Andy May
Initialement publié le 6 avril en anglais par CLINTEL sous le titre TOA EEI versus Surface Net Flux
Le climatologue Andy May analyse la relation entre le déséquilibre énergétique au sommet de l’atmosphère et le flux net de surface, remettant en question les interprétations courantes en climatologie.
Fasullo et Trenberth (2008) ont établi un bilan énergétique annuel complet, basé sur des observations, pour le système climatique terrestre. Ce bilan est décomposé en quatre régions : le sommet de l’atmosphère (TOA), l’atmosphère, les terres émergées et les océans. Les auteurs combinent des mesures de rayonnement satellitaire, des réanalyses météorologiques, un modèle de surface terrestre indépendant et plusieurs produits de température océanique. Au-dessus des océans, ils déterminent le flux net de surface comme résidu des bilans TOA et atmosphérique et le comparent au contenu thermique océanique et à son évolution, calculés indépendamment.
Leur logique est la suivante :
- Le déséquilibre TOA est mesuré à l’aide de données de rayonnement satellitaire, après réglage.
- Le stockage atmosphérique et le transfert de chaleur sont estimés à l’aide de modèles de réanalyse météorologique.
- Le flux d’énergie net à la surface de l’océan (rayonnement + évaporation + sensible) est estimé comme la différence entre la variation du contenu thermique total de l’atmosphère + le transport atmosphérique de chaleur moins le flux radiatif net au sommet de l’atmosphère.
- Le contenu thermique global des océans et son évolution sont définis comme le flux d’énergie net en surface, intégré sur l’ensemble de l’océan.
Ainsi, si l’on suppose que le stockage atmosphérique et terrestre est faible, sur la période étudiée, le déséquilibre global au sommet de l’atmosphère (TOA) est considéré comme égal à l’absorption globale de chaleur (ou d’énergie thermique) par les océans. Tous les diagrammes énergétiques, comme celui de la NASA présenté figure 1, reposent sur cette même hypothèse. Comme le montre la figure 1, plus de 60 % de l’énergie thermique quittant la surface terrestre se présente sous forme de chaleur latente (évaporation) et de conduction de chaleur sensible, tandis que toute l’énergie quittant le TOA se présente sous forme de rayonnement. Fasullo et Trenberth supposent que ces autres formes de transfert d’énergie sont à l’équilibre (ou presque) et ne font que déplacer la chaleur, étant déjà prises en compte à l’échelle globale sur leur période d’étude. S’il est vrai que les mouvements d’énergie en surface sont en équilibre sur certaines périodes, cela n’est pas vrai sur toutes les périodes en raison de la tendance naturelle à réorganiser le stockage local de chaleur, argument que je présente ici.
Pour justifier l’hypothèse simplificatrice selon laquelle les variations d’énergie thermique du contenu thermique océanique (CTO) sont égales au flux de rayonnement net au sommet de l’atmosphère (TOA), les auteurs insistent sur le principe de conservation de l’énergie dans la colonne atmosphérique et démontrent que le stockage d’énergie thermique atmosphérique et terrestre est faible. Cependant, la comparaison des estimations du CTO issues de mesures océaniques sur une année moyenne avec le rayonnement entrant et sortant mesuré par satellite révèle des différences substantielles. Les variations globales de la température océanique impliquent un cycle annuel du contenu thermique océanique nettement plus important que celui que peuvent expliquer les variations du rayonnement au TOA ou du rayonnement de surface mesurés par satellite. Autrement dit, les océans stockent et libèrent de l’énergie selon leur propre échelle de temps, indépendamment du TOA. Les données de Fasullo et Trenberth ne couvrent que les années 1985-1989 (ERBE) et 2000-2004 (CERES), et il est important de noter que ces dix années sont bien plus courtes que les oscillations océaniques naturelles de l’AMO ou de l’PDO.
L’oscillation décennale du Pacifique (PDO)
L’oscillation multidécennale atlantique (AMO) dure de 60 à 70 ans, d’un creux à l’autre, tandis que l’oscillation décennale du Pacifique (PDO) dure de 20 à 30 ans. Ces oscillations comportent chacune une période « chaude » durant laquelle les océans respectifs expulsent l’excès de chaleur stockée et une période « froide » durant laquelle ils stockent la chaleur atmosphérique. Ce phénomène s’explique par le déplacement de la chaleur le long de la colonne océanique.
Fasullo et Trenberth, ainsi que des études ultérieures (Johnson et al., 2016 ; Loeb et al., 2009 ; Loeb et al., 2018), calculent divers déséquilibres énergétiques terrestres (DET) compris entre 0,5 et 1,0 W/m² . Cela correspond à une puissance thermique de 0,2 à 0,4 PW, soit 7 à 14 × 10²² joules en termes de contenu thermique océanique (CTO) .
