Les événements climatiques extraordinaires de 2022-24

par Javier Vinós (*)

Article publié le 24 mars 2024 sur le site de Judith Curry sous le titre The extraordinary climate events of 2022-24

La période récente (2022 à 2024) a été marquée par trois événements extraordinaires : l’éruption du volcan sous-marin Hunga Tonga, l’année 2023 la plus chaude jamais enregistrée, l’effondrement du vortex polaire après trois événements de réchauffement stratosphérique soudain (SSW). Cette conjonction rare pourrait ne pas se reproduire avant des centaines, voire des milliers d’années.

Janvier 2022 : l’éruption du volcan Hunga Tonga

Jamais auparavant nous avons pu assister à une éruption volcanique sous-marine avec un panache capable d’atteindre la stratosphère et de déposer une si grande quantité de vapeur d’eau. Cet événement extraordinaire s’est produit en janvier 2022 lors de l’entrée en éruption du volcan Hunga Tonga. Les conditions d’un tel événement sont rares : le volcan doit être suffisamment profond pour propulser suffisamment d’eau dans le panache, mais pas trop profond pour l’empêcher d’atteindre la stratosphère. La plupart des volcans sous-marins ne produisent aucun panache, ce qui rend l’éruption du Hunga Tonga d’autant plus remarquable.

Le volcan Hunga Tonga se trouvait à une profondeur de 150 mètres la veille de l’éruption qui a été exceptionnellement puissante, permettant une injection massive de vapeur d’eau dans la stratosphère. C’est l’éruption la plus puissante depuis l’éruption du mont Pinatubo en 1991.

Les volcans sous-marins actifs à une profondeur appropriée sont rares et la probabilité qu’un volcan entre en éruption avec une telle intensité est relativement faible. Il se peut que nous ayons affaire à un événement qui se produit une fois tous les quelques siècles, voire une fois tous les millénaires. Il s’agit en tous cas d’un événement exceptionnellement rare.

Alors que les éruptions les plus puissantes, comme celle du Tambora en 1815, peuvent en effet fortement influencer le climat hémisphérique pendant quelques années, nos observations d’éruptions comme celles d’Agung (1963), d’El Chichón (1982) et de Pinatubo (1991) suggèrent que leurs effets se dissipent au bout de 3 à 4 ans.

L’idée selon laquelle le Petit Âge Glaciaire (PAG) a été provoqué par une activité volcanique accrue est communément admise. Cependant, les données suggèrent le contraire. L’activité volcanique au cours du PAG n’a pas été inhabituellement élevée, mais plutôt inférieure à la moyenne de l’Holocène, même si elle a été exceptionnellement élevée au début du 19ème siècle, vers la fin du PAG. Le principal facteur de forçage climatique au cours du PAG a été une activité solaire exceptionnellement faible.

Les éruptions volcaniques qui pénètrent dans la stratosphère déclenchent d’importants changements radiatifs, chimiques et dynamiques, le soufre jouant un rôle clé. Le dioxyde de soufre volcanique (SO₂) s’oxyde, se combine et s’agrège pour former des aérosols sulfatés. Ces aérosols diffusent le rayonnement entrant à ondes courtes, ce qui entraîne une réduction de l’insolation de la surface dont il résulte un refroidissement de la surface. Ils absorbent également le rayonnement infrarouge entrant et sortant, contribuant ainsi au réchauffement stratosphérique.

L’effet de l’éruption du Hunga Tonga a été très différent. Même s’il y avait du dioxyde de soufre associé à son éruption, son principal impact provient de la vapeur d’eau. La vapeur d’eau est un puissant gaz à effet de serre, donc l’augmentation soudaine de 10 % de la vapeur d’eau stratosphérique en une seule journée a augmenté l’opacité stratosphérique au rayonnement infrarouge sortant. Contrairement à la basse troposphère, où l’effet de serre est relativement saturé, la stratosphère, bien au-dessus de l’altitude moyenne d’émission de la Terre (environ 6 km), subit un effet beaucoup plus prononcé dû à l’ajout de vapeur d’eau. En outre, l’augmentation de la teneur en vapeur d’eau stratosphérique augmente les émissions infrarouges de la stratosphère, la refroidissant ainsi considérablement.

