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Les nuages : quel rôle jouent-ils dans le climat ?

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Les nuages : quel rôle jouent-ils dans le climat ?

L'étude du climat et de son évolution et le développement des modèles passent par une prise en compte minutieuse des effets radiatifs des nuages. Les instruments spatiaux donnent une occasion unique d’observer la Terre à une échelle globale et de façon continue. Actuellement les séries temporelles dépassent les 30 ans. Ce sont les propriétés des nuages, et plus spécifiquement des cirrus, que restitue et analyse Claudia Stubenrauch, directrice de recherche CNRS au Laboratoire de météorologie dynamique (LMD, CNRS/ENS/École Polytechnique/UPMC). Interview.

 

Claudia Stubenrauch a été éditeur-réviseur (« Review Editor ») pour le chapitre « Nuages et aérosols » du cinquième rapport d'évaluation du Groupe d’experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (Giec).

 

Vu depuis l’espace, 70% de notre planète sont couverts par des nuages.

Claudia Stubenrauch. Les nuages jouent un rôle clé dans les cycles de l’énergie et de l’eau. Environ 40% de la couverture nuageuse sont représentés par des nuages de basse altitude (constitués des gouttelettes d’eau) et 40% par des cirrus (nuages constitués des cristaux de glace). Pendant que les premiers réfléchissent davantage de rayonnement solaire et provoquent essentiellement un refroidissement, les derniers (de faibles épaisseurs optiques et relativement transparents au rayonnement solaire) piègent une partie du rayonnement infrarouge terrestre et contribuent essentiellement au réchauffement de la Terre.

 

Variations régionales de la couverture des nuages hauts (gauche) et des nuages bas (droite) par rapport à la moyenne globale annuelle (en %), statistique d’une climatologie couvrant 2003 à 2009, établie au LMD à partir de l’instrument AIRS à bord du satellite Aqua de la NASA. Ces variations révèlent des systèmes nuageux organisés par des circulations atmosphériques à grande échelle : la zone de convergence intertropicale et les tempêtes océaniques d’hiver aux moyennes latitudes (nuages hauts) ; dans les régions subtropicales, les déserts et les stratocumulus (nuages bas) au-dessus des océans à l’Ouest des continents se trouvent dans les zones des courants descendants de l’air. D. R.

 

Comment peut-on déterminer les propriétés des nuages depuis l’espace ?

C. S. Tout le monde connaît des images satellites de Météosat, montrés par exemple à la prévision Météo. Ce qui nous intéresse, ce sont les propriétés physiques et microphysiques des nuages, comme leur altitude, température, épaisseur optique ou émissivité ou encore la taille effective des cristaux de glace ou de gouttelettes d’eau (déterminant leur effet radiatif) qui les constitutent. Les instruments spatiaux mesurent le rayonnement émis, réfléchi et diffusé par les nuages et la surface, et nous développons des méthodes pour transformer ces mesures en propriétés nuageuses, en utilisant des modèles de transfert radiatif ; ceci dans le but d’établir des climatologies. Celles-ci sont essentielles pour des études sur les processus climatiques et la variabilité du climat.

 

Schéma simplifié du bilan radiatif de la Terre. © US Department of Energy (ARM)

 

Combien de jeux de données climatiques existent-ils pour les propriétés nuageuses ?

C. S. Actuellement il existe une dizaine de climatologies de nuages, établies à partir de différents instruments spatiaux (exploitant différents domaines du spectre électromagnétique, à différentes résolutions spatiales et temporelles). Dans le cadre d’une évaluation coordonnée au niveau international (GEWEX Cloud Assessment), il en résulte une base de données commune pour les études du climat. L’analyse des climatologies réunies dans cette base a mis en évidence les différentes sensibilités des instruments et méthodes de restitution en particulier aux cirrus et aux nuages bas. Malgré ces différentes sensibilités, les cycles saisonniers et les variabilités régionales des propriétés des nuages sont assez bien déterminés pour pouvoir être utilisés pour l'évaluation des modèles de climat. La détection du changement climatique et l'attribution d’un changement aux processus spécifiques, cependant, exige des analyses soigneuses, utilisant la synergie de plusieurs variables de différentes climatologies, d'autant plus que beaucoup de tendances sont petites en comparaison avec leur variabilité à court terme.

