Les couches de l’atmosphère terrestre sont représentées dans une vue de la surface de la Terre depuis la Station spatiale internationale. Crédit : NASA
De nouvelles recherches menées par des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory révèlent que les activités humaines modifient indéniablement la structure thermique de l’atmosphère terrestre. En étendant l' »empreinte » climatique à la stratosphère moyenne et supérieure, l’équipe a amélioré la détection des effets de l’homme sur le climat par un facteur de cinq. Les schémas distincts des changements de température induits par le CO2 dans ces zones soulignent l’impossibilité d’expliquer ces changements par des causes naturelles.
De nouvelles recherches montrent qu’il est désormais pratiquement impossible d’expliquer par des causes naturelles les changements de la structure thermique de l’atmosphère terrestre mesurés par satellite.
L’analyse menée par les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et leurs collègues démontre pour la première fois que l’extension des techniques de « fingerprinting » – utilisées pour identifier les effets de l’homme sur le climat – à la stratosphère moyenne et supérieure (25-50 kilomètres au-dessus de la surface de la Terre) améliore la détection des effets de l’homme sur le climat par un facteur de cinq.
« L’inclusion de la stratosphère moyenne et supérieure dans l’empreinte verticale fournit des preuves évidentes des effets de l’homme sur la structure thermique de l’atmosphère terrestre », a déclaré Stephen Po-Chedley, climatologue au LLNL et co-auteur d’un article publié dans les Proceedings of the National Academy of Sciences (comptes rendus de l’Académie nationale des sciences).
Les différences entre les tendances des températures de la troposphère (couche inférieure de l’atmosphère) et de la stratosphère inférieure sont reconnues depuis longtemps comme une « empreinte digitale » des effets de l’homme sur le climat. Toutefois, cette empreinte néglige les informations provenant de la stratosphère moyenne et supérieure, selon le co-auteur Karl Taylor, également du LLNL.
« L’extension de l’empreinte à la haute stratosphère et la comparaison des résultats améliorés des modèles climatiques avec les mesures de température observées, couvrant maintenant 37 ans, signifient qu’il est désormais virtuellement impossible que des causes naturelles expliquent les tendances mesurées par satellite dans la structure complète de l’atmosphère terrestre », a déclaré Taylor.
Le bruit dans la troposphère peut inclure les conditions météorologiques quotidiennes, la variabilité interannuelle résultant des phénomènes El Niño et La Niña et les fluctuations naturelles à plus long terme du climat. Dans la haute stratosphère, le bruit de la variabilité est plus faible et le signal du changement climatique d’origine humaine est plus important, de sorte que le signal peut être distingué beaucoup plus facilement.
La détectabilité est due à la structure et à l’ampleur distinctes du changement de température stratosphérique dû aux émissions de CO2. Le refroidissement stratosphérique induit par l’homme est important et augmente avec l’altitude. En revanche, les variations naturelles de la température stratosphérique sont plus faibles et produisent un schéma de refroidissement différent.
En 1967, Syukuro Manabe et Richard Wetherald ont quantifié les effets du CO2 sur la température à l’aide de simulations réalisées avec un modèle climatique radiatif convectif simple. Leurs recherches ont abouti à un réchauffement de la troposphère et à un refroidissement de la stratosphère, le refroidissement étant censé s’amplifier à mesure que l’on s’élève au-dessus de la tropopause. Le profil vertical de la température prédit par Manabe et Wetherald a ensuite été confirmé par des modèles plus complexes et des observations.
Mais les premières études basées sur des modèles et cherchant à discerner une empreinte humaine dans les données de température atmosphérique des ballons météorologiques et des satellites ont négligé la stratosphère moyenne et supérieure, où le signal de température de l’augmentation du CO2 devrait être considérablement plus important que dans la troposphère ou la stratosphère inférieure.
« Dans le cadre de la recherche d’un signal de CO2 d’origine humaine, la couche moyenne à supérieure de la stratosphère présente l’avantage supplémentaire d’être moins affectée que les couches atmosphériques inférieures par la pollution particulaire et par les modifications de l’ozone stratosphérique causées par l’homme », a déclaré M. Po-Chedley.
Ces nouveaux travaux s’appuient sur des études antérieures d’empreintes digitales qui s’appuyaient uniquement sur les données du Microwave Sounding Unit (MSU) pour estimer les profils latitude-hauteur des changements de température atmosphérique. Dans cette nouvelle étude, l’équipe a comparé les tendances de la température atmosphérique observées dans les ensembles de données satellitaires améliorées à celles obtenues dans les simulations de modèles plus récents de la période historique. Ces simulations ont permis d’estimer le « signal » attendu de l’influence humaine sur le climat.
L’équipe a également utilisé un ensemble de simulations de contrôle préindustrielles sans changement d’une année sur l’autre des facteurs externes humains ou naturels. Les séries de contrôle fournissent des estimations multi-modèles du « bruit » résultant des variations naturelles internes du climat. Les changements de température atmosphérique observés par satellite étaient cohérents avec les changements d’origine humaine et produisaient un rapport signal/bruit élevé.
Référence : « Exceptional stratospheric contribution to human fingerprints on atmospheric temperature » par Benjamin D. Santer, Stephen Po-Chedley, Lilong Zhao, Cheng-Zhi Zou, Qiang Fu, Susan Solomon, David W. J. Thompson, Carl Mears et Karl E. Taylor, 8 mai 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2300758120
Parmi les coauteurs de l’article figurent également des chercheurs de l’université de Californie à Los Angeles (UCLA), de l’université de Nanjing, de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), de l’université de Washington, du Massachusetts Institute of Technology (MIT), de l’université d’État du Colorado, de l’université d’East Anglia et de Remote Sensing Systems.
La partie du travail du LLNL est financée par le Département de l’énergie, Office of Science, Regional and Global Model Analysis Program (Programme d’analyse des modèles régionaux et mondiaux). L’article a été dirigé par Ben Santer, ancien scientifique du LLNL, qui travaille actuellement à la Woods Hole Oceanographic Institution et à l’UCLA.