Dans un  précédent article, nous évoquions quelques hypothèses  concernant les incohérences actuelles entre les différentes mesures de niveau de la mer.

Ceci amenait à se poser  à se poser des questions sur la chaleur stockée par l'océan au cours de la période récente.

un peu de théorie

Comparé aux autres éléments qui composent les couches les plus extrèmes de la géosphère, comme les sols ou l'atmosphère, l'océan, étant données sa masse, sa capacité calorifique, sa faculté de mélange rapide (pour sa couche supérieure) constitue l'élément fondamental qui intervient dans les variations thermiques de la surface.

La Terre ne pouvant recevoir et émettre de l'énergie que de façon radiative, avec un seul milieu, l'espace et la limite Terre/espace étant constituée par le haut de l'atmosphere (abréviation TOA pour Top Of  Atmosphere),

la mesure des flux radiatifs TOA nous donne le flux net qui traverse la limite du système terrestre.

Si ce flux net est positif, le système gagne de l'énergie.

Si ce flux net est négatif, le système perd de l'énergie.

Les caractéristiques du système terrestre sont telles que toute variation d'énergie qu'il subit se manifeste sous forme de variation de chaleur.

Cette variation de chaleur peut se faire de deux façons :

- sensible liée à la variation de température

- latente liée au changement de phase à l'intérieur du système.

le changement de phase solide/liquide concerne les phénomènes de gel et de fonte (négligeable)

le changement de phase liquide/gaz concerne les phénomènes de vaporisation et de condensation.

La vaporisation/condensation concerne, globalement, des quantités importantes.

Mais il s'agit avant tout d'un cycle et s'il y a variation de chaleur latente cela ne concerne que celle induite par la variation de teneur de vapeur d'eau (VE) dans le système.

expression du bilan thermique

Soient F_- et F₊  les flux TOA  montant (flux solaire réfléchi + flux IR terrestre) et descendant (flux solaire total).

A l'équilibre thermique, on a, par définition, F_- = F₊ et le flux net que nous appellerons F, égal à  F_-- F₊  est donc nul.

Si l'on est pas en équilibre thermique, on peut écrire qu'en application du premier principe:

δU/δt = mcδθ/δt = F  (eq 1)

où , pour le système:

U = énergie interne

m = masse

c = capacité calorifique à volume constant

θ = température

si on modifie les propriétés radiatives du système, on crée un déséquilibre radiatif TOA et la température va évoluer de manière à rétablir l'équilibre.

Le forçage radiatif créé, par exemple, par l'introduction d'une substance active dans l'atmosphère, est égal au flux net, résultant de cette introduction, en l'absence de toute variation du système.

C'est  F lorsque t = 0.

On peut calculer la nouvelle température  d'équilibre du système de façon apparemment simple en intégrant l'équation:

(eq 2)

avec F(0) = RF , forçage radiatif et F(∞) = 0 (si on admet qu'on retourne à l'équilibre)

Pour connaître θ, ainsi que mcδΘ/δt , il faut connaître F(t), et, en général, il faut passer par des modèles.

Mais l' équation 1 permet de rendre compte que la mesure du flux net, F, doit être égale à la mesure de puissance thermique entrant ou sortant du système.

Le système terrestre qui nous occupe est principalement constitué d'une couche d'eau dont les caractéristiques de masse, de capacité calorifique et de mélange, en bref son inertie thermique, sont telles qu'elle surclasse toutes les autres (surface terrestre et atmosphère), sur le plan thermique.

En conséquence, la puissance thermique qui rentre dans l'océan, P_oc, est égale, en première approche, au flux net TOA, en prenant toutefois soin de considérer le fait que le flux TOA s'exprime généralement en W/m2 de surface globale, et que le flux de réchauffage de l'océan concernera donc également, une puissance par m² d'océan.

détermination de P_oc

P_oc, puissance absorbée par l'océan, se détermine en intégrant, sur la profondeur, la chaleur gagnée par l'océan sur une période donnée.

C'est donc essentiellement grâce à la mesure de la variation de température à des emplacements géographiques et des profondeurs déterminées que l'on détermine cette chaleur.

Les mesures de température s'accompagnant de mesure de pression et de salinité, donnent lieu au calcul de la hauteur stérique et donc aux variations de niveau de la mer engendrées par les variations de densité.

Comme nous l'avons vu plusieurs fois ici, on dispose maintenant d'une flotte homogène de capteurs répartis sur la quasi-totalité des océans.

Il s'agit des flotteurs ARGO, dont voici l'état au 5 janvier.

Leur fonctionnement est illustré ci-dessous:

Comme on le voit sur la carte plus bas, le déploiement des balises se complète tous les ans.

On peut toutefois considérer que depuis 4 à 5 ans, même si le déploiement n'était pas complet à l'époque, l'évolution des températures que les flotteurs  ARGO ont enregistrées, présente une certaine significativité.

Cette évolution des températures se traduit en terme d'évolution de la densité, donc du volume et du niveau des océans.

Rappelons que l'évolution du niveau des océans peut être décomposée en 2 termes :

- Le premier est un terme stérique lié à la densité et donc à la salinité et surtout la température (à masse égale)

- Le deuxième fait intervenir la masse totale.

En gros, si