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Pourquoi la terre se réchauffe-t-elle plus vite que l’océan?

L’année dernière, les températures mondiales étaient de 0,95 ° C plus chaudes que la moyenne du 20e siècle. L’activité humaine est responsable d’environ 100% de ce réchauffement.

Un approfondissement un peu plus profond de ces chiffres montre que les zones terrestres de la Terre étaient 1,43 ° C plus chaudes que la moyenne, tandis que les océans étaient 0,77 ° C plus chauds. C’est la preuve que les continents du monde se réchauffent plus vite que ses océans au cours des dernières décennies.

Ce contraste entre les changements de température des terres et des océans façonnera fortement le schéma mondial du réchauffement futur et aura des implications importantes pour les humains. Après tout, nous sommes une espèce qui préfère beaucoup vivre sur terre.

Mais qu’est-ce qui motive ce contraste chaleureux? C’est une question trompeusement simple, mais avec beaucoup de réponses mal comprises. Dans ce billet invité, je présente une théorie quantitative forte du contraste entre le réchauffement terre-océan, qui n’a été développée que ces dernières années.

Capacité thermique

La physique simple suggère que lorsque vous apportez plus de chaleur dans le climat, la terre devrait se réchauffer plus rapidement que l’océan. En effet, le sol a une « capacité thermique » plus petite que l’eau, ce qui signifie qu’il a besoin de moins de chaleur pour élever la température.

Le graphique ci-dessous montre comment la surface de la Terre (ligne jaune) s’est réchauffée plus rapidement que l’océan (bleu foncé) pendant l’enregistrement d’observation.

L'augmentation du réchauffement climatique est évidente dans les enregistrements de température de surface de la NOAA. Le graphique montre les températures annuelles moyennes pour la terre (ligne jaune), l'océan (bleu foncé) et la terre et l'océan ensemble (bleu clair). Tous les chiffres relatifs à 1901-2000.

Le réchauffement climatique accru est évident dans les enregistrements de température de surface de la NOAA. Le graphique montre les températures annuelles moyennes pour la terre (ligne jaune), l’océan (bleu foncé) et la terre et l’océan ensemble (bleu clair). Tous les chiffres relatifs à 1901-2000. Données NOAA; graphique Carbon Brief en utilisant Highcharts.

Cet effet peut également être observé dans différentes parties du système climatique saisonnier. Par exemple, lorsque le soleil se déplace au nord de l’équateur au printemps de l’hémisphère nord, son énergie réchauffe rapidement l’Inde par rapport aux océans environnants. Ce contraste de réchauffement joue un rôle clé dans l’inversion des vents qui entraînent la mousson sud-asiatique.

La faible capacité de chaleur à terre permet également d’expliquer pourquoi certaines régions continentales, comme la Russie et le centre des États-Unis, peuvent être très chaudes en été et très froides en hiver. Ceci est connu sous le nom de «continentalité».

Compte tenu de son rôle central dans le contraste saisonnier du réchauffement des terres et des océans, la capacité thermique est un point de départ naturel pour tenter d’expliquer pourquoi les continents soumis au changement climatique se réchauffent plus que les océans. Mais il y a un problème avec cette explication.

Contraste réchauffant

Dans un article important de 1991, le météorologue Syukuro Manabe et ses collègues ont utilisé un modèle climatique précoce pour comparer transitoire la réponse du système climatique à une augmentation progressive du CO2 à long terme équilibre répondre.

En d’autres termes, ils ont comparé le climat à mesure que le CO2 augmentait avec le climat après que le CO2 a cessé de croître et que le climat s’est finalement stabilisé dans un nouvel état plus chaud.

Si la différence de capacité calorifique entre la terre et l’océan était un facteur crucial contrôlant le contraste de réchauffement, nous nous attendrions à ce que le contraste disparaisse en équilibre après que les océans aient suffisamment de temps pour se réchauffer.

Mais Manabe n’a pas trouvé cela. Au lieu de cela, il a constaté que le rapport de réchauffement de la terre et de l’océan (maintenant connu sous le nom de «facteur de gain») était similaire dans les expériences temporaires et d’équilibre.