L’amplitude observée des variations du contenu thermique de l’océan de surface dues à l’oscillation décennale du Pacifique (ODP) est de 5 à 15 × 10²² joules sur une décennie, et certaines analyses montrent des variations de 20 × 10²² joules lors de fortes perturbations comme celles de 1976-1977 et de 1998-2013 (Meehl et al., 2011 ; England et al., 2014). La figure 4 de l’étude d’England et al. (2014) montre que l’intensification des alizés du Pacifique a entraîné une absorption de chaleur océanique supplémentaire d’environ 8 × 10²² J dans la couche superficielle (0–700 m) entre 1992 et 2011, dont environ 5 à 6 × 10²² J dans le Pacifique et environ 1 à 2 × 10²² J dans l’océan Indien. La figure 2 illustre la baisse de l’oscillation décennale du Pacifique (PDO) au cours de cette période.
Une phase négative de l’oscillation décennale du Pacifique (PDO) est associée à un refroidissement de la surface et à une absorption de chaleur plus importante par les océans en profondeur. Cette phase engendre des alizés plus forts qui transportent la chaleur au-delà de 125 mètres et provoquent un refroidissement de la surface. Selon England, il s’agit d’une redistribution de la chaleur et non d’un ralentissement de l’absorption de chaleur par la planète.
England et al. (2014) montrent que l’intensification des alizés du Pacifique durant la phase négative de l’oscillation décennale du Pacifique (PDO) a entraîné une perte de −3,8 × 10²² J dans les 125 premiers mètres de l’océan Indo-Pacifique, tout en augmentant simultanément le contenu thermique des eaux de subsurface de +5,0 × 10²² J. Cette redistribution verticale a produit un gain net de seulement 1,2 × 10²² J, illustrant ainsi que la variabilité décennale de la PDO peut générer d’importantes variations du contenu thermique des eaux de surface. Cependant, seule la couche superficielle de l’océan émet un rayonnement infrarouge, s’évapore et conduit la chaleur vers l’atmosphère. Si l’énergie thermique est redistribuée plus profondément dans la colonne océanique, elle ne contribue pas au réchauffement de l’atmosphère et n’est pas détectée par les satellites. De plus, les mesures de température océanique utilisées pour calculer le contenu thermique des océans sont fortement dépendantes de la profondeur à laquelle les relevés sont effectués.
Oscillation atlantique multidécennale (AMO)
Robson et al. ont calculé la dérivée temporelle du contenu thermique océanique suite à un changement brutal de l’AMO au milieu des années 1990, qui s’élève à plus de 1 x 10²² J /an. La phase ascendante de l’AMO s’étend d’environ 1975 à environ 1998 (voir figure 3), soit une période de 23 ans ; la variation totale pourrait donc atteindre 23 x 10²² joules . Chen et Tung ont constaté que les variations de température et de contenu thermique de surface dans l’Atlantique et l’océan Austral sont plus importantes que dans le Pacifique. Ils ont également démontré que la réorganisation majeure du contenu thermique océanique (CTO) au milieu des années 1990 était globale et a contribué à la pause dans le réchauffement observée entre 1998 et environ 2014. Les anomalies de température de surface de la mer (TSM) dans la région de l’AMO, après élimination de la tendance linéaire, sont présentées dans la figure 3.
Déséquilibre énergétique terrestre (EEI)
L’estimation de Loeb et al. (2018) du déséquilibre énergétique terrestre au sommet de l’atmosphère (TOA) est de 0,71 W/m² . Exprimée en contenu thermique océanique (OHC), cette valeur est d’environ 8,9 × 10²² joules. Loeb et al. supposent que l’OHC peut servir à déterminer une valeur absolue du déséquilibre énergétique terrestre au sommet de l’atmosphère (TOA EEI), à l’instar de Fasullo, Trenberth et d’autres chercheurs, afin de calibrer leurs mesures satellitaires du rayonnement entrant et sortant. Cependant, le contenu thermique de l’océan de surface est influencé par davantage de facteurs que le TOA EEI, notamment sur le long terme (plus de 10 ans). Le TOA EEI ne représente que le flux de rayonnement entrant et sortant ; le flux à la surface de l’océan dépend également de l’évaporation, de la vitesse et de la direction du vent. Ces derniers facteurs se manifestent par les principales oscillations climatiques , en particulier l’AMO et la PDO. Le tableau 1 compare l’impact des oscillations climatiques AMO et PDO à la valeur de TOA EEI de 0,71 W/ m² supposée par Loeb et al . Ce qui dépend des données OHC, de sa « valeur in situ » (Johnson et al., 2016) :
