forçage et déséquilibre radiatifs TOA

Dans les commentaires de l' article sur les SST de juin 2009, est apparue une discussion au sujet de la courbe de variation de chaleur de l’océan et en particulier de sa relation avec le forçage radiatif.

Nous allons ici essayer de débroussailler ce problème et utilisant des hypothèses simplificatrices.

 

système thermodynamique

le système est composé de l’atmosphère, délimitée par la TOA (Top of Atmosphere), et l’océan (par exemple)

échanges d’énergie entre le milieu extérieur et le système

Le milieu extérieur est l’espace qui est composé de vide et de corps radiatifs comme le Soleil.

En conséquence, les échanges d’énergie entre le système et l'espace sont exclusivement radiatifs.

Ces échanges se traduisent par un flux entrant (F₊) compté positivement, et un flux sortant (F_-) compté négativement.

Il sont exprimés en W/m2.

La différence entre ces deux flux, F, est le déséquilibre radiatif du système.

Lorsque le système est en équilibre, c'est-à-dire que son énergie interne est constante, sa température est également constante, si on suppose qu’il n’y a pas de changement de phase ou autre variation d'énergie (cinétique, potentielle..).

A l’équilibre F = 0

si F > 0  ( ou <0) le système reçoit (ou perd) de l’énergie et sa température augmente (ou diminue) jusqu’au retour à l’équilibre c'est-à-dire jusqu’à F = 0

notion de forçage radiatif TOA

le forçage radiatif TOA ( F_R), du par exemple à l'introduction d'une substance dans l'atmosphère, à une variation de l'activité solaire,..., est égal au flux net (F) juste à la suite du processus modifiant ce flux net et avant toute variation de la température du système, autrement dit, toutes choses étant égales par ailleurs.

Si on imagine qu’on provoque un forçage instantané, F_R, la température va évoluer (baisser ou augmenter) en fonction du signe de ce forçage, jusqu’à une température d’équilibre T_E, telle que le flux net est nul.

sensibilité climatique

la sensibilité se définit comme l’augmentation de température à l’équilibre suite au doublement de la teneur en CO2.

On peut également la définir (on parle alors de coefficient de sensibilité climatique) comme le rapport entre la variation de température d’équilibre et le forçage à l'origine de cette variation.

Elle inclut toutes les rétroactions qu'elles soient positives ou négatives.

Dans la suite de cet exposé on désignera par T les variations de température.

la  sensibilité climatique, S, sera donc définie comme :

S = T_E / F_R    en °K.m2/W  (on peut aussi utiliser les °C)

hypothèse simplificatrice n°1

Nous allons supposer que les variations de température sont suffisamment faibles (quelques degrés) pour que les variations de flux radiatifs avec la température soient linéaires.

On supposera aussi que les processus sont linéaires.

Cette hypothèse nous permet d’établir une relation très simple entre F et T.

Si on suppose que

F = a T + b

si F =0 ==> T = T_E (on est à l'équilibre)

si F = F_R ==> T = 0 (on est juste au moment du processus de changement du flux net)

on trouve facilement :

F = -T/S + F_R

Comme on le voit, le flux n’est égal à F_R que pour T = 0, c'est-à-dire avant toute réaction du système

hypothèse simplificatrice n°2

on suppose que l’atmosphère a une capacité négligeable par rapport à l’océan et que celui-ci se réduit à une masse m correspondant à une couche d’épaisseur donnée.

On a alors F qui correspond à une puissance de chauffage égal à mc dT/dt

avec m masse de la couche et c capacité calorifique de l’eau (4186 J/°K kg)

(on peut avoir une approche plus exacte de la réalité en utilisant un modèle multicouches comme ici)

On a donc l’équation différentielle suivante qui relie T et t :

-T/S + F_R = mc dT/dt

elle a pour solution

T = F_R .S( 1- exp( -t/mcS))

solutions particulières

lorsque t = 0 (instant initial) T = 0

lorsque t tend vers l’infini T tend vers F_R .S = T_E

expression du flux net ou de la variation de chaleur instantanée de l’océan

on a

F = mc.dT/dt = F_R . exp( -t/mcS)

on retrouve lorsque t = 0, F = F_R et lorsque t tend vers l’infini, F tend vers 0.

la puissance instantanée n’est donc pas égale à F_R mais varie de F_R à 0.

la variation logarithmique de F est :

dF/F = -dt/mcS

en d’autres termes la variation relative de F ne dépend pas du forçage mais de la masse d’océan concernée et de la sensibilité climatique.

