L’empreinte de l’activité humaine sur la troposphère et la stratosphère

L’atmosphère est une fine pellicule entourant la Terre. Son épaisseur est difficile à définir mais on considère que 80 % de sa masse est contenue dans la troposphère, qui s’étend jusqu’à 15 à 18 km d’altitude à l’équateur et jusqu’à 6 à 8 km d’altitude aux pôles. La température y décroît avec l’altitude, jusqu’à – 80 °C à l’équateur et – 55 °C aux pôles. La tropopause est la limite supérieure de la troposphère. Au-dessus, la stratosphère s’étend jusqu’à 50 km d’altitude. La température remonte jusqu’à 0 °C. À plus de 30 km et aux longueurs d’onde inférieures à 240 nanomètres, le rayonnement ultraviolet du Soleil dissocie les molécules de dioxygène. Les atomes d’oxygène ainsi libérés peuvent s’associer à des molécules d’O₂ pour former de l’ozone O₃. Celles-ci sont à leur tour dissociées par les ultraviolets, aux longueurs d’onde comprises entre 240 et 320 nanomètres. C’est ainsi que l’ozone stratosphérique protège la vie sur Terre des ultraviolets, par sa création et sa destruction. Ces réactions libèrent également de la chaleur, grâce à laquelle la stratosphère est moins froide que le sommet de la troposphère.

En masse, l’atmosphère est composée à 76,47 % d’azote, de 19,61 % d’oxygène, de 1,96 % d’argon, de 1,04 % de gaz à effet de serre (les GES) et de 0,91 % d’autres gaz. Grâce à l’effet de serre radiatif, les GES relèvent la température moyenne globale de 33 °C. Sans eux, elle serait de – 18 °C, si bien que les océans seraient recouverts d’une carapace de glace. Toujours en masse, ils sont constitués à 54 % de vapeur d’eau, à 40 % de dioxyde de carbone, à 2 % de méthane, à 2 % de protoxyde d’azote et à 2 % d’ozone et de CFC (chiffres de 2007). L’activité humaine fait augmenter la masse de ces gaz, avec des conséquences bien connues : le réchauffement climatique actuel et la destruction de l’ozone troposphérique par les CFC, dont la production est maintenant interdite.

La composition de l’air sec (sans vapeur d’eau) est uniforme jusqu’à environ 100 km d’altitude, soit dans toute la troposphère et toute la stratosphère. En revanche, le contenu de l’air en vapeur d’eau varie beaucoup. Il est limité par la pression de vapeur saturante. Si la pression partielle de vapeur d’eau la dépasse, elle se condense. Elle diminue quand la température diminue, jusqu’à s’annuler pour une température de – 40 °C. De l’air aussi froid ne peut donc pas contenir de vapeur d’eau. L’humidité relative de l’air est le rapport de la pression partielle de vapeur d’eau qu’il contient à la pression de vapeur saturante dans les mêmes conditions de température et de pression. Elle est égale à 100 % pour un air saturé. De ceci, il résulte que l’air est d’autant plus sec que son altitude est élevée, si bien que la troposphère contient presque toute la vapeur d’eau. Dans la stratosphère, le CO₂ et l’ozone sont quasiment les seuls GES.

L’effet de serre radiatif en quelques mots

Pour comprendre ce qu’est l’effet de serre radiatif, on peut regarder les spectres infrarouges enregistrés par des satellites comme Nimbus 4. Il a été actif du 9 avril 1970 au 31 janvier 1971. Il était équipé d’un spectromètre infrarouge appelé IRIS, fonctionnant à des nombres d’onde compris entre 400 et 1 600 cm^–1. Le nombre d’onde d’un rayonnement est l’inverse de sa longueur d’onde. Cela correspond donc à une gamme de longueurs d’onde allant de 6,25 à 25 µm (micromètres), dans l’infrarouge thermique (de 3,5 à 100 µm). Chaque corps suffisamment chauffé émet du rayonnement infrarouge. Dans l’idéal, son intensité ne dépend que de la température du corps. La répartition de son intensité en fonction de la longueur (ou du nombre) d’onde est décrite par la loi de Planck. Elle sera appelée ici le spectre du rayonnement.

