Activité solaire et climat - Solar activity and climate
Les modèles d' irradiance solaire et de variation solaire ont été l'un des principaux moteurs du changement climatique au cours des millénaires à des giga-années de l' échelle de temps géologique , mais son rôle dans le réchauffement récent s'est avéré insignifiant.
Temps géologique
La Terre s'est formée il y a environ 4,54 milliards d'années par accrétion de la nébuleuse solaire . Le dégazage volcanique a probablement créé l'atmosphère primordiale, qui ne contenait presque pas d' oxygène et aurait été toxique pour les humains et la vie la plus moderne. Une grande partie de la Terre a fondu en raison de collisions fréquentes avec d'autres corps qui ont conduit à un volcanisme extrême. Au fil du temps, la planète s'est refroidie et a formé une croûte solide , permettant éventuellement à de l'eau liquide d'exister à la surface.
Il y a trois à quatre milliards d'années, le Soleil n'émettait que 70 % de sa puissance actuelle. Dans la composition atmosphérique actuelle, cette luminosité solaire passée aurait été insuffisante pour empêcher l'eau de geler uniformément. Il y a néanmoins des preuves que l' eau liquide était déjà présent dans les Hadean et archéennes éons, conduisant à ce qu'on appelle le paradoxe faible jeune Soleil . Les solutions hypothétiques à ce paradoxe incluent une atmosphère très différente, avec des concentrations de gaz à effet de serre beaucoup plus élevées que celles qui existent actuellement.
Au cours des 4 milliards d'années qui ont suivi, la production d'énergie du Soleil a augmenté et la composition de l'atmosphère terrestre a changé. Il y a environ 2,4 milliards d'années, le grand événement d'oxygénation a été l'altération la plus notable de l'atmosphère. Au cours des cinq prochains milliards d'années, la mort ultime du Soleil alors qu'il deviendra une géante rouge très brillante puis une naine blanche très faible aura des effets dramatiques sur le climat , la phase de géante rouge mettant probablement déjà fin à toute vie sur Terre.
La mesure
Depuis 1978, l'irradiance solaire est mesurée directement par satellite avec une très bonne précision. Ces mesures indiquent que l'irradiance solaire totale du Soleil fluctue de +-0,1% au cours des ~11 années du cycle solaire , mais que sa valeur moyenne est stable depuis le début des mesures en 1978. L'irradiance solaire avant les années 1970 est estimée à l'aide de variables proxy , tels que les cernes des arbres , le nombre de taches solaires et les abondances d' isotopes cosmogéniques tels que 10 Be , qui sont tous calibrés sur les mesures directes postérieures à 1978.
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L'activité solaire suit une tendance à la baisse depuis les années 1960, comme l'indiquent les cycles solaires 19-24, dans lesquels le nombre maximum de taches solaires était respectivement de 201, 111, 165, 159, 121 et 82. Au cours des trois décennies qui ont suivi 1978, on estime que la combinaison de l' activité solaire et volcanique a eu une légère influence de refroidissement. Une étude de 2010 a révélé que la composition du rayonnement solaire pourrait avoir légèrement changé, avec une augmentation du rayonnement ultraviolet et une diminution des autres longueurs d'onde."
Ère moderne
Dans l'ère moderne, le Soleil a fonctionné dans une bande suffisamment étroite pour que le climat ait été peu affecté. Les modèles indiquent que la combinaison des variations solaires et de l'activité volcanique peut expliquer les périodes de chaleur et de froid relatifs entre l' an 1000 et 1900.
L'Holocène
De nombreuses reconstructions paléoenvironnementales ont recherché des relations entre la variabilité solaire et le climat. Le paléoclimat arctique, en particulier, a établi un lien entre les variations de l'ensoleillement total et la variabilité climatique. Un article de 2001 a identifié un cycle solaire d'environ 1500 ans qui a eu une influence significative sur le climat de l'Atlantique Nord tout au long de l'Holocène.