Autrement dit, plus la masse concernée est élevée et plus la variation de chaleur relative sera  faible et, plus surprenant, plus la sensibilité sera forte et plus également cette variation relative sera faible.

Dans le même ordre d'idées, plus la sensibilité climatique est élevée et plus lent sera le retour à l’équilibre.

Une autre conséquence de tout cela est qu’on ne peut calculer le forçage radiatif uniquement par la connaissance de la courbe de variation de chaleur, mais il faut connaître également la sensibilité du système.

le problème se compliquant évidemment par le fait que le forçage s’établit progressivement et pas brutalement comme simplifié plus haut et que de plus il varie non linéairement.

Dans ce cas, il faut passer par un petit modèle qui permet d’étudier la réponse transitoire.

Je vous épargnerai ça pour le moment.

Comments

[Chaud]

Merci Météor Ton explication est très claire. Je me fourvoyais complètement. C'est l'unité en W/M² du forcage radaitif qui me faisait penser que cette donnée était équivalente au flux. Pour reprendre une analogie électronique, comme Sirius dans le forum,  la fonction que tu décris correspond à la réponse d'un circuit RC à un échelon. Tout cela m'a forcé à creuser un peu plus. J'ai trouvé plusieurs valeurs de flux instantané: la plus élevée étant, si j'ai bien compris, 1,4W dans ce document de la Nasa: ici . J'ai toujours un peu de mal à recoller les morceaux, mais ils semblerait que les personnes de la Nasa y arrivent. Au delà des plateaux de la courbe de chaleur dont personne ne sait si ils sont réels ou pas je suis presque plus étonné par la montée de chaleur de 2002/2003. Je n'ai trouvé aucune corrélation avec les courbes de température de surface ni avec les courbes de niveau des océans. Mais la précision des mesures ne permet peut être pas de s'intéresser a ce qui se passe sur une période aussi courte. Par ailleurs en référence à une discussion plus ancienne, j'ai trouvé un étude récente qui me semble intéressante sur les mesures de l'albédo et sa variation depuis 1985: là. Tes commentaires sur la pertinence de cette analyse sont les bienvenus. Je suis allé faire un tour sur le Forum c'est effectivement peu utilisé. Dommage.

[meteor]

Wong est un de ceux qui essaient de reconstituer, avec beaucoup de mal, l'évolution du bilan radiatif TOA, au gré des recalibrages divers et variés, de satellites.
La tâche me semble impossible mais ne désespérons pas.
C'est le déséquilibre de 1.4 W/m2 lors du Niño 97/98 qui me laisse penser que ces évènements provoquent des forçages radiatifs.

Pour l'article sur l'albédo, merci.
Je suis étonné par l'albédo trouvé par l'ISCCP en 2006, presque aussi important que celui de 1992 lors du Pinatubo.
Néanmoins au delà des valeurs particulières pour telle ou telle année, il semble qu'il y ait accord entre les mesures par satellite et par "clair de Terre sur la Lune" pour mettre en évidence une
augmentation de l'albédo au cours de ces dernières années.
Cette augmentation de l'ordre de 1% n'est pas négligeable puisque correspondant à un forçage de -3.4W/m2.
Cela pourrait-il expliquer une partie de la stagnation récente des températures et de la prise de chaleur océanique?
De même, une diminution, avant cette période, de l'albédo pourrait-elle expliquer une partie de la forte augmentation de ces derniers paramètres à partir des années 80?
Difficile de répondre mais c'est une possibilité à ne pas négliger et à garder en mémoire en tous les cas.