Les trois spectres ci-dessus ont été enregistrés par Nimbus 4 au-dessus du Sahara, de la Méditerranée et de l’Antarctique. La loi de Planck a été tracée en pointillé pour certaines températures, exprimées en kelvins. On les convertit en degrés Celsius en retranchant 273,15. Dans un intervalle de longueur d’onde compris entre 8 et 14 µm (714-1250 cm^–1), les infrarouges émis par le sol peuvent s’échapper dans l’espace : c’est la fenêtre atmosphérique. En regardant les nombres d’onde allant de 800 à 1 000 cm^–1, on voit qu’il faisait à peu près 325 K, soit 52 °C au Sahara. C’était la température au sol. En revanche, la bande autour de 15 µm (668 cm^–1) correspond à la température très largement inférieure de 220 K, soit – 53 °C. Dans un spectre, on peut identifier des raies ou des bandes d’absorption des différentes espèces chimiques : c’est tout l’intérêt de la spectroscopie. La bande autour de 15 µm est due au CO₂. Les infrarouges y sont absorbés, puis réémis, puis réabsorbés, est ainsi de suite, jusqu’à l’altitude où le CO₂ est suffisamment raréfié pour qu’ils puissent s’échapper dans l’espace. Mais à cette altitude d’émission, il fait froid. Le flux d’énergie est donc faible et le spectre présente un « creux » très profond.

Noter cependant le pic à exactement 15 µm. Le rayonnement de cette longueur d’onde provient de la stratosphère.

Les autres GES laissent tous leurs marques sur le spectre. Un deuxième « creux » autour de 9,6 µm est dû à l’ozone stratosphérique. Il fait moins froid dans cette région qu’au sommet de la troposphère car la formation de l’ozone dégage de la chaleur. La vapeur se manifeste de manière plus diffuse dans le spectre. Avec toutes les « entailles » qui sont faites dans le spectre, le rayonnement sortant (qui parvient à s’échapper dans l’espace) est moins intense que celui émis par la surface de la Terre. La différence est, par définition, l’effet de serre radiatif. C’est une quantité qui s’exprime en W/m² (watts par mètre carré) : une puissance par unité de surface. Évidemment, l’effet de serre varie dans le temps et à la surface de la Terre. Dans une partie de l’Antarctique, autour du pôle Sud, il est même négatif durant une grande partie de l’année. Comme la surface est plus froide que la stratosphère, le CO₂ fait une « bosse » et non pas un « creux » dans le spectre du rayonnement sortant. Puisque la Terre rayonne plus d’énergie au sommet de son atmosphère qu’à sa surface, l’effet de serre est refroidissant ! Mais globalement, il est réchauffant.

Si l’on ajoute du CO₂ dans l’atmosphère, son altitude d’émission augmente. Au centre de la bande à 15 µm, cela ne fait pas varier la température d’émission. En revanche, sur la périphérie de cette bande, l’émission se fait dans la troposphère, à des altitudes où la température décroît avec l’altitude. L’augmentation de l’altitude d’émission fait par conséquent baisser la température d’émission, d’où un élargissement du « creux ». On comprend ainsi comment l’ajout de CO₂ provoque un réchauffement climatique.

Il est légitime de se demander si d’autres causes sont possibles. Elles peuvent très bien s’additionner. On pense avant tout au Soleil, dont le rayonnement a une puissance d’environ 1 361 W/m² au niveau de la Terre : c’est la constante solaire ou irradiance solaire totale. Elle varie en fait un peu, mais de guère plus d’un watt par mètre carré. Ce n’est pas suffisant pour expliquer le réchauffement climatique actuel, d’autant plus que ces variations se font avec un cycle de 11 ans. L’augmentation de la concentration du CO₂ atmosphérique reste la seule explication possible, or il existe un indice dont on parle très peu. En réalité, seule la troposphère se réchauffe. La stratosphère se refroidit, en raison même de cette augmentation.

