Deux travaux récents montrent que la signature solaire sur le climat est anormalement élevée si l’on prend comme seul critère les variations de son rayonnement (irradiance totale) ramenées au sommet de l’atmosphère, comme le fait le GIEC dans ses bilans radiatifs. Ces recherches ne sont pas isolées : depuis quelques années, plusieurs travaux ont suggéré que les modèles sous-estiment systématiquement l’influence solaire (quand ils la prennent en compte) et que l’irradiance totale n’est sans doute pas la seule grandeur pertinente pour comprendre l’évolution de notre climat. Plus que jamais, on peut douter de la robustesse et de la vraisemblance des conclusions actuelles des modèles. Après trente ans d’un carbocentrisme ne produisant plus grand chose d’autre que des fourchettes impossibles à réduire, la recherche climatique va-t-elle enfin se pencher plus sérieusement sur d’autres pistes ? Il serait temps. Encore faudrait-il que les crédits alloués à cette recherche soient de nouveau consacrés à une compréhension plus fondamentale du fonctionnement du climat, ce qui n’est guère le cas en France…
Charles D. Camp et Ka Tit Tung (Département des mathématiques appliquées de l’Université de Washington) ont recherché la signature des cycles solaires dans les données du climat. Rappelons que l’activité électromagnétique de notre étoile n’est pas régulière (on parlait voici encore une ou deux décennies à tort de la « constante » solaire), mais connaît des cycles quasi-périodiques de 11 ans passant dans cette période d’un maximum à un minimum d’activité. L’irradiance totale mesurée par satellite depuis 1978 varie d’environ 0,07 % au sein d’un cycle de 11 ans, soit environ 0,9 W/m2. Rapportés à la Terre (en tenant compte de sa sphéricité et de l’albédo), les cycles solaires représentent donc des variations de forçage d’environ 0,2 W/m2 au sommet de l’atmosphère.
Camp et Tung ont recherché l’influence de ces variations cycliques en prenant les réanalyses NCEP-NCAR de la température de surface entre 1959 et 2004. Comme ils le remarquent, « le signal du cycle solaire est déjà apparent dans les données brutes », avec une corrélation de 0,47 significative à 98,4 % de confiance. Une régression à la moyenne des deux séries donne un signal de 0,18 K (+/- 0,1) par W/m2 de variation d’irradiance. Les deux chercheurs ont ensuite filtré les données pour obtenir des moyennes composites de température correspondant aux phases de maxima et de minima solaires. La corrélation est plus forte (0,64) et le signal identique (0,18 K).
Concernant la signature spatiale, l’influence solaire est amplifiée an Antarctique et surtout en Arctique (schéma ci-dessus, en haut à gauche répartition par latitude). Elle est globalement plus forte dans l’Hémisphère Nord. On retrouve donc les caractéristiques du réchauffement moderne, ce qui n’est évidemment pas de nature à simplifier les détections-attributions de ce réchauffement. Le point intéressant est que les modèles de circulation générale GCM incluant la physique solaire (la moitié environ des modèles GIEC, les autres l’ignorent) donnent un signal solaire de cycle à cycle d’environ 0,10 K, soit 50-70 % seulement de la valeur identifiée par Camp et Tung.
Nicola Scafetta et Bruce J. West, dont nous avons déjà évoqué les travaux ici (entretien avec N. Scafetta), se sont également penchés sur la signature solaire dans le climat récent, mais avec une tout autre méthode. Les chercheurs ont développé un modèle phénoménologique thermodynamique pour retrouver l’influence solaire sur le climat depuis 400 ans. Ils ont pris deux reconstructions de température : l’une (Mann 2003) montre une faible variation en dehors du XXe siècle (c’est un succédané de la fameuse « crosse de hockey »), l’autre (Moberg 2005) restitue au contraire des amplitudes plus marquées aux XVIIe, XVIIIe et XIXe siècles. Scafetta et West ont également utilisé deux reconstructions séculaires de l’irradiance solaire totale, celles de Lean 2000 et de Wang 2005, la première donnant une hausse d’irradiance plus prononcée.
