L'équation climatique: le rôle des cumulus d'alizés et des tourbillons dans l'océan

Publié par Adrien le 18/01/2020 à 08:00
Source: CNRS
Une mission aéroportée et océanographique d'envergure au large de l'île de la Barbade, dans les Caraïbes, s'apprête à étudier deux grandes inconnues du climat: les cumulus d'alizés et les tourbillons de petite échelle dans l'océan (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par Jacques Perrin et Jacques Cluzaud dont le tournage a commencé en 2004 et produit en 2009.). Cette campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés habités, elle s'oppose aux concepts de ville, d'agglomération ou de milieu urbain. La...) internationale initiée par des chercheurs du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) en France et de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Max Planck (Max Planck (né Max Karl Ernst Ludwig Planck le 23 avril 1858 à Kiel, Allemagne - 4 octobre 1947 à Göttingen, Allemagne) est un physicien allemand. Il est lauréat du prix...) en Allemagne avec leurs collègues de la Barbade (La Barbade (Barbados en anglais) est un État insulaire situé à la frontière de la mer des Caraïbes et de l'océan Atlantique. Pendant plus de trois...), rejoints par des équipes américaines et britanniques, se déroulera du 20 janvier au 20 février 2020 et sera l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par...) de nombreuses innovations en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très...) de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) et de l'océan (Un océan est souvent défini, en géographie, comme une vaste étendue d'eau salée. En fait, il s'agit plutôt d'un volume, dont l'eau est en permanence...). Elle devrait aider à réduire les incertitudes sur la vitesse (On distingue :) et l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) du réchauffement futur.


Les cumulus d'alizés, petits nuages de basse altitude, peu couvrants, forment la "majorité silencieuse" des nuages surplombant l'océan tropical. Photo prise lors de la campagne aéroportée Narval 2, en août 2016, au large de la Barbade. Elle montre une organisation (Une organisation est) en arc de cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale distance d'un point nommé centre. La valeur de cette distance est...) de ces nuages. © Sandrine Bony, Laboratoire de météorologie (La météorologie a pour objet l'étude des phénomènes atmosphériques tels que les nuages, les précipitations ou le vent...) dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) (CNRS/ENS-PSL/École polytechnique/Sorbonne Université)

Depuis quarante ans, les climatologues butent sur un paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un...) dont dépend pourtant l'ampleur du réchauffement à venir: la sensibilité du système climatique à l'augmentation du CO2 dans l'atmosphère, communiqué et dossier de presse, 17 septembre 2019. Mais ils savent aujourd'hui que la manière dont les nuages réagissent au réchauffement est au coeur du problème.

Pour tenter d'y voir plus clair, la campagne internationale EUREC4A (Elucidating the role of clouds-circulation coupling in climate) co-dirigée par Sandrine Bony, du CNRS, et Bjorn Stevens, de l'Institut Max Planck, en partenariat avec David Farrell, de l'Institut pour la météorologie et l'hydrologie des Caraïbes, se penchera pendant un mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) sur les cumulus d'alizés au large de la Barbade (Caraïbes). Ces petits nuages de beau temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) intéressent grandement les climatologues: du fait de leur omniprésence dans les Tropiques, un léger changement de leurs propriétés pourrait avoir des conséquences importantes sur le climat (Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une région donnée pendant une période de temps donnée. Il se distingue de la météorologie qui désigne...). La couverture de ces nuages au pouvoir refroidissant va-t-elle augmenter ou diminuer avec le réchauffement climatique (Le réchauffement climatique, également appelé réchauffement planétaire, ou réchauffement global, est un phénomène d'augmentation de la température moyenne des océans et de...) ? Selon les cas, le réchauffement serait atténué ou amplifié. Par ailleurs, l'organisation spatiale de ces nuages peut former différents motifs (voir photos). Qu'est-ce qui contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) ces différents agencements ? Jouent-ils un rôle dans les propriétés refroidissantes de ces nuages ? Sont-ils influencés par le réchauffement ?


Les cumulus d'alizés peuvent connaître divers agencements, comme ce motif de "fleurs" capturée par l'imageur MODIS du satellite Terra (Terra (pluriel terrae) est un mot d'origine latine qui désigne la Terre, le sol. Il est employé par l'Union astronomique internationale pour des étendues très vastes de terrains. Il est utilisé sur Mars pour...) de la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est...). © NASA Worldview

Afin de mieux comprendre la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne...) de ces nuages, leurs conditions de formation et les facteurs qui influencent leurs propriétés, la campagne EUREC4A déploiera cinq avions équipés d'une instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :) de pointe, et des méthodes innovantes. En particulier, l'ATR-42 français volera à la base des nuages et combinera mesures radar (Le radar est un système qui utilise les ondes radio pour détecter et déterminer la distance et/ou la vitesse d'objets tels que les avions, bateaux, ou encore la pluie. Un émetteur...) et lidar (La télédétection par laser ou LIDAR, acronyme de l'expression en langue anglaise « Light Detection and Ranging », désigne une...) ainsi que de nombreuses mesures in situ pour étudier leur étendue et leurs propriétés (quantité d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), taille des gouttes, mouvements internes...). À plus haute altitude, l'avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI), est un aéronef plus lourd que l'air, entraîné par...) allemand lâchera des "dropsondes" pour mesurer la vitesse verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est...) à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande hauteur. Le terme « grande...). En parallèle, l'observatoire de nuages de la Barbade caractérisera l'atmosphère depuis le sol, et quatre navires de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) ainsi qu'une multitude de drones étudieront l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir...) entre océan et atmosphère.