L’explication de ce phénomène est assez simple. L’effet de serre diminue l’intensité du rayonnement que la troposphère émet vers la stratosphère, particulièrement autour de la bande à 15 µm. Les molécules de CO₂ reçoivent moins d’infrarouge, mais elles en émettent autant parce que l’émission ne dépend que de la température. Il en résulte que la stratosphère se refroidit. Cela se mesure en envoyant des ballons météorologiques équipés de radiosondes dans la stratosphère ou en faisant de la télédétection par satellite. Les premiers résultats ont été obtenus dans les années 2000.

L’œuvre de Syukuro Manabe et de ses collègues

Mais peut-on prédire de combien la troposphère se réchauffe et la stratosphère se refroidit si l’on augmente la concentration du CO₂ ? Il n’est malheureusement pas possible de répondre à cette question par quelques calculs simples. Il faut élaborer des modèles climatiques, c’est-à-dire des représentations numériques du système climatique, en particulier de l’atmosphère. Syukuro Manabe (ou plutôt Manabe Shukurô) a fait un travail de pionnier dans ce domaine. Avec Robert Strickler, il a publié en 1964 un article dans lequel l’atmosphère était assimilée à une colonne d’air. L’objectif était de décrire son état d’équilibre thermique, d’abord en tenant seulement compte des transferts radiatifs, puis en ajoutant la convection humide, c’est-à-dire le mouvement de masses d’air plus ou moins chargées d’humidité en fonction de leur densité. L’idée a été de partir d’une atmosphère isotherme (où la température est indépendante de l’altitude), soit très froide, soit très chaude, puis de simuler l’action des transferts radiatifs et de la convection. Manabe et Strickler ont laissé le temps s’écouler jusqu’à 320 jours et ont obtenu le profil connu, avec une baisse de température de la base au sommet de la troposphère et une remontée dans la stratosphère. Les rôles de la vapeur d’eau, du CO₂ et de l’ozone, ainsi que des nuages, ont été déterminés en calculant les équilibres thermiques sans un ou deux de ces éléments.

Manabe Shukurô et Richard Wetherald ont présenté une suite de ces recherches en 1967, qui s’est avérée être d’une importance décisive pour la physique de l’atmosphère. Il s’agissait de voir comment, à partir d’une distribution donnée de l’humidité relative ou de l’humidité absolue, l’atmosphère atteint un état d’équilibre à la fois radiatif et convectif. Leur résultat leur a permis d’évaluer la sensibilité de la température d’équilibre à la surface de la Terre aux changements de la constante solaire, de la teneur en CO₂ et en ozone, ou encore de la nébulosité. Si la teneur en CO₂ était doublée (avec une humidité relative fixée et une nébulosité moyenne), cela augmenterait cette température de 2,36 °C. Cette variation est aujourd’hui appelée la sensibilité climatique à l’équilibre. Si la teneur en CO₂ était divisée par 2, la température de surface en serait diminuée de 2,28 °C.

La préoccupation de Manabe et Wetherald n’était pas le réchauffement climatique. Elle était plutôt de connaître les effets de la vapeur d’eau injectée dans la stratosphère par les avions supersoniques, mais des scientifiques se posaient la question. Dans un article publié en 1956, Gilbert Plass de l’université du Michigan évaluait ainsi la sensibilité climatique à 3,8 °C et faisait une mise en garde contre l’utilisation des combustibles fossiles. Manabe et Wetherald ont fourni une estimation inférieure mais ont révélé que la stratosphère et les couches supérieures de l’atmosphère devaient se refroidir, grâce à des modélisations élégantes qui rapporteraient au premier le prix Nobel de physique en 2021 – Wetherald étant mort en 2011.