 

Quels instruments sont les plus perspicaces pour les propriétés de cirrus ?

C. S. Les sondeurs à infra-rouge (par exemple l’instrument IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer) ont été conçus pour déterminer des profils atmosphériques de température et de vapeur d’eau, mais leur excellente résolution spectrale permet également une restitution des propriétés physiques et microphysiques des cirrus, de jour comme de nuit. La synergie du sondeur AIRS (Atmospheric InfraRed Sounder) avec les deux instruments actifs (lidar CALIPSO et radar CloudSat) de la mission A-Train a permis de coupler l’humidité relative en haute troposphère avec la microphysique des cirrus et leur structure verticale.

   

Comment peut-on utiliser les observations pour évaluer les modèles de climat ?

C. S. Effectivement, la réalisation de prévisions climatiques fiables nécessite d’évaluer les modèles de climat dans leur capacité à simuler à la fois la variabilité naturelle (liée aux saisons, éruptions volcaniques…) et les tendances anthropiques. Une approche est certainement de comparer les variations régionales et saisonnières des certaines paramètres physiques des nuages. Pour ces comparaisons il est important de prendre en compte l’heure d’observation et la vue depuis l’espace ainsi que la sensibilité des l’instruments utilisés. La compréhension et l’évaluation de la représentation des processus, comme par exemple la formation et dissipation des cirrus ou leur effet radiatif, passe par l’étude des relations entre leurs propriétés physiques (ou microphysiques) et les propriétés thermodynamique et dynamique de l’atmosphère.

 

Quelles sont les influences anthropogéniques sur les nuages ?

C. S. L'augmentation considérable du trafic aérien a entraîné des investigations sur l'impact que ce trafic peut avoir sur la formation des cirrus, sur leurs caractéristiques et sur leur persistance. Les traînées de condensation des avions (cirrus en forme de ligne que l’on peut voir sur la photo ci-dessous) se forment quand les gaz de combustion chauds et humides se mélangent à l'atmosphère ambiante froide. Leur persistance dépend de l'humidité et de la température dans la haute troposphère. Une situation favorable pour les traînées de condensation persistantes se produit en Europe environ 5 à 10% du temps. Dans ces situations, une augmentation de la couverture effective de cirrus d’environ 3% par décade (dans les années 90’s) a pu être constatée à partir d’une climatologie des sondeurs infrarouge au LMD ; mais au niveau du globe l’effet climatique est faible.

 

Ciel couvert de traînées de condensation d’avion, un matin au-dessus de Paris en octobre 2004 © Marc Virchaux

 

Les aérosols peuvent aussi influencer les propriétés des nuages, et un changement climatique peut induire des changements dans la circulation atmosphérique et ainsi entraîner des déplacements des systèmes nuageux ainsi que influencer sur leurs propriétés, ce qui peut engendrer ensuite des rétroactions. Pour avancer dans la compréhension de ces phénomènes, une approche couplant observations et modèles, à différentes échelles, est essentielle.

 

Pour en savoir plus :

Laboratoire de météorologie dynamique (LMD, CNRS/ENS/École polytechnique/UPMC)Nouvelle fenêtre

 

À lire dans le dossier « Les sciences du climat à l'UPMC » :

Chimie atmosphérique, alerte à 5.000 mètres !

 

Des poussières dans le ciel. Aérosols : quel impact sur le climat ?

 

À lire dans le dossier « CQFD, les mathématiques à l'UPMC » :

De I comme Icare à A comme avion

 

Liens :

GEWEX Cloud AssessmentNouvelle fenêtre

 

Le groupe Atmospheric Radiation Analysis (ARA)Nouvelle fenêtre

 

Atmosphère-Biosphère-ClimatNouvelle fenêtre



15/05/15