Car c'est là que réside une autre grande source d'incertitude. Principal régulateur du climat mondial, l'océan est particulièrement turbulent (Le HMS Turbulent (n° de coque : S 87) est un bâtiment de la classe Trafalgar de sept sous-marins nucléaires d'attaque de la Royal Navy.) dans cette région, avec beaucoup de petits tourbillons (moins de 100 km de diamètre) brassant de l'eau plus chaude qu'aux alentours. Les chercheurs soupçonnent que ces tourbillons jouent un rôle dans les flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le...) de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la...) et d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) entre l'océan et l'atmosphère, comme la capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de l'objet...) de CO2 et de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) par l'océan. Ces échanges, caractérisés par des échelles fines (de quelques dizaines de mètres à quelques dizaines de kilomètres), sont mal connus et représentés de manière sommaire dans les modèles climatiques. Pour la première fois à ces échelles, les flux de CO2, de chaleur, et les frottements à la frontière (Une frontière est une ligne imaginaire séparant deux territoires, en particulier deux États souverains. Le rôle que joue une frontière peut fortement varier suivant...) entre l'océan et l'atmosphère seront étudiés de manière intensive, grâce à la mise en oeuvre simultanée de quatre navires, de bouées instrumentées, de planeurs sous-marins et de drones à voile.


Structure de la vitesse de surface de l'océan Atlantique (L'océan Atlantique est l'un des cinq océans de la Terre. Sa superficie de 106 000 000 km² en fait le deuxième par la taille derrière l'océan Pacifique. Il s'est...) nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.). Extrait d'une simulation numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à...) de la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) océanique (modèle CROCO à 2 km de résolution horizontale) réalisée dans le cadre du Grand challenge “ENERGETICS” sur le supercalculateur Jean-Zay (IDRIS-GENCI). © Jonathan Gula, Laboratoire d'océanographie (L’océanographie (de « océan » et du grec γρ?φειν / gráphein, écrire) est l'étude des océans et des mers de la Terre. Les océanographes...) physique et spatiale (CNRS/IRD/Ifremer/UBO), Brest.

Les nouvelles données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un...) obtenues permettront de tester notre compréhension de processus cruciaux pour le climat et sa réponse à l'augmentation des émissions de CO2. Elles aideront aussi à évaluer la capacité des modèles numériques de prévision météorologique et climatique à prédire les cumulus d'alizés et les échanges océan-atmosphère. Enfin, elles contribueront à améliorer la télédétection (La télédétection désigne, dans son acception la plus large, la mesure ou l'acquisition d'informations sur un objet ou un phénomène, par...) par satellite de ces processus.

Cette campagne, soutenue par le Programme mondial de recherche sur le climat, est essentielle pour relever deux de ses grands défis scientifiques ("nuages, circulation et sensibilité climatique" et "bilan thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents...) planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire (le Soleil et ses planètes) en tout ou partie. Généralement les astres représentés sont animés soit...) et stockage de chaleur par les océans"). Elle bénéficie notamment de la bourse ERC Advanced Grant attribuée à Sandrine Bony et d'un financement européen de la JPI Ocean & Climate coordonné par Sabrina Speich.


Plateformes d'observation mises en oeuvre pour la campagne EUREC4A.
En haut, de gauche à droite: l'avion de recherche français ATR-42, l'avion de recherche allemand Halo, l'avion de recherche américain WP-3D, l'avion de recherche anglais Twin Otter, et le RSS de la Barbade. Deuxième ligne: l'île (Une île est une étendue de terre entourée d'eau, que cette eau soit celle d'un cours d'eau, d'un lac ou d'une mer. Son étymologie latine, insula, a donné l'adjectif « insulaire » ; on dit aussi...) de la Barbade avec la couverture de son radar, l'observatoire des nuages de la Barbade, le radar PoldiRad et le CloudKite (ballon captif attaché à un navire). Troisième ligne: les navires de recherche Atalante (France), Maria S Merian et Meteor (Allemagne) et Ron Brown (États-Unis). Enfin, en bas, le drone (Un drone ("faux bourdon" en anglais) ; ou UAV (Unmanned Aerial Vehicle) est un aéronef sans pilote humain à bord. Il emporte une charge utile destinée, le plus souvent,...) Boréal, un drone à voile, un flotteur profilant Argo (Dans la mythologie grecque, Argo (en grec ancien Αργ? / Arg?) était le nom du bateau à bord duquel Jason et les Argonautes naviguèrent...) et un planeur (Un planeur est un aérodyne qui est, par définition, dépourvu de moteur. Il existe toutefois des versions dotées d'un moteur d'appoint...) sous-marin (Un sous-marin est un navire capable de se déplacer dans les trois dimensions, sous la surface de l'eau ; il se distingue ainsi des autres bateaux et navires qui se...).
© EUREC4A / CNRS-DLR-BAS-NOAA-BCO-MPI-Ifremer-Météo France-Saildrone-Briese Schiffahrts GmbH & Co. KG-UEA.

Plus de 30 institutions de 11 pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la civitas...) participent à la campagne. En France, 13 laboratoires ou structures du CNRS et de ses partenaires sont impliqués ; ils enverront une centaine de personnes sur le terrain.

En savoir plus, sur le site de la campagne: http://eurec4a.eu/
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