L’éruption volcanique du Hunga Tonga refroidit actuellement la stratosphère tout en réchauffant la surface. Cependant, cet effet diminuera progressivement avec le temps, à mesure que l’excès de vapeur d’eau quittera la stratosphère au cours des 2 à 4 prochaines années. La figure 2 illustre le mouvement de l’eau volcanique depuis les régions tropicales, où entre l’air déshydraté de la troposphère, vers les latitudes moyennes et élevées, où elle quittera progressivement la stratosphère dans les années à venir.

La question qui se pose est la suivante : pourquoi a-t-il fallu plus d’un an pour détecter les effets des changements stratosphériques sur la température de surface après l’explosion ? En règle générale, les effets radiatifs devraient être instantanés une fois que la vapeur d’eau ou les aérosols sulfatés sont placés dans la stratosphère. Cependant, notre compréhension de la manière dont les volcans affectent les conditions météorologiques reste incomplète et les modèles climatiques peinent à reproduire avec précision ces phénomènes.

Le transport au sein de la stratosphère est rapide dans le sens longitudinal, mais très lent selon la latitude et l’altitude, avec des variations saisonnières importantes. En fonction de facteurs tels que la latitude de l’éruption et la période de l’année, les effets d’une éruption volcanique sur les conditions météorologiques peuvent varier considérablement. L’éruption du Tambora constitue un précédent : elle s’est produite en avril 1815, mais ses effets sur le temps, qui ont conduit à « l’année sans été », n’ont été détectés qu’en juin 1816, soit 15 mois après l’éruption. Cet exemple historique souligne la possibilité que des événements survenus plus d’un an après une éruption puissent effectivement lui être attribués.

2023, l’année la plus chaude jamais enregistrée

Les sept derniers mois de l’année 2023 ont marqué la période la plus chaude jamais enregistrée, dépassant largement les records précédents. Un tel événement est tout à fait remarquable, compte tenu de la variabilité considérable des températures observée d’un mois à l’autre. Mais a t-il été si improbable que cela?

En utilisant les données HadCRUT5, nous constatons qu’il y a eu 17 années les plus chaudes depuis 1870. Toute année prise dans HadCRUT5 plus chaude que toutes les années précédentes devient une année record, le record se mesurant comme la différence de température avec l’année record précédente. Par exemple, 2009 a été l’année la plus chaude, mais elle n’a été que de 0,005 °C plus chaude que 2007, l’année record précédente. 2023 a été l’année la plus chaude, avec 0,17 °C de plus que 2016. Il s’agit de la plus grande différence entre une année record et l’année record précédente de toute la série.

La figure 3 montre qu’en 2023, l’augmentation de la température par rapport au précédent record a été la plus importante en 153 ans, à +0,17°C. Ce niveau d’augmentation par rapport aux records précédents est remarquable, même pour une année qui a été mesurée comme la plus chaude jamais enregistrée.

Dans les années les plus chaudes, plusieurs mois ressortent souvent comme les plus chauds (Figure 4, barres bleues). En 2023, il y a eu sept mois de ce type, juste derrière 2016 et à égalité avec 2015. Ces sept mois les plus chauds ont été consécutifs, s’étendant de juin à décembre. Les barres rouges de la figure 4 illustrent le nombre de mois records consécutifs pour chaque année record. La figure montre clairement que les années de l’ensemble de données avec cinq mois consécutifs ou plus les plus chauds coïncident avec des années El Niño très fortes : 1877-78, 1997-98 et 2015-2016.

En 2023, les statistiques de température reflètent des conditions similaires aux années El Niño les plus fortes depuis plus d’un siècle. Mais était-ce vraiment le cas ? Il est difficile de déterminer si El Niño a été le catalyseur du réchauffement record de 2023. S’appuyer uniquement sur la température de surface de l’océan Pacifique comme critère pour El Niño conduirait à un raisonnement circulaire. El Niño est un phénomène complexe impliquant à la fois l’atmosphère et l’océan. L’indice ENSO multivarié ( MEI v2 ) utilise cinq variables – pression au niveau de la mer, température de surface de la mer, vents zonaux de surface, vents méridionaux de surface et rayonnement sortant à ondes longues – pour créer une série chronologique de conditions ENSO de 1979 à nos jours.

Cet indice, calculé en moyenne sur l’ensemble de l’année, montre que parmi toutes les années record depuis 1980, seules 1997-98 et 2015-16 ont été le résultat d’un El Niño très fort. 2023 a en fait été une année El Niño faible, malgré des températures de surface de la mer très élevées.