Petit âge glaciaire
Une corrélation historique à long terme entre l'activité solaire et le changement climatique est le minimum de Maunder de 1645-1715 , une période de peu ou pas d'activité des taches solaires qui chevauchait partiellement le « petit âge glaciaire » au cours duquel le froid prévalait en Europe. Le petit âge glaciaire a englobé environ le 16e au 19e siècle. La question de savoir si la faible activité solaire ou d'autres facteurs ont causé le refroidissement est débattue.
Le minimum de Spörer entre 1460 et 1550 correspondait à une période de refroidissement importante.
Un article de 2012 a plutôt lié le petit âge glaciaire au volcanisme, à travers un "épisode inhabituel de 50 ans avec quatre grandes éruptions explosives riches en soufre", et a affirmé que "de grands changements dans l'irradiance solaire ne sont pas nécessaires" pour expliquer le phénomène.
Un article de 2010 suggérait qu'une nouvelle période de 90 ans de faible activité solaire réduirait les températures moyennes mondiales d'environ 0,3 °C, ce qui serait loin d'être suffisant pour compenser le forçage accru des gaz à effet de serre.
L'ère des combustibles fossiles
Le lien entre l'activité solaire récente et le climat a été quantifié et n'est pas un facteur majeur du réchauffement qui s'est produit depuis le début du XXe siècle. Des forçages anthropiques sont nécessaires pour reproduire le réchauffement de la fin du 20e siècle. Certaines études associent les augmentations d'irradiation induites par le cycle solaire à une partie du réchauffement du XXe siècle .
Trois mécanismes sont proposés par lesquels l'activité solaire affecte le climat :
- Les changements d' irradiance solaire affectent directement le climat (« forçage radiatif »). Ceci est généralement considéré comme un effet mineur, car les amplitudes mesurées des variations sont trop petites pour avoir un effet significatif, en l'absence d'un processus d'amplification.
- Variations de la composante ultraviolette. La composante UV varie plus que le total, donc si les UV avaient pour une raison (encore inconnue) un effet disproportionné, cela pourrait expliquer un signal solaire plus important.
- Effets médiés par des changements dans les rayons cosmiques galactiques (qui sont affectés par le vent solaire) tels que des changements dans la couverture nuageuse.
Les modèles climatiques ont été incapables de reproduire le réchauffement rapide observé au cours des dernières décennies lorsqu'ils ne prennent en compte que les variations de l'irradiance solaire totale et de l'activité volcanique. Hegerl et al. (2007) ont conclu que le forçage des gaz à effet de serre avait « très probablement » causé la majeure partie du réchauffement climatique observé depuis le milieu du 20e siècle. En tirant cette conclusion, ils ont tenu compte de la possibilité que les modèles climatiques aient sous-estimé l'effet du forçage solaire.
Une autre preuve vient de l'examen de l'évolution des températures à différents niveaux de l'atmosphère terrestre. Les modèles et les observations montrent que les gaz à effet de serre entraînent un réchauffement de la troposphère , mais un refroidissement de la stratosphère. L'appauvrissement de la couche d'ozone par les réfrigérants chimiques a stimulé un effet de refroidissement stratosphérique. Si le Soleil était responsable du réchauffement observé, un réchauffement de la troposphère à la surface et un réchauffement au sommet de la stratosphère seraient attendus, car l'augmentation de l'activité solaire reconstituerait l'ozone et les oxydes d'azote.
Lignes de preuve
L'évaluation de la relation activité solaire/climat implique de multiples sources de données indépendantes .
Taches solaires
Les premières recherches ont tenté de trouver une corrélation entre le temps et l' activité des taches solaires , la plupart du temps sans succès notable. Les recherches ultérieures se sont davantage concentrées sur la corrélation entre l'activité solaire et la température mondiale.
Irradiation
Une mesure précise du forçage solaire est cruciale pour comprendre l'impact solaire possible sur le climat terrestre. Des mesures précises ne sont devenues disponibles qu'à l'ère des satellites, à partir de la fin des années 1970, et même cela est ouvert à quelques différends résiduels : différentes équipes trouvent des valeurs différentes, en raison de différentes méthodes d'étalonnage croisé des mesures prises par des instruments avec une sensibilité spectrale différente. Scafetta et Willson plaident pour des variations significatives de la luminosité solaire entre 1980 et 2000, mais Lockwood et Frohlich constatent que le forçage solaire a diminué après 1987.
