Le dioxyde de carbone a un double effet sur l'atmosphère : une étude dévoile ce mécanisme

Ce phénomène paradoxal est depuis longtemps considéré comme une signature de l'impact des activités humaines sur le climat. Pourtant, les mécanismes physiques qui l'expliquent demeuraient jusqu'à présent mal compris.

Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l'Université Columbia décrivent les mécanismes à l'origine de ce phénomène. Ils montrent qu'il est largement déterminé par la manière dont le dioxyde de carbone (CO₂) interagit avec différentes longueurs d'onde de la lumière.

Une véritable empreinte du changement climatique

« Cela permet d'expliquer un phénomène qui constitue une véritable empreinte du changement climatique, observé depuis des décennies mais jamais pleinement compris », explique Robert Pincus, professeur de recherche en physique de l'océan et du climat à l'Observatoire de la Terre Lamont-Doherty, rattaché à la Columbia Climate School, et coauteur de l'étude publiée dans la revue Nature Geoscience.

Dans les basses couches de l'atmosphère, les molécules de dioxyde de carbone piègent une partie de la chaleur qui s'échapperait autrement vers l'espace. En revanche, à plus haute altitude, la situation est différente. Dans la stratosphère — la couche de l'atmosphère située entre environ 11 et 50 kilomètres d'altitude — les molécules de dioxyde de carbone agissent presque comme un radiateur : elles absorbent le rayonnement infrarouge provenant des couches inférieures, puis en réémettent une partie vers l'espace. À mesure que la concentration en dioxyde de carbone augmente, la stratosphère évacue ainsi davantage de chaleur et se refroidit.

Ce phénomène avait été prédit dès les années 1960 par les modèles du climat terrestre et du réchauffement climatique induit par le dioxyde de carbone développés par le climatologue Syukuro Manabe, récompensé par le prix Nobel. Depuis le milieu des années 1980, la stratosphère s'est refroidie d'environ 2 °C. Les chercheurs estiment que ce refroidissement est plus de dix fois supérieur à celui qui se serait produit en l'absence des émissions humaines de dioxyde de carbone.

Si les grands principes du refroidissement de la stratosphère sont connus depuis longtemps, les mécanismes précis restaient toutefois mal élucidés. « La théorie existante était extrêmement éclairante, mais nous ne disposions pas encore d'une théorie quantitative du refroidissement stratosphérique induit par le dioxyde de carbone », explique Sean Cohen, chercheur postdoctoral à l'Observatoire de la Terre Lamont-Doherty et auteur principal de l'étude.

Sean Cohen, Robert Pincus et Lorenzo Polvani, géophysicien à Lamont et professeur au Département de physique appliquée et de mathématiques appliquées de la Columbia Engineering School, ont élaboré leur théorie grâce à une méthode itérative consistant à identifier les principaux processus impliqués dans le refroidissement de la stratosphère, à les modéliser mathématiquement, puis à comparer leurs résultats avec des simulations climatiques détaillées et des observations réelles. Après plusieurs mois de travail, ils sont parvenus à des équations reproduisant fidèlement les données.

Le rayonnement infrarouge

Les chercheurs ont identifié un facteur déterminant : la manière dont les molécules de dioxyde de carbone interagissent avec la lumière, en particulier avec le rayonnement infrarouge (ou rayonnement à grande longueur d'onde). Toutes les longueurs d'onde infrarouges ne traversent pas l'atmosphère de la même façon. Certaines contribuent davantage au refroidissement que d'autres. L'équipe a montré que les longueurs d'onde appartenant à une « fenêtre optimale » sont particulièrement efficaces. À mesure que la concentration de dioxyde de carbone augmente, cette fenêtre s'élargit.

« Ce sont ces variations d'efficacité qui finissent par provoquer le refroidissement de la stratosphère », explique Sean Cohen.

Les chercheurs ont également quantifié le rôle de l'ozone et de la vapeur d'eau. Ces deux gaz interviennent dans des processus comparables à ceux du dioxyde de carbone : ils piègent eux aussi une partie de la chaleur dans les basses couches de l'atmosphère, tout en contribuant au refroidissement de la stratosphère en réémettant de la chaleur sous forme de rayonnement. Toutefois, leur influence reste nettement plus faible que celle du dioxyde de carbone.

Trois phénomènes bien connus

Les équations établies par les chercheurs reproduisent avec précision trois phénomènes bien connus : le refroidissement stratosphérique augmente avec l'altitude, étant plus faible dans la basse stratosphère et plus marqué près de la stratopause ; chaque doublement de la concentration en dioxyde de carbone entraîne un refroidissement d'environ 8 °C au niveau de la stratopause ; enfin, une stratosphère plus froide laisse s'échapper moins de rayonnement infrarouge vers l'espace, ce qui renforce l'effet de serre du dioxyde de carbone. Autrement dit, le dioxyde de carbone améliore la capacité de la stratosphère à évacuer sa chaleur, ce qui la refroidit. Mais, parce qu'elle devient plus froide, le système climatique terrestre perd globalement moins de chaleur vers l'espace, ce qui accentue le réchauffement des basses couches de l'atmosphère.

« Nous connaissions ce phénomène depuis plus de cinquante ans et nous en avions une bonne compréhension qualitative. En revanche, nous ne comprenions pas précisément quels mécanismes physiques le contrôlaient », souligne Sean Cohen.

Pour Sean Cohen et Robert Pincus, l'intérêt principal de ces travaux n'est pas d'apporter une preuve supplémentaire du réchauffement climatique, dont la réalité est déjà solidement établie, mais de mieux comprendre les mécanismes responsables du refroidissement de la stratosphère. « Cette étude nous permet d'identifier les mécanismes essentiels », explique Robert Pincus. Elle pourrait également servir de base à de futurs travaux sur les atmosphères d'autres planètes.

« Nous pourrions ainsi mieux comprendre le fonctionnement des stratosphères d'autres planètes de notre système solaire, voire d'exoplanètes », conclut Sean Cohen.

Les principaux enseignements de l'étude

• Les chercheurs expliquent pourquoi l'augmentation du dioxyde de carbone refroidit la stratosphère tout en réchauffant la surface terrestre et les basses couches de l'atmosphère.
• L'étude montre que ce refroidissement est largement contrôlé par l'interaction du dioxyde de carbone avec différentes longueurs d'onde du rayonnement infrarouge.
• À mesure que la concentration de dioxyde de carbone augmente, la gamme des longueurs d'onde infrarouges participant au refroidissement de la stratosphère s'élargit.
• Ces résultats permettent de mieux comprendre comment le refroidissement de la stratosphère renforce indirectement l'effet de serre du dioxyde de carbone.