La notion de modélisation n’est pas toujours comprise, mais ce sont des modèles qui permettent aux organismes météorologiques de prévoir l’évolution du temps. Manabe Shukurô et Richard Wetherald étaient des météorologistes, le premier étant venu en Amérique pour travailler au US Weather Bureau de Washington D.C.. Les recherches sur la sensibilité climatique, si importantes pour évaluer l’évolution des climats suite aux émissions anthropiques de CO₂, ont été poursuivies avec des modèles toujours plus perfectionnés. On pense maintenant qu’elle est de 3 °C, mais avec une erreur probable de ± 1,5 °C surtout due au rôle des nuages. Il ne faut pas considérer seulement l’atmosphère, mais aussi les océans, ce que Manabe et Wetherald ont commencé à faire dans un article publié en 1974. Ils ont mis au point un modèle tridimensionnel, avec une représentation simplifiée de la surface de la Terre.

Le verdict de l’observation

Les prédictions de ces modèles sont comparées aux observations. À partir de 1978, des instruments appelés Stratospheric Sounding Units (SSU) et Microwave Sounding Units (MSU) ont été embarqués sur des satellites météorologiques. Les premiers mesuraient l’intensité des infrarouges émis par le CO₂ dans la stratosphère, ce qui permettait d’en déduire sa température à presque toutes les altitudes. Trois canaux étaient utilisés, correspondant à 25-35 km, 35-45 km et 40-50 km. Les données étaient analysées par l’organisme météorologique britannique, le Met Office, et par le Center for Satellite Applications and Research (STAR) de la NOAA, l’organisme océanographique et météorologique américain. Les MSU captaient les micro-ondes émis par les molécules de dioxygène dans quatre canaux, le second à 53,74 GHz, fournissant la température dans la troposphère moyenne et le quatrième, à 57,95 GHz, donnant la température dans la stratosphère inférieure. L’analyse des données est revenue à l’université d’Alabama à Huntsville (UAH), à la société Remote Sensing Systems (RSS) et au professeur Fu Qiang de l’université de Washington. Les SSU et MSU sont restés actifs jusqu’en 2006. À partir de 1998, de nouveaux instruments appelés Advanced Microwave Sounding Units (AMSU) ont été déployés. Quant aux ballons météorologiques, ils ne permettent de sonder que la basse stratosphère, jusqu’à 25 km d’altitude.

Ces observations ont confirmé le refroidissement de la stratosphère. Cette tendance était claire en 2001, comme le montre un article écrit sous la direction de V. Ramaswami. Entre 1979 et 1994, aux latitudes moyennes de l’hémisphère Nord, le refroidissement a été estimé à environ 0,75 °C par décennie de 20 à 35 km d’altitude et à environ 2,5 °C par décennie à 50 km d’altitude. Cependant, les scientifiques ont pensé que dans la stratosphère inférieure, il était causé par la perte d’ozone et non par la hausse de la concentration du CO₂. Celle-ci n’intervenait, partiellement, que dans la stratosphère moyenne et supérieure, de 25 à 50 km d’altitude. L’époque était celle où l’on se souciait du « trou d’ozone », problème résolu par l’interdiction de la production des CFC en 1995.

En 2012, un article publié dans Nature, sous la direction de David Thompson de l’université du Colorado, a fourni de nouvelles analyses, mais en soulignant le fait que les observations n’étaient pas conformes aux modélisations. On n’en était plus aux calculs de Manabe et Wetherald. Les familles de modèles qui ont été utilisés s’appellent CCMVal2 et CMIP5. Les CCM sont des modèles tridimensionnels de circulation atmosphérique dans lesquels les réactions chimiques ayant lieu dans la stratosphère sont pleinement pris en compte. Elles modifient le bilan radiatif de l’atmosphère et par conséquent sa dynamique. CCMVal signifie Chemistry-Climate Model Validation. Quant aux CMIP, ce sont les Projets d’intercomparaison de modèles couplés, qui ont pour objectif de coordonner les centres de recherche du monde entier en modélisation climatique. Les modèles sont dits « couplés » car ils prennent en compte les interactions entre les différentes composantes du système climatique : l’atmosphère, les océans, la cryosphère (les glaces) et la biosphère. Le cinquième exercice, CMIP5, s’est déroulé entre 2010 et 2014.

