est bien documentée et affecte l’ozone et la température, mais ne relèverait pas du climat si ce changement de circulation stratosphérique ne se répercutait dans la circulation troposphérique. Joanna Haigh, de l’Imperial College, a eu l’idée de la pénétration de cette perturbation dans la troposphère et elle a démontré que les cellules de Hadley étaient modifiées par ce phénomène stratosphérique. Ce mécanisme, qui fait appel à la dynamique, explique très bien toutes les observations faites dans la stratosphère et au-dessus, comme je l’ai moi-même montré, mais pour pouvoir démontrer son rôle dans la troposphère, il faut tester le mécanisme dans les modèles climatiques. Il faut pour cela ajouter à ces modèles déjà complexes une stratosphère ayant une bonne représentation de la chimie de l’ozone et un rayonnement UV solaire avec une bonne résolution spectrale, ce qui nécessite des performances informatiques accrues et l’augmentation des temps de calcul. Plusieurs modèles (GCMs) sont en train d’inclure la prise en compte de ce mécanisme dans leur programme de travail, dont d’ailleurs en France celui de l’IPSL grâce au modèle LMDz. Les premiers résultats reproduisent très bien les effets solaires dans la stratosphère, mais les résultats dans la troposphère ne sont pas encore disponibles. Il est à noter que si ce mécanisme est prouvé, les réponses à la variabilité solaire seront très inhomogènes d’un point à l’autre et les régions affectées risquent même de se déplacer au cours du temps, puisqu’elles dépendront de la circulation, donc de la position des régions cycloniques et anticycloniques, ce qui expliquerait que la détection de ces signaux soit difficile.
Le Soleil constitue la principale source d’énergie pour la Terre. Mais notre étoile est très stable et la modulation de 0,1% de l’irradiance solaire au cours du cycle de onze ans correspond à une énergie trop faible pour expliquer une importante augmentation de la température globale.
Par contre, l’équilibre radiatif, même faiblement perturbé, pourrait conduire à une large redistribution de l’énergie à la surface de la Terre et donc induire localement des modulations importantes de la température comme le suggèrent certaines études. Les fluctuations du rayonnement solaire se concentrent dans le domaine spectral de l’ultraviolet et coïncident avec les longueurs d’onde qui modifient la concentration de l’ozone stratosphérique et l’énergie absorbée dans la stratosphère et la mésosphère par les molécules d’ozone et d’oxygène.
Les observations sur plusieurs décennies dans la stratosphère et la mésosphère montrent un refroidissement continu en partie expliqué par l’augmentation des gaz à effet de serre sur lequel se superpose une modulation très claire due aux fluctuations d’activité solaire, notamment l’hiver au-dessus des régions de hautes latitudes. Aux tropiques, où l’insolation est la plus forte, cette modulation photochimique est faible (1-2 K), mais des signaux présentant de plus grandes amplitudes et variables en fonction des mois de l’année, apparaissent.
En fait, l’hiver, lorsque l’activité ondulatoire est importante, la circulation atmosphérique dans la stratosphère est largement modifiée, soit en modulant l’intensité et l’étendue du vortex polaire, soit en modifiant l’occurrence et la fréquence d’apparition dans l’hémisphère nord des perturbations importantes du vortex qui conduisent parfois à sa disparition provisoire (quelques jours), connus sous le nom d’Echauffements Stratosphériques Soudains. Les modifications photochimiques tropicales causées par la photodissociation de l’ozone et l’absorption du rayonnement mentionné ci-dessus (effet direct), même faibles, modifient la propagation des ondes et l’effet moyen des ondes sur l’écoulement qui, de fait, diffèrent selon les conditions d’activité solaire et conduisent à des différences importantes de température que l’on attribue donc aux fluctuations solaires. Ces perturbations, induites sur la dynamique, n’ont pas une symétrie zonale et induisent des modifications non-uniformes horizontalement, du champ de température.
Si les processus dynamiques qui se produisent dans la stratosphère pouvaient influer la température au niveau du sol, ils permettraient d’expliquer certaines des signatures observées localement par certaines stations de mesure et corrélées avec les variations d’activité solaire. Compte-tenu de la symétrie non-zonale de la réponse de la stratosphère dans l’hémisphère nord, il est envisageable de penser que l’effet au sol qui en découlerait ne soit pas zonal également. Jusqu’à présent, les mécanismes de couplages n’ont pas été clairement identifiés, bien que des premières analyses le suggèrent et que les modèles qui incluent la stratosphère améliorent les prévisions météorologiques. Pour le démontrer, il est nécessaire de disposer de modèles numériques complexes, actuellement en cours de développement, incluant l’ensemble des processus physico-chimiques et radiatifs du sol à la mésosphère (80 km), incluant l’océan.
Lorsque le soleil est resté calme pendant une longue période au 17ème siècle, l’Europe a connu des hivers très rigoureux que l’on associe à ce changement d’activité solaire plus long que d’habitude. Tous ces résultats sont donc assez cohérents. On voit que des mécanismes d’amplification locale sont possibles, mais que des études sont encore nécessaires pour mieux comprendre les mécanismes mis en jeu. Cependant, compte tenu de la faible amplitude de la modulation de l’énergie solaire associée aux cycles de 11 ans, un réchauffement global est peu probable.