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

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. Cette campagne internationale initiée par des chercheurs du CNRS en France et de l'Institut Max Planck en Allemagne avec leurs collègues de la Barbade, rejoints par des équipes américaines et britanniques, se déroulera du 20 janvier au 20 février 2020 et sera l'objet de nombreuses innovations en matière d'observation de l'atmosphère et de l'océan. Elle devrait aider à réduire les incertitudes sur la vitesse et l'amplitude du réchauffement futur.


Depuis quarante ans, les climatologues butent sur un paramètre 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 sur les cumulus d'alizés au large de la Barbade (Caraïbes). Ces petits nuages de beau temps 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. La couverture de ces nuages au pouvoir refroidissant va-t-elle augmenter ou diminuer avec le réchauffement climatique ? 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 ces différents agencements ? Jouent-ils un rôle dans les propriétés refroidissantes de ces nuages ? Sont-ils influencés par le réchauffement ?


Afin de mieux comprendre la physique de ces nuages, leurs conditions de formation et les facteurs qui influencent leurs propriétés, la campagne EUREC4A déploiera cinq avions équipés d'une instrumentation de pointe, et des méthodes innovantes. En particulier, l'ATR-42 français volera à la base des nuages et combinera mesures radar et lidar ainsi que de nombreuses mesures in situ pour étudier leur étendue et leurs propriétés (quantité d'eau, taille des gouttes, mouvements internes...). À plus haute altitude, l'avion allemand lâchera des "dropsondes" pour mesurer la vitesse verticale de l'air à grande échelle. En parallèle, l'observatoire de nuages de la Barbade caractérisera l'atmosphère depuis le sol, et quatre navires de recherche ainsi qu'une multitude de drones étudieront l'interface 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 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 de gaz et d'énergie entre l'océan et l'atmosphère, comme la capture de CO2 et de 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 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.


Les nouvelles données 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 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 planétaire 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.


Plus de 30 institutions de 11 pays 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/