Le troisième rapport d'évaluation (TRE) du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) de 2001 a conclu que l'impact mesuré de la variation solaire récente est beaucoup plus faible que l'effet d'amplification dû aux gaz à effet de serre , mais a reconnu que la compréhension scientifique est faible en ce qui concerne la variation solaire.
Les estimations des changements d'irradiance solaire à long terme ont diminué depuis le TRE. Cependant, les résultats empiriques des changements troposphériques détectables ont renforcé les preuves du forçage solaire du changement climatique. Le mécanisme le plus probable est considéré comme une combinaison de forçage direct par les changements de TSI et d'effets indirects du rayonnement ultraviolet (UV) sur la stratosphère. Les moins certains sont les effets indirects induits par les rayons cosmiques galactiques.
En 2002, Lean et al. a déclaré que, bien qu'« il existe ... des preuves empiriques croissantes du rôle du Soleil dans le changement climatique à plusieurs échelles de temps, y compris le cycle de 11 ans », « des changements dans les indicateurs terrestres de l'activité solaire (tels que les isotopes cosmogéniques 14C et 10Be et le un indice géomagnétique) peut se produire en l'absence de changements à long terme (c. Ils concluent qu'à cause de cela, « le changement climatique à long terme peut sembler suivre l'amplitude des cycles d'activité solaire », mais que « le forçage radiatif solaire du climat est réduit d'un facteur 5 lorsque la composante de fond est omise des reconstructions historiques. de l'irradiance solaire totale ... Cela suggère que les simulations du modèle de circulation générale (GCM) du réchauffement du XXe siècle peuvent surestimer le rôle de la variabilité de l'irradiance solaire. " Une étude de 2006 a suggéré que la luminosité solaire avait relativement peu d'effet sur le climat mondial, avec peu de probabilité de changements significatifs de la production solaire sur de longues périodes de temps. Lockwood et Fröhlich, 2007, ont trouvé « des preuves considérables de l'influence solaire sur le climat préindustriel de la Terre et le Soleil pourrait bien avoir été un facteur du changement climatique post-industriel au cours de la première moitié du siècle dernier », mais que « au cours de la Au cours des 20 dernières années, toutes les tendances du Soleil qui auraient pu avoir une influence sur le climat de la Terre ont été dans la direction opposée à celle requise pour expliquer l'augmentation observée des températures moyennes mondiales." Dans une étude qui considérait l'activité géomagnétique comme une mesure de l'interaction solaire-terrestre connue, Love et al. ont trouvé une corrélation statistiquement significative entre les taches solaires et l'activité géomagnétique, mais pas entre la température de surface globale et le nombre de taches solaires ou l'activité géomagnétique.
Benestad et Schmidt ont conclu que « la contribution la plus probable du soleil forçant un réchauffement climatique est de 7 ± 1% pour le 20ème siècle et est négligeable pour le réchauffement depuis 1980. » Cet article était en désaccord avec Scafetta et West, qui ont affirmé que la variabilité solaire a un effet significatif sur le forçage climatique. Sur la base de corrélations entre des reconstructions spécifiques du climat et du forçage solaire, ils ont soutenu qu'un « scénario climatique réaliste est celui décrit par une grande variabilité séculaire préindustrielle ( par exemple , la reconstruction paléoclimatique de la température par Moberg et al.) avec TSI connaissant une faible variabilité séculaire (comme celui montré par Wang et al.). Dans ce scénario, ils ont affirmé que le Soleil pourrait avoir contribué à 50 % du réchauffement global observé depuis 1900. Stott et al. ont estimé que les effets résiduels de la forte activité solaire prolongée au cours des 30 dernières années représentent entre 16% et 36% du réchauffement de 1950 à 1999.