Nous pouvons conclure que l’année 2023 s’est imposée comme une année de record de chaleur exceptionnellement inhabituelle. Bien qu’elle ait rivalisé avec les années El Niño très fortes en termes de dépassement des précédents records de température, elle n’entrait pas réellement dans cette catégorie. Il est remarquable que malgré l’absence d’un El Niño fort, l’année 2023 a réussi à établir le record de température le plus élevé avec la plus grande marge dans l’ensemble de données couvrant un siècle et demi.

Dans un article intitulé « État du climat – été 2023 », Judith Curry a montré combien l’année 2023 a été inhabituelle en termes de bilan radiatif global au sommet de la haute atmosphère, de composantes du bilan énergétique de surface et de modes internes de variabilité climatique déterminés par les modèles de circulation atmosphérique et océanique.

L’ampleur des anomalies affichées en 2023 sur un large éventail de variables n’a jamais été enregistrée auparavant. Il s’agit d’un événement climatique sans précédent dans nos archives.

Janvier-mars 2024, l’effondrement du vortex polaire

Le vortex polaire est une configuration de vent circulaire qui se développe sur des planètes en rotation dotées d’une atmosphère. Elle résulte de la conservation du tourbillon potentiel, propriété dépendant de la force de Coriolis et du gradient potentiel de température. La température potentielle fait référence à la partie de la température d’une parcelle d’air qui n’est pas affectée par son énergie potentielle et est souvent définie comme la température qu’aurait la parcelle si elle était ramenée à la surface (1 000 hPa).

Dans l’hémisphère Nord, vers la fin de l’été, l’Arctique connaît une forte baisse de température à mesure que les jours raccourcissent. Pour maintenir le tourbillon potentiel, le vent autour des régions polaires s’intensifie dans une direction ouest-est (appelée vent d’ouest). La formation du vortex polaire dans la stratosphère se produit lorsque les vents dominants d’est se transforment en vents d’ouest. Ce changement est évident dans la vitesse zonale du vent, qui passe de négative à positive vers septembre (voir Figure 6). Finalement, le vortex se dissipe vers avril.

Les vents dans le vortex polaire stratosphérique peuvent atteindre 180 km/h (110 mph) et former une formidable barrière au transport de chaleur en provenance des tropiques. En conséquence, l’atmosphère et la surface à l’intérieur du vortex deviennent très froides et sèches, réduisant ainsi la perte d’énergie pour la planète, car les surfaces froides rayonnent moins.

Dans l’atmosphère, comme dans tout fluide, des ondes se produisent, dont les plus grandes sont des ondes planétaires. Ces ondes planétaires proviennent de la troposphère en raison des vastes chaînes de montagnes et des différences de température entre les océans et les terres. Ils sont plus répandus et plus prononcés en hiver dans l’hémisphère nord. Dans des conditions favorables, ces ondes se déplacent rapidement, à la manière des tsunamis, entrant en collision avec les limites du vortex polaire et conférant un élan vers l’est. En conséquence, les vents qui forment le vortex polaire réduisent leur vitesse, l’affaiblissant et permettant à l’air plus chaud d’entrer, poussant l’air froid vers l’extérieur. Cet échange provoque des conditions hivernales plus froides aux latitudes moyennes.

Lorsque les vents ralentissent suffisamment pour inverser leur direction, le vortex polaire se divise en deux ou trois vortex plus petits et déplacés. L’air stratosphérique entrant dans la zone précédemment occupée par le vortex descend, se réchauffant considérablement au cours du processus. Ce phénomène, connu sous le nom d’événement de réchauffement stratosphérique soudain (SSW), peut augmenter les températures dans la stratosphère polaire jusqu’à 40°C en quelques jours. Les SSW sont relativement courants dans l’hémisphère Nord et se produisent généralement environ une fois tous les deux ans. Ils entraînent souvent des conditions hivernales plus rigoureuses dans certaines régions, notamment dans l’est de l’Amérique du Nord et l’est de l’Eurasie, au cours des semaines suivantes.

Les années El Niño favorisent généralement les événements SSW et les effondrements de vortex polaires. Cela pourrait être dû aux contrastes accrus de température des océans pendant El Niño, qui génèrent des ondes planétaires de plus grande amplitude. Parfois, environ une fois tous les 10 à 20 ans, deux événements SSW se produisent au cours du même hiver. Cependant, la période prolongée de cet hiver (novembre à mars) marque la première fois depuis le début des enregistrements dans les années 1950 que trois événements SSW sont observés. La rupture du vortex polaire s’est produite en janvier, février et mars, comme le montre la figure 6 issue de la surveillance SSW de la NOAA . À chaque fois, la ligne rouge représentant la vitesse du vent d’ouest tombait jusqu’à la ligne zéro. À cette période de l’année, il est possible que le vortex polaire stratosphérique ne se reforme pas.