« Un ajustement unique des flux TOA à ondes courtes (SW) et à ondes longues (LW) est effectué pour garantir que le flux TOA net moyen global pour juillet 2005-juin 2015 soit cohérent avec la valeur in situ de 0,71 W m⁻² (Loeb et al., 2018). »
| Événement | Changement OHC (J) | Durée | Équivalent W/m² | Source |
|---|---|---|---|---|
| EEI (Loeb 2018) | 8,9 x 10 22 J | 11 ans | 0,71 W/m² | Loeb (2018) |
| AOP (Angleterre 2014) | 8 x 10 22 J (anomalie 0–700 m) | 20 ans | ~0,32 W/m² | Angleterre et al. (2014) |
| AMO (Robson 2012) | 10-20 x 10 22 J | 10-15 ans | ~0,5–1,0 W/m² | Robson et al. (2012) |
Tableau 1. Comparaison des valeurs d’EEI (Indice d’
Émission de Flux Équivalent) déterminées par Loeb et al. à partir du contenu thermique océanique (OHC) et de ses variations dues à l’AMO et à la PDO. Le tableau 1 compare l’EEI supposé par Loeb et al. au flux net équivalent à la surface de l’océan, dû aux variations extrêmes de l’AMO et de la PDO au cours des dernières décennies. La période de mesure de Loeb s’étend approximativement de 2005 à 2015 et il a utilisé diverses mesures, mais sa principale source pour la valeur de 0,71 W/m² était la variation de l’OHC (Johnson et al., 2016). Durant cette période, l’AMO était en hausse (voir l’AMO non corrigée de la tendance dans la figure 2 de May et Crok, 2024) et la PDO en baisse (figure 2). Ces oscillations peuvent avoir un impact sur l’OHC des eaux peu profondes aussi important, voire plus important, que l’effet de serre anthropique sur l’EEI, tel qu’estimé dans le 6e rapport d’évaluation du GIEC (2021, p. 925) et (Li et al., 2024). Ses calculs pourraient ne pas refléter un effet de serre anthropique, mais simplement l’oscillation naturelle nette de la surface océanique globale. Avec les données actuelles, la période d’observation est trop courte.
Les contributions de l’oscillation décennale du Pacifique (PDO) et de l’oscillation antarctique moléculaire (AMO) à la variation de la teneur en chaleur des océans (OHC) présentées dans le tableau 1 correspondent à des redistributions d’énergie, et non à un gain ou une perte d’énergie planétaire, comme l’indice d’efficacité énergétique au sommet de l’atmosphère (TOA EEI). Le problème est que ces oscillations océaniques, ainsi que d’autres, faussent les calculs de l’indice d’efficacité énergétique ajusté à l’OHC et rendent inexacts les calculs présentés dans la figure 1 et dans les autres sources mentionnées précédemment.
La méthodologie de Loeb et al.
Comme l’expliquent Norman Loeb et ses collègues (Loeb et al., 2009), le rayonnement net global moyen au sommet de l’atmosphère (TOA) est défini comme la différence entre l’énergie absorbée et l’énergie émise par la planète. Si la planète est à l’équilibre, le rayonnement net global au TOA est nul. Cependant, la Terre n’est jamais à l’équilibre, comme en témoignent les grandes oscillations océaniques à long terme telles qu’ENSO, l’AMO, l’PDO , etc. Les océans terrestres possèdent une capacité thermique considérable et leur contenu énergétique thermique varie, en particulier celui de la couche supérieure, sur des périodes pluridécennales.
Le rayonnement net global au TOA devrait être en phase avec le stockage de chaleur océanique global et d’une ampleur similaire. Toutefois, le contenu thermique océanique (CTO) réagit aux variations du déséquilibre énergétique à la surface de l’océan et pas nécessairement à celui du TOA. La surface de l’océan est séparée du TOA par l’atmosphère et sa troposphère convective épaisse.
Les flux au TOA et à la surface de l’océan ne sont pas égaux et ne sont que partiellement liés. Tous les flux d’énergie thermique au sommet de l’atmosphère (TOA) sont dus au rayonnement, et sur la figure 1, seulement 36 % du transfert de chaleur en surface s’effectue par rayonnement. Les mécanismes de transfert de chaleur diffèrent, et l’atmosphère possède une capacité thermique, contrairement à l’espace. Malgré cela, Loeb et la NASA supposent que le déséquilibre énergétique en surface est identique à celui au TOA sur de très courtes périodes.
La conservation de l’énergie exige que, sur des périodes suffisamment longues, où la variabilité interne est négligeable, les flux d’énergie en surface soient approximativement égaux à ceux au TOA. Je ne conteste pas ce point, mais je souligne simplement que, compte tenu des périodes de l’AMO et de la PDO, la période considérée dans ces études récentes est trop courte : 20 ans de données sont insuffisants.