Quel est le résultat de ce travail ? La meilleure corrélation est obtenue avec les courbes montrant une forte variation des températures (Moberg 2005) et une faible variation d’irradiance solaire (Wang 2005), comme le montre le schéma ci-dessus. Le schéma rappelle au passage deux phénomènes bien connus des lecteurs de ce site (mais bien peu rappelés dans la littérature du GIEC ou ses comptes-rendus médiatiques), à savoir que l’activité solaire du XXe siècle est forte et qu’elle est plus forte dans la seconde moitié de ce siècle, les cycles 21, 22 et 23 (années 1980-2000) étant les plus actifs des 400 ans. Il en résulte selon le modèle de Scafetta et West que le soleil pourrait être responsable d’environ 50 % (au moins) du réchauffement observé depuis 1900. Cette valeur est un peu plus élevée si l’on prend pour l’activité solaire récente la base ACRIM de Willson et al. plutôt que la base PMOD de Fröhlich et al. (Rappel : ces deux bases composites extraient le signal d’irradiance mesuré par satellite depuis 1978 ; mais elles diffèrent à la suite d’un « trou » dans les données et de méthodes divergentes pour le combler ; la base PMOD ne trouve pas de hausse d’irradiance depuis 1980, la base ACRIM trouve un léger surcroît d’activité entre les cycles 21-22 et 22-23). Par ailleurs, les chercheurs ont utilisé leur modèle pour analyser le temps de relaxation de signal solaire (c’est-à-dire le délai du climat pour intégrer une variation d’irradiance et revenir à l’équilibre). Celui-ci s’établit entre 6 et 12 ans selon la reconstruction choisie.
Le point notable de ces deux travaux est que des variations faibles du soleil semblent avoir un effet prononcé sur le climat. La reconstruction de Wang 2005 donne par exemple un forçage solaire 1750-2000 d’environ 0,12 W/m2 seulement (contre 1,6 W/m2 pour le CO2 à titre d’exemple). Or, dans la physique actuelle des modèles, un tel déséquilibre radiatif au sommet de l’atmosphère n’est pas susceptible de donner la réponse observée sur les températures soit au sein des cycles (Camp et Tung), soit à travers les siècles (Scafetta et West). Bref, il manque un ou plusieurs mécanismes physiques dans la modélisation climatique. Lesquels ?
Plusieurs pistes sont suggérées dans un excellent ouvrage de synthèse dirigé par Y. Calisessi, R.M. Bonnet, L. Gray, J. Langen et M. Lockwood, consacré aux liens entre variabilité solaire et climats planétaires. Il s’agit de la reprise d’un numéro spécial des Space Science Reviews paru en 2006 (125, 1-4). Le premier axe de recherche concerne l’influence de l’irradiance spectrale, et non pas totale : on sait en effet que l’essentiel des variations de rayonnement solaire se tient dans les spectres UV et XUV, et non pas dans le visible ou l’infra-rouge. Ces variations spectrales sont suceptibles d’influencer le climat à travers la chimie de l’ozone et de la vapeur d’eau, le couplage de la stratosphère et de la troposphère, les ondes planétaires (dites de Rossby) et les vortex polaires. Un second axe de recherche concerne l’influence du flux solaire total (corrélé à l’irradiance) sur le rayonnement cosmique et la formation des nuages à différentes latitudes (pour une introduction au sujet, voire notre entretien avec H. Svensmark http://www.climat-sceptique.com/article-5654147.html). Ces domaines sont en cours d’exploration, et aucun n’est pour le moment inclu dans les modèles climatiques utilisés pour simuler le XXe siècle ou projeter le XXIe siècle. Comme nous l’avons signalé plus haut, la moitié des GCM utilisés par le GIEC n’intègre même pas de variabilité solaire : c’est-à-dire que les courbes présentées au grand public n’ont pas grand chose à voir avec le climat réel de notre planète…
Que peut-on en conclure ?