Selon Adam Scaife du Met Office britannique, cet événement n’est pas seulement sans précédent : il pourrait s’agir d’un événement unique tous les 250 ans. Cette découverte provient d’une étude statistique récente des événements SSW menée à l’aide d’un système de prévision saisonnière au sein d’un modèle climatique. Cependant, il est important de noter que les modèles climatiques ont encore du mal à représenter avec précision la stratosphère et ne parviennent pas à reproduire le phénomène observé selon lequel les années La Niña augmentent également la probabilité d’événements SSW.

L’impact des trois événements SSW cet hiver n’est pas particulièrement dramatique. Même si les conditions météorologiques normales peuvent changer, entraînant des températures et des précipitations inhabituelles dans certaines régions, les effets sont temporaires. Cependant, ces événements affectent les températures arctiques et donc la quantité d’énergie qui quitte la planète. L’affaiblissement du vortex polaire, comme le montre la figure 6, entraîne une augmentation du transport de chaleur vers l’Arctique cet hiver, entraînant des températures plus élevées dans la région.

La figure 7 illustre cette tendance, avec une ligne orange représentant les températures arctiques en 2023 selon l’Institut météorologique danois, et une ligne verte représentant les températures de cette année. Étant donné que l’effet de serre est relativement faible pendant l’hiver arctique en raison de la quantité limitée de vapeur d’eau dans l’atmosphère, davantage d’énergie s’échappe de la planète en raison de l’affaiblissement du vortex. Cela sert à atténuer et à réduire le réchauffement inhabituel observé au cours du second semestre 2023, qui a contribué à en faire l’année la plus chaude jamais enregistrée.

Malgré la chaleur supplémentaire transportée vers l’Arctique, entraînant une augmentation des températures, il n’y a pas eu de diminution correspondante de l’étendue de la glace marine arctique. En fait, l’étendue de la glace de mer cet hiver dépasse la moyenne de 2010 à 2020. Il semble que, contrairement aux craintes largement répandues quant à sa disparition, la glace arctique reste résiliente et stable.

À quoi pouvons-nous nous attendre dans un avenir proche ?

L’éruption volcanique du Hunga Tonga est la cause probable du réchauffement extraordinaire, qui à son tour a conduit à la survenue de trois événements SSW sans précédent. Notre compréhension des effets de ces événements conforte cette interprétation.

Les données historiques sur les années les plus chaudes suggèrent une forte probabilité que 2024 batte à nouveau le record de température, à l’instar de ce qui s’est produit en 1877-78, 1980-81, 1997-98 et 2015-16. Cependant, si nous avons correctement identifié une cause majeure du réchauffement comme l’éruption du Hunga Tonga, nous pouvons nous attendre à ce que, lorsque l’excès de vapeur d’eau quitte la stratosphère, il induise un effet de refroidissement à la surface, abaissant potentiellement les températures pour les 3 ou 4 années prochaines. Des études telles que Solomon et al. (2010) ont déjà montré l’impact négatif sur le réchauffement climatique l’assèchement stratosphérique. Nous devrions assister à l’inversion du réchauffement provoqué par le volcan Hunga Tonga.

En outre, d’autres facteurs affectant les températures, tels que le déclin de l’activité solaire après le maximum du cycle solaire 25 et un futur déplacement de l’oscillation multidécennale atlantique vers sa phase froide, pourraient contribuer à une pause importante dans le réchauffement climatique. En utilisant la température de 2023-24 comme point de référence, nous pourrions même assister à un certain refroidissement dans les années à venir. Nous vivons effectivement une période intéressante en termes de dynamique climatique.

(*) Le Dr Javier Vinós est titulaire d’un doctorat (Ph D). Il a fait de nombreuses recherches sur la neurobiologie et le cancer à l’Institut médical Howard Hughes, à l’Université de Californie, au Conseil de la recherche médicale du Royaume-Uni et au Conseil espagnol de la recherche scientifique. En 2015, les inquiétudes suscitées par les effets du changement climatique l’ont amené à étudier les sciences du climat. Depuis lors, après avoir consulté des milliers d’articles scientifiques, analysé des séries de données portant sur des dizaines de variables climatiques et étudié des centaines de proxies climatiques, il est devenu un expert du changement climatique naturel.