C’était la preuve que le contraste entre le réchauffement des terres et des océans – mis en évidence sur la carte ci-dessous du réchauffement projeté pour la fin de ce siècle – est une réponse fondamentale au changement climatique qui n’est pas contrôlée par la capacité thermique. Si la capacité thermique ne peut pas expliquer l’augmentation du réchauffement des sols dans un climat changeant, que peut-il faire?

Projection du modèle climatique de l'évolution de la température de surface à la fin du 21e siècle (2080-2100) par rapport à la période historique (1980-2000). Données du modèle GFDL-CM4 selon le scénario SSP58.5 avec des émissions élevées de combustibles fossiles; graphique M Byrne.

Projection du modèle climatique de l’évolution de la température de surface à la fin du 21e siècle (2080-2100) par rapport à la période historique (1980-2000). Données du modèle GFDL-CM4 selon le scénario SSP58.5 avec des émissions élevées de combustibles fossiles; graphique M Byrne.

Au-dessus de la capacité thermique

La première explication, initialement donnée par Manabe, se réfère à l’équilibre de l’énergie de surface. Cela décrit l’échange d’énergie entre la surface de la Terre et l’atmosphère au-dessus.

Lorsque les concentrations de CO2 dans l’atmosphère augmentent, le rayonnement à la surface de la Terre augmente, ce qui entraîne une hausse des températures. En effet, une plus grande quantité de chaleur rayonnée par la surface de la Terre est piégée par les gaz à effet de serre dans l’atmosphère.

Mais l’ampleur de ce réchauffement de surface induit par le CO2 dépend de son équilibre avec les facteurs localisés qui provoquent le refroidissement – à savoir, le refroidissement causé par l’évaporation et le refroidissement dû à l’échange de chaleur sèche entre la surface du sol et l’air au-dessus. (Le réchauffement de l’atmosphère causé par ce dernier a également tendance à empêcher la formation de nuages ​​et, par conséquent, peut provoquer un assèchement supplémentaire de la surface terrestre.)

Les océans – qui ont une quantité illimitée d’eau à évaporer – peuvent être efficacement refroidis dans un climat qui se réchauffe en évaporant de plus en plus d’eau avec seulement une petite augmentation de la température. D’un autre côté, les continents ont généralement une disponibilité d’humidité limitée, de sorte que l’évaporation est limitée.

Cela signifie que sur les continents, davantage de rayonnement supplémentaire venant à la surface dans un climat de réchauffement doit être dissipé par un échange de chaleur sèche et un refroidissement par rayonnement à ondes longues, au lieu de l’évapotranspiration. Cela implique une augmentation plus importante de la température de surface par rapport aux océans qui s’évaporent librement.

Cette théorie du «bilan énergétique de surface» pour le contraste du réchauffement des terres et des océans a également été mise en évidence dans des études récentes.

Cette explication de l’augmentation du réchauffement continental est intuitive et suggère un rôle clé de la «sécheresse du sol» dans la détermination du changement de température. Mais cela doit être soutenu par des chiffres précis.

Le problème avec la théorie de l’équilibre de l’énergie de surface est qu’elle repose sur les propriétés de la surface terrestre – qui sont différentes, complexes et notoirement difficiles à simuler – pour être représentées avec précision dans les modèles climatiques. En particulier, quantifier la façon dont l’évapotranspiration répondra à un climat changeant – un élément clé de la théorie de l’énergie de surface – nécessite une connaissance de l’humidité du sol et de la végétation régionales et de la manière dont ces propriétés changent avec le climat. Une tâche difficile.

De plus, les facteurs de l’atmosphère au-dessus d’eux sont également importants: comment les pluies et les vents vont-ils changer? La myriade de processus qui affectent le bilan énergétique de la terre signifie que l’utilisation de ce cadre comme base de la théorie quantitative du contraste de réchauffement terre-océan est un défi. Bien que la perspective soit conceptuellement utile, elle fournit une compréhension incomplète de la physique qui détermine le contraste du réchauffement.