- La courbe des températures modernes montre depuis le XVIIe siècle une bonne corrélation avec les variations d’irradiance solaire.
- Les variations d’irradiance totale semblant assez faibles au sein d’un cycle ou entre les cycles, mais leur signature est pourtant clairement lisible sur les climatologies. Il est probable que l’influence solaire sur le climat échappe au calcul choisi par le GIEC et ses modèles (bilan radiatif global intégré au sommet de la troposphère).
- Outre les effets directs de l’irradiance globale (et de sa répartition spatiale), le soleil influe probablement le climat par des effets indirects, notamment le rayonnement UV (couplage troposphère-stratosphère et ondes planétaires) et la modification des flux de rayonnement cosmique.
- La meilleure conjecture pour expliquer les observations semble une sensibilité climatique forte au soleil (mais pas nécessairement au CO2, qui n’intervient pas sur les mêmes longueurs d’onde) et une inertie thermique relativement faible des océans (donc une réponse rapide du climat).
- Tant que le niveau de compréhension scientifique du lien soleil-climat sera « faible » (selon l’AR4 2007 du GIEC) et tant que les modèles climatiques n’incluront pas une physique complète de l’influence solaire, aucune conclusion « robuste » ou « vraisemblable » ne peut être tirée sur les causes du réchauffement moderne (depuis 1750), du réchauffement récent (depuis 1950) et sur la pente de ce réchauffement pour le siècle à venir.
- Cela devrait bien sûr être rapporté aux citoyens et aux décideurs sous une forme claire : « Nos modèles ne savent pas encore reproduire de manière satisfaisante l’influence slaire sur le climat ». Qu’un constat aussi simple soit aujourd’hui aussi difficile à formuler et à entendre indique assez combien de pressions non scientifiques pèsent sur la recherche climatique.
Références
Calisesi, Y., Bonnet, R.-M., Gray, L., Langen, J., Lockwood, M. (ed.) (2007), Solar Variability and Planetary Climates, Space Sciences Series ISSI, 23, Springer.
Camp,. C. D., K. K. Tung (2007), Surface warming by the solar cycle. as revealed by the composite mean difference projection, Geophys. Res. Lett., 34, L14703, doi: 10.1029/2007GL030207
Scafetta N., B.J. West (2007), Phenomenological reconstructions of the solar signature in the Northern Hemisphere surface temperature records since 1600, J. Geophys. Res., 112, DS4S03, doi:10.1029/2007JD008437.
Charles D. Camp et Ka Tit Tung (Département des mathématiques appliquées de l’Université de Washington) ont recherché la signature des cycles solaires dans les données du climat. Rappelons que l’activité électromagnétique de notre étoile n’est pas régulière (on parlait voici encore une ou deux décennies à tort de la « constante » solaire), mais connaît des cycles quasi-périodiques de 11 ans passant dans cette période d’un maximum à un minimum d’activité. L’irradiance totale mesurée par satellite depuis 1978 varie d’environ 0,07 % au sein d’un cycle de 11 ans, soit environ 0,9 W/m2. Rapportés à la Terre (en tenant compte de sa sphéricité et de l’albédo), les cycles solaires représentent donc des variations de forçage d’environ 0,2 W/m2 au sommet de l’atmosphère.
Camp et Tung ont recherché l’influence de ces variations cycliques en prenant les réanalyses NCEP-NCAR de la température de surface entre 1959 et 2004. Comme ils le remarquent, « le signal du cycle solaire est déjà apparent dans les données brutes », avec une corrélation de 0,47 significative à 98,4 % de confiance. Une régression à la moyenne des deux séries donne un signal de 0,18 K (+/- 0,1) par W/m2 de variation d’irradiance. Les deux chercheurs ont ensuite filtré les données pour obtenir des moyennes composites de température correspondant aux phases de maxima et de minima solaires. La corrélation est plus forte (0,64) et le signal identique (0,18 K).