Mesure directe et séries temporelles
Ni les mesures directes ni les approximations de la variation solaire ne sont bien corrélées avec la température mondiale de la Terre, en particulier au cours des dernières décennies, lorsque les deux quantités sont mieux connues.
Jour/nuit
La plage de température diurne moyenne mondiale a diminué. Les températures diurnes n'ont pas augmenté aussi vite que les températures nocturnes. C'est l'inverse du réchauffement attendu si l'énergie solaire (tomber principalement ou entièrement pendant la journée, selon le régime énergétique) était le principal moyen de forçage. C'est, cependant, le modèle attendu si les gaz à effet de serre empêchaient l'échappement radiatif, qui est plus répandu la nuit.
Hémisphère et latitude
L'hémisphère nord se réchauffe plus vite que l'hémisphère sud. C'est l'inverse du schéma attendu si le Soleil, actuellement plus proche de la Terre durant l'été austral , était le principal forçage climatique. En particulier, l'hémisphère sud, avec plus de surface océanique et moins de surface terrestre, a un albédo plus faible (« blancheur ») et absorbe plus de lumière. L'hémisphère nord, cependant, a une population, une industrie et des émissions plus élevées.
De plus, la région arctique se réchauffe plus rapidement que l'Antarctique et plus rapidement que les latitudes moyennes et subtropicales septentrionales, bien que les régions polaires reçoivent moins de soleil que les latitudes inférieures.
Altitude
Le forçage solaire devrait réchauffer l'atmosphère terrestre à peu près uniformément en fonction de l'altitude, avec quelques variations en fonction de la longueur d'onde/du régime énergétique. Cependant, l'atmosphère se réchauffe à basse altitude tout en se refroidissant plus haut. C'est le schéma attendu si les gaz à effet de serre déterminent la température, comme sur Vénus .
Théorie de la variation solaire
Une étude de 1994 du National Research Council des États-Unis a conclu que les variations du TSI étaient la cause la plus probable d'un changement climatique important à l'ère préindustrielle, avant que le dioxyde de carbone généré par l'homme ne pénètre dans l'atmosphère.
Scafetta et West ont corrélé les données proxy solaires et la température de la troposphère inférieure pour l'ère préindustrielle, avant un forçage anthropique important de l'effet de serre, suggérant que les variations du TSI pourraient avoir contribué à 50 % du réchauffement observé entre 1900 et 2000 (bien qu'elles concluent que « nos estimations sur l'effet solaire sur le climat pourrait être surestimée et devrait être considérée comme une limite supérieure.") Si interprété comme une détection plutôt que comme une limite supérieure, cela contrasterait avec les modèles climatiques mondiaux prédisant que le forçage solaire du climat par forçage radiatif direct apporte une contribution insignifiante.
En 2000, Stott et d'autres ont rendu compte des simulations de modèles les plus complètes du climat du 20e siècle à cette date. Leur étude a porté à la fois sur les « forçages naturels » (variations solaires et émissions volcaniques) ainsi que sur les « forçages anthropiques » (gaz à effet de serre et aérosols sulfatés). Ils ont constaté que « les effets solaires peuvent avoir contribué de manière significative au réchauffement dans la première moitié du siècle bien que ce résultat dépende de la reconstruction de l'irradiance solaire totale qui est utilisée. Dans la seconde moitié du siècle, nous constatons que les augmentations anthropiques de Les gaz à effet de serre sont en grande partie responsables du réchauffement observé, équilibré par un certain refroidissement dû aux aérosols sulfatés anthropiques, sans aucune preuve d'effets solaires significatifs." Le groupe de Stott a découvert que la combinaison de ces facteurs leur a permis de simuler étroitement les changements de température mondiale tout au long du 20e siècle. Ils ont prédit que la poursuite des émissions de gaz à effet de serre entraînerait une augmentation future des températures supplémentaires "à un rythme similaire à celui observé au cours des dernières décennies". En outre, l'étude note des "incertitudes dans le forçage historique" - en d'autres termes, le forçage naturel passé peut encore avoir un effet de réchauffement retardé, très probablement en raison des océans.