Données CERES
Loeb et al. (2018) indiquent que, sans ajustement des données CERES relatives aux ondes courtes (OC) et aux ondes longues (OL), le déséquilibre net au sommet de l’atmosphère (TOA) est d’environ 4,3 W/m² , une valeur bien supérieure à celle attendue et probablement impossible. Il s’agit d’un problème d’étalonnage connu et non d’une mesure du véritable déséquilibre radiatif au TOA. Ils expliquent ensuite que, pour éviter ce problème, ils ajustent les flux OC et OL dans leurs marges d’incertitude afin de contraindre les mesures satellitaires à refléter le déséquilibre calculé à partir du contenu thermique de l’océan. Comme mentionné précédemment, dans la version 4 de CERES EBAF (« Energy Balanced and Filled »), les valeurs moyennes annuelles globales sont ajustées de sorte que le flux net moyen au TOA entre juillet 2005 et juin 2015 soit de 0,71 ± 0,10 W/m² , valeur issue de Johnson et al. (2016) et qui représente une mise à jour de la valeur précédente de 0,58 W/ m² .
Nous avons utilisé les données CERES EBAF pour cartographier l’évolution du rayonnement net au sommet de l’atmosphère (TOA) de 2001 à 2024 à l’échelle mondiale (figure 4). La majeure partie de la carte présente des valeurs proches de zéro (jaune clair), mais certaines zones, notamment dans le Pacifique et au-dessus des continents, affichent une tendance négative, indiquant un rayonnement sortant supérieur au rayonnement entrant. Tout le transfert d’énergie au TOA s’effectue par rayonnement ; aucune énergie n’est stockée ni transférée par d’autres mécanismes.
La figure 5 présente la carte des tendances du rayonnement net de surface (SW + LW) de l’EBAF pour les mêmes années. Bien que ces données soient corrigées en supposant que le déséquilibre énergétique terrestre à la surface de l’océan est identique à celui au sommet de l’atmosphère (TOA), les tendances observées diffèrent. Ce résultat est attendu, car l’atmosphère intervient de plusieurs manières, comme illustré sur la figure 1. Elle absorbe ou réfléchit (154,1 W/m², soit 45 %) du rayonnement solaire incident et refroidit la surface par évaporation (chaleur latente, 86,4 W/m² , soit 36 %) et en absorbant une partie de la chaleur de surface par conduction (18,4 W/m², soit 8 %). Seuls 58 W/m² environ des émissions infrarouges de surface sont envoyés dans l’espace, le reste étant recyclé par l’atmosphère . En raison de toutes ces interférences atmosphériques, ainsi que des variations du stockage de chaleur, les zones de refroidissement et de réchauffement diffèrent, et la surface présente un réchauffement plus important qu’au sommet de l’atmosphère.
La figure 6 représente les moyennes corrigées en latitude de l’EEI au sommet de l’atmosphère (TOA) et du rayonnement net de surface (SW + LW) sur la période 2001-2024, à partir des données CERES EBAF, après conversion des valeurs de flux de rayonnement net en anomalies. Cette conversion est nécessaire car l’amplitude des flux de rayonnement bruts diffère sous l’effet de l’atmosphère.
Conclusions
Utiliser les variations du contenu thermique de l’océan de surface pour calibrer l’EEI au sommet de l’atmosphère (TOA) mesuré par satellite est une bonne idée, mais malheureusement, le contenu thermique de l’océan dépend de bien plus de facteurs que la simple différence entre le rayonnement entrant et le rayonnement sortant. Le contenu thermique de l’océan de surface est fortement influencé par la variabilité interne multidécennale, et comme les flux absolus de CERES sont ajustés au contenu thermique de l’océan, les estimations actuelles de l’EEI peuvent refléter un mélange de forçage et de variabilité interne. Des enregistrements de contenu thermique de l’océan plus longs et plus stables sont nécessaires avant que l’EEI puisse être utilisé comme un indicateur fiable du forçage anthropique.
Cela n’élimine pas la possibilité d’un déséquilibre à long terme d’origine humaine, mais rend sa détection très difficile, voire impossible, sur de courtes périodes. Nous devons mieux comprendre les oscillations océaniques ou attendre de disposer de suffisamment de données pour rendre compte de leurs fluctuations dans le stockage d’énergie thermique.
Nous disposons de données fiables pour ce calcul depuis environ 2005, mais les cycles océaniques qui affectent le calcul de l’EEI ne sont pas liés aux émissions de gaz à effet de serre ni à d’autres facteurs anthropiques potentiels du changement climatique, car les oscillations sont antérieures à toute influence anthropique possible (Gray et al., 2004). Par conséquent, il est prématuré d’attribuer une quelconque part de l’EEI au forçage anthropique. Des ensembles de données OHC plus longs et plus stables sont nécessaires pour distinguer clairement le forçage anthropique de la variabilité inter-cycles.
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