Ce que David Thompson présentait comme un mystère a été résolu en 2018. La solution est présentée dans un article dirigé par Amanda Maycock, auquel a participé David Thompson, Roger Saunders, Zou Cheng-Zhi et William Randel, tous signataires de l’étude de 2012. John Christy, de l’UAH, était également présent. C’est l’un des pionniers de la télédétection par satellite. Les différences entre les observations et les modélisations ont été expliquées par les problèmes habituels de la télédétection, dont les décalages orbitaux et les étalonnages inter-satellites. Un ralentissement du refroidissement de la stratosphère a observé, à partir de 1998, grâce au rétablissement de la couche à ozone. Les radiosondes ont même mis en évidence un réchauffement de la basse stratosphère, annoncé le 23 octobre 2018 dans JGR Atmospheres.

Il reste la stratosphère moyenne et supérieure. Le 8 mai 2023, un refroidissement net a été annoncé dans un article des Proceedings of the National Academy of Science des USA. Son auteur principal est Benjamin Santer, de la Woods Hole Oceanographic Institution et de l’université de Californie (anciennement au Lawrence Livermore National Laboratory en Californie). Il n’avait pas signé l’article de JGR Atmospheres mais avait participé à sa révision. On retrouve David Thompson et Zou Cheng-Zhi, ainsi que le professeur Fu Qiang. La communauté scientifique parle d’une seule voix. Le refroidissement de la stratosphère moyenne et supérieure a été de 1 à 2 °C entre 1978 et 2022, avec un faible niveau de « bruit ». De plus, il s’amplifie avec altitude, conformément à ce que Manabe et Wetherald avaient prévu. C’est une preuve irréfutable de l’empreinte humaine sur la structure thermique de l’atmosphère, faite par les émissions de CO₂. Si le réchauffement climatique actuel était causé par une augmentation de l’irradiance solaire totale, toute la stratosphère se réchaufferait. On peut d’ailleurs voir de légères variations des températures causées par le cycle de 11 ans. Les réchauffements provoqués par l’éruption du volcan El Chichón en 1982 et du Pinatubo le 15 juin 1991 sont beaucoup plus visibles.

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G. N. Plass, The influence of the 15μ carbon-dioxide band on the atmospheric infra-red cooling rate, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, July 1956.

Syukuro Manabe & Robert Strickler, Thermal Equilibrum of the Atmosphere with a Convective Adjustment, J. Atmos. Sci. 21, 361–85, 1964.

Syukuro Manabe & Richard Wetherald, Thermal equilibrium of the atmosphere with a given distribution of relative humidity, J. Atmos. Sci. 24, 241–259, 1967.

V. Ramaswami et al., Stratospheric temperature trends: Observations and model simulations, Reviews of Geophysics 39, 01 February 2001.

David W.J. Thompson et al., The mystery of recent stratospheric temperature trends, Nature, 29 November 2012.

Holger Schmithüsen et al., How increasing CO₂ leads to an increased negative greenhouse effect in Antarctica, Geophysical Research Letters, 25 November 2015.

Amanda C. Maycock, Revisiting the Mystery of Recent Stratospheric Temperature Trends, Geophysical Research Letters, 04 June 2018.

Rolf Philipona et al., Radiosondes Show That After Decades of Cooling, the Lower Stratosphere Is Now Warming, JGR Atmospheres, 23 October 2018.

Benjamin D. Santer et al., Exceptional stratospheric contribution to human fingerprints on atmospheric temperature, PNAS, 08 May 2023.