Les travaux de Stott en 2003 ont largement révisé son évaluation, et ont trouvé une contribution solaire significative au réchauffement récent, bien qu'encore plus faible (entre 16 et 36%) que celle des gaz à effet de serre.
Une étude réalisée en 2004 a conclu que l'activité solaire affecte le climat - sur la base de l'activité des taches solaires, mais ne joue qu'un petit rôle dans le réchauffement climatique actuel.
Corrélations avec la durée du cycle solaire
En 1991, Friis-Christensen et Lassen ont affirmé une forte corrélation entre la durée du cycle solaire et les changements de température dans l'hémisphère nord. Ils ont d'abord utilisé des mesures des taches solaires et de la température de 1861 à 1989 et ont ensuite étendu la période en utilisant quatre siècles d'enregistrements climatiques. Leur relation signalée semble expliquer près de 80 pour cent des changements de température mesurés au cours de cette période. Le mécanisme derrière ces corrélations revendiquées était une question de spéculation.
Dans un article de 2003, Laut a identifié des problèmes avec certaines de ces analyses de corrélation. Damon et Laut ont affirmé :
les fortes corrélations apparentes affichées sur ces graphiques ont été obtenues par une mauvaise manipulation des données physiques. Les graphiques sont encore largement cités dans la littérature, et leur caractère trompeur n'est pas encore généralement reconnu.
Damon et Laut ont déclaré que lorsque les graphiques sont corrigés des erreurs de filtrage, l'accord sensationnel avec le récent réchauffement climatique, qui a attiré l'attention du monde entier, a totalement disparu.
En 2000, Lassen et Thejll ont mis à jour leurs recherches de 1991 et ont conclu que si le cycle solaire représentait environ la moitié de l'augmentation de la température depuis 1900, il n'expliquait pas une augmentation de 0,4 °C depuis 1980. L'examen de 2005 de Benestad a révélé que le cycle solaire n'avait pas suivre la température moyenne globale de la surface de la Terre.
Temps
L'activité solaire peut également avoir un impact sur les climats régionaux, comme pour les fleuves Paraná et Po . Les mesures de l' expérience sur le rayonnement solaire et le climat de la NASA montrent que la production d'UV solaire est plus variable que l'irradiance solaire totale. La modélisation climatique suggère qu'une faible activité solaire peut entraîner, par exemple, des hivers plus froids aux États-Unis et en Europe du Nord et des hivers plus doux au Canada et en Europe du Sud, avec peu de changement dans les moyennes mondiales. Plus largement, des liens ont été suggérés entre les cycles solaires, le climat mondial et des événements régionaux comme El Niño . Hancock et Yarger ont trouvé « des relations statistiquement significatives entre le double cycle de taches solaires [~ 21 ans] et le phénomène de " dégel de janvier " le long de la côte est et entre le double cycle de taches solaires et la " sécheresse " (température et précipitations de juin) dans le Midwest. "
Nuage de condensation
Des recherches récentes à l' installation CLOUD du CERN ont examiné les liens entre les rayons cosmiques et les noyaux de condensation des nuages, démontrant l'effet du rayonnement particulaire de haute énergie dans la nucléation des particules d'aérosol qui sont des précurseurs des noyaux de condensation des nuages. Kirkby (chef d'équipe CLOUD) a déclaré : "Pour le moment, [l'expérience] ne dit rien sur un éventuel effet des rayons cosmiques sur les nuages et le climat." Après une enquête plus approfondie, l'équipe a conclu que "les variations de l'intensité des rayons cosmiques n'affectent pas de manière appréciable le climat par nucléation".