Nouvelle idée

Au lieu d’un équilibre de l’énergie de surface, la dynamique atmosphérique – le mouvement de l’atmosphère et son état thermodynamique – soutient une nouvelle compréhension du contraste de réchauffement terre-océan qui s’est développé au cours de la dernière décennie.

Dans l’article de 2008, le prof. Manoj Joshi – alors au Met Office Hadley Center et à l’Université de Reading, et maintenant à l’Université d’East Anglia – a été le premier à souligner que les processus dynamiques de l’atmosphère relient la température et l’humidité sur les terres et les océans de la région.

En particulier, il a montré que le taux de déclin – le taux de baisse de température avec l’altitude – diminue plus fortement au-dessus de l’océan que sur la terre lorsque le climat se réchauffe. En effet, l’air au-dessus de l’océan retient généralement plus de vapeur d’eau que l’air au-dessus de la terre à un moment donné.

Ces variations contrastées du taux de fuite expliquent le contraste du réchauffement: une baisse plus faible du taux de libération des terres implique une augmentation plus importante de la température de surface terrestre par rapport à l’océan.

Ce mécanisme n’est pas nécessairement intuitif, mais repose sur des processus bien établis de la dynamique atmosphérique. Divers changements de vitesse d’écoulement sont maintenant acceptés comme le principal moteur du contraste du réchauffement terre-océan, en particulier aux basses latitudes (jusqu’à environ 40N et 40C). Le réchauffement accru dans les régions, y compris la Méditerranée, s’explique également par le même mécanisme d’annulation.

Théorie quantitative

Avec son travail de 2008, Joshi a présenté une nouvelle compréhension conceptuelle du contraste entre le réchauffement terre-océan. Mais, encore une fois, l’explication était qualitative.

Avec le professeur Paul O’Gorman du Massachusetts Institute of Technology, j’ai réalisé que l’argument sur la décomposition pouvait être élargi et développé en théorie quantitative.

L’idée clé était que, bien que les changements de température et d’humidité sur terre et sur l’océan soient très différents, les limites de la dynamique atmosphérique identifiées par Joshi impliquent que les changements dans une combinaison particulière de température et d’humidité – en particulier, l’énergie contenue dans un morceau d’air dormant – sont connus comme énergie statique humide – ils sont à peu près égaux. Cet aperçu nous a permis de dessiner l’équation du changement de température du sol, que nous avons publiée en 2018.

Ce que notre équation montre, c’est que la réponse de la température du sol au changement climatique dépend de deux facteurs: le réchauffement des océans et l’assèchement de la terre dans le climat d’aujourd’hui.

Plus le continent est sec, plus il fait chaud. La théorie a été testée dans des modèles climatiques et en utilisant des données d’observation au cours des 40 dernières années. La théorie explique pourquoi le réchauffement des sols devrait être particulièrement sévère dans les régions subtropicales sèches et arides, et explique également pourquoi l’humidité relative des terres a diminué au cours des dernières décennies.

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Une implication importante de la théorie sur les projections des températures futures des terres (qui varient considérablement d’un modèle à l’autre) est qu’il est crucial de modéliser avec précision le degré d’assèchement du sol. dans le climat actuel, mais cela est techniquement peu pratique en raison de la complexité des terres.

Peu connu

Cette nouvelle compréhension des contrastes de réchauffement terre-océan est bien acceptée dans les communautés de chercheurs en dynamique atmosphérique et climatique.

Mais il serait juste de dire qu’il n’est pas encore bien connu dans la science plus large du climat et des influences climatiques que le contraste entre le réchauffement des terres et des océans est motivé par la sécheresse plutôt que par des différences de capacité thermique.

Et cela n’est certainement pas bien connu dans la sphère publique. Au niveau de la théorie elle-même, certains chercheurs trouvent surprenant que la complexité des surfaces terrestres puisse être résumée en un seul paramètre de «sécheresse».

Cela me surprend et m’inspire aussi que la réponse d’un système aussi complexe qu’un climat continental puisse se réduire à une simple équation. Je préconiserais davantage de ce type de recherche conceptuelle en climatologie.

Extraits de cette histoire