Concernant la signature spatiale, l’influence solaire est amplifiée an Antarctique et surtout en Arctique (schéma ci-dessus, en haut à gauche répartition par latitude). Elle est globalement plus forte dans l’Hémisphère Nord. On retrouve donc les caractéristiques du réchauffement moderne, ce qui n’est évidemment pas de nature à simplifier les détections-attributions de ce réchauffement. Le point intéressant est que les modèles de circulation générale GCM incluant la physique solaire (la moitié environ des modèles GIEC, les autres l’ignorent) donnent un signal solaire de cycle à cycle d’environ 0,10 K, soit 50-70 % seulement de la valeur identifiée par Camp et Tung.
Nicola Scafetta et Bruce J. West, dont nous avons déjà évoqué les travaux ici (entretien avec N. Scafetta), se sont également penchés sur la signature solaire dans le climat récent, mais avec une tout autre méthode. Les chercheurs ont développé un modèle phénoménologique thermodynamique pour retrouver l’influence solaire sur le climat depuis 400 ans. Ils ont pris deux reconstructions de température : l’une (Mann 2003) montre une faible variation en dehors du XXe siècle (c’est un succédané de la fameuse « crosse de hockey »), l’autre (Moberg 2005) restitue au contraire des amplitudes plus marquées aux XVIIe, XVIIIe et XIXe siècles. Scafetta et West ont également utilisé deux reconstructions séculaires de l’irradiance solaire totale, celles de Lean 2000 et de Wang 2005, la première donnant une hausse d’irradiance plus prononcée.
Quel est le résultat de ce travail ? La meilleure corrélation est obtenue avec les courbes montrant une forte variation des températures (Moberg 2005) et une faible variation d’irradiance solaire (Wang 2005), comme le montre le schéma ci-dessus. Le schéma rappelle au passage deux phénomènes bien connus des lecteurs de ce site (mais bien peu rappelés dans la littérature du GIEC ou ses comptes-rendus médiatiques), à savoir que l’activité solaire du XXe siècle est forte et qu’elle est plus forte dans la seconde moitié de ce siècle, les cycles 21, 22 et 23 (années 1980-2000) étant les plus actifs des 400 ans. Il en résulte selon le modèle de Scafetta et West que le soleil pourrait être responsable d’environ 50 % (au moins) du réchauffement observé depuis 1900. Cette valeur est un peu plus élevée si l’on prend pour l’activité solaire récente la base ACRIM de Willson et al. plutôt que la base PMOD de Fröhlich et al. (Rappel : ces deux bases composites extraient le signal d’irradiance mesuré par satellite depuis 1978 ; mais elles diffèrent à la suite d’un « trou » dans les données et de méthodes divergentes pour le combler ; la base PMOD ne trouve pas de hausse d’irradiance depuis 1980, la base ACRIM trouve un léger surcroît d’activité entre les cycles 21-22 et 22-23). Par ailleurs, les chercheurs ont utilisé leur modèle pour analyser le temps de relaxation de signal solaire (c’est-à-dire le délai du climat pour intégrer une variation d’irradiance et revenir à l’équilibre). Celui-ci s’établit entre 6 et 12 ans selon la reconstruction choisie.
Le point notable de ces deux travaux est que des variations faibles du soleil semblent avoir un effet prononcé sur le climat. La reconstruction de Wang 2005 donne par exemple un forçage solaire 1750-2000 d’environ 0,12 W/m2 seulement (contre 1,6 W/m2 pour le CO2 à titre d’exemple). Or, dans la physique actuelle des modèles, un tel déséquilibre radiatif au sommet de l’atmosphère n’est pas susceptible de donner la réponse observée sur les températures soit au sein des cycles (Camp et Tung), soit à travers les siècles (Scafetta et West). Bref, il manque un ou plusieurs mécanismes physiques dans la modélisation climatique. Lesquels ?