Les données mondiales sur la formation des nuages bas de 1983 à 1994 du Projet international de climatologie des nuages par satellite (ISCCP) étaient fortement corrélées avec le flux de rayons cosmiques galactiques (GCR) ; après cette période, la corrélation s'est rompue. Des changements de 3 à 4 % de la nébulosité et des changements simultanés des températures au sommet des nuages étaient corrélés aux cycles solaires (taches solaires) de 11 et 22 ans , avec une augmentation des niveaux de GCR pendant les cycles « antiparallèles ». La variation de la couverture nuageuse moyenne mondiale a été mesurée entre 1,5 et 2 %. Plusieurs études de GCR et de couverture nuageuse ont trouvé une corrélation positive à des latitudes supérieures à 50° et une corrélation négative à des latitudes inférieures. Cependant, tous les scientifiques n'acceptent pas cette corrélation comme statistiquement significative, et certains l'attribuent à d'autres variabilités solaires ( par exemple, les UV ou les variations d'irradiance totale) plutôt que directement aux changements de GCR. Les difficultés d'interprétation de telles corrélations incluent le fait que de nombreux aspects de la variabilité solaire changent à des moments similaires et que certains systèmes climatiques ont des réponses retardées.
Perspective historique
Le physicien et historien Spencer R. Weart dans The Discovery of Global Warming (2003) a écrit :
L'étude des cycles [des taches solaires] était généralement populaire pendant la première moitié du siècle. Les gouvernements avaient collecté de nombreuses données météorologiques avec lesquelles jouer et, inévitablement, les gens ont trouvé des corrélations entre les cycles des taches solaires et certains modèles météorologiques. Si les précipitations en Angleterre ne correspondaient pas au cycle, peut-être que les tempêtes en Nouvelle-Angleterre le feraient. Des scientifiques respectés et des amateurs enthousiastes ont insisté sur le fait qu'ils avaient trouvé des modèles suffisamment fiables pour faire des prédictions. Tôt ou tard, toutes les prédictions ont échoué. Un exemple était une prévision très crédible d'une période de sécheresse en Afrique pendant le minimum de taches solaires du début des années 1930. Lorsque la période s'est avérée humide, un météorologue a rappelé plus tard que "le sujet des taches solaires et des relations météorologiques est devenu controversé, en particulier parmi les météorologues britanniques qui ont été témoins de la déconvenue de certains de leurs supérieurs les plus respectés". Même dans les années 1960, il a déclaré : « Pour un jeune chercheur [climatique], s'exprimer sur les relations soleil-temps, c'était se considérer comme un cinglé.
Voir également
- Forçage radiatif
- Phénomènes solaires
- Cycle solaire
- Observation solaire
- Climat de l'espace
- Météo spatiale
Les références
Références générales
- « Le rôle du soleil dans les changements climatiques » (PDF) . Proc. of The International Conference on Global Warming and The Next Ice Age, 19-24 août 2001, Halifax, Nouvelle-Écosse . Archivé de l'original (PDF) le 22 octobre 2004 . Récupéré le 2005-02-21 .
- Blanc, Warren B. ; Maigre, Judith ; Cayan, Daniel R.; Dettinger, Michael D. (1997). "Réponse de la température globale de l'océan supérieur à l'évolution de l'irradiance solaire" . Journal de recherche géophysique . 102 (C2) : 3255-3266. Bibcode : 1997JGR ... 102.3255W . doi : 10.1029/96JC03549 .
- Une représentation graphique de la relation entre les facteurs naturels et anthropiques contribuant au changement climatique apparaît dans "Climate Change 2001: The Scientific Basis", un rapport du Groupe d'experts intergouvernemental sur l' évolution du climat (GIEC).
Liens externes
- Gerrit Lohmann ; Norel Rimbu ; Mihai Dima (2004). « La signature climatique des variations d'irradiance solaire : analyse des données instrumentales, historiques et indirectes à long terme » (PDF) . Journal international de climatologie . 24 (8) : 1045-1056. Bibcode : 2004IJCli..24.1045L . doi : 10.1002/joc.1054 .
- ^ "représentation graphique" . Archivé de l'original le 2012-04-08 . Récupéré le 2005-10-05 .
- ^ Houghton, JT ; Ding, Y. ; Griggs, DJ ; et al. (éd.). "Changement climatique 2001 : la base scientifique" . Récupéré le 2005-10-05 .