Plusieurs pistes sont suggérées dans un excellent ouvrage de synthèse dirigé par Y. Calisessi, R.M. Bonnet, L. Gray, J. Langen et M. Lockwood, consacré aux liens entre variabilité solaire et climats planétaires. Il s’agit de la reprise d’un numéro spécial des Space Science Reviews paru en 2006 (125, 1-4). Le premier axe de recherche concerne l’influence de l’irradiance spectrale, et non pas totale : on sait en effet que l’essentiel des variations de rayonnement solaire se tient dans les spectres UV et XUV, et non pas dans le visible ou l’infra-rouge. Ces variations spectrales sont suceptibles d’influencer le climat à travers la chimie de l’ozone et de la vapeur d’eau, le couplage de la stratosphère et de la troposphère, les ondes planétaires (dites de Rossby) et les vortex polaires. Un second axe de recherche concerne l’influence du flux solaire total (corrélé à l’irradiance) sur le rayonnement cosmique et la formation des nuages à différentes latitudes (pour une introduction au sujet, voire notre entretien avec H. Svensmark http://www.climat-sceptique.com/article-5654147.html). Ces domaines sont en cours d’exploration, et aucun n’est pour le moment inclu dans les modèles climatiques utilisés pour simuler le XXe siècle ou projeter le XXIe siècle. Comme nous l’avons signalé plus haut, la moitié des GCM utilisés par le GIEC n’intègre même pas de variabilité solaire : c’est-à-dire que les courbes présentées au grand public n’ont pas grand chose à voir avec le climat réel de notre planète…
Que peut-on en conclure ?
- La courbe des températures modernes montre depuis le XVIIe siècle une bonne corrélation avec les variations d’irradiance solaire.
- Les variations d’irradiance totale semblant assez faibles au sein d’un cycle ou entre les cycles, mais leur signature est pourtant clairement lisible sur les climatologies. Il est probable que l’influence solaire sur le climat échappe au calcul choisi par le GIEC et ses modèles (bilan radiatif global intégré au sommet de la troposphère).
- Outre les effets directs de l’irradiance globale (et de sa répartition spatiale), le soleil influe probablement le climat par des effets indirects, notamment le rayonnement UV (couplage troposphère-stratosphère et ondes planétaires) et la modification des flux de rayonnement cosmique.
- La meilleure conjecture pour expliquer les observations semble une sensibilité climatique forte au soleil (mais pas nécessairement au CO2, qui n’intervient pas sur les mêmes longueurs d’onde) et une inertie thermique relativement faible des océans (donc une réponse rapide du climat).
- Tant que le niveau de compréhension scientifique du lien soleil-climat sera « faible » (selon l’AR4 2007 du GIEC) et tant que les modèles climatiques n’incluront pas une physique complète de l’influence solaire, aucune conclusion « robuste » ou « vraisemblable » ne peut être tirée sur les causes du réchauffement moderne (depuis 1750), du réchauffement récent (depuis 1950) et sur la pente de ce réchauffement pour le siècle à venir.
- Cela devrait bien sûr être rapporté aux citoyens et aux décideurs sous une forme claire : « Nos modèles ne savent pas encore reproduire de manière satisfaisante l’influence slaire sur le climat ». Qu’un constat aussi simple soit aujourd’hui aussi difficile à formuler et à entendre indique assez combien de pressions non scientifiques pèsent sur la recherche climatique.
Références
Calisesi, Y., Bonnet, R.-M., Gray, L., Langen, J., Lockwood, M. (ed.) (2007), Solar Variability and Planetary Climates, Space Sciences Series ISSI, 23, Springer.
Camp,. C. D., K. K. Tung (2007), Surface warming by the solar cycle. as revealed by the composite mean difference projection, Geophys. Res. Lett., 34, L14703, doi: 10.1029/2007GL030207
Scafetta N., B.J. West (2007), Phenomenological reconstructions of the solar signature in the Northern Hemisphere surface temperature records since 1600, J. Geophys. Res., 112, DS4S03, doi:10.1029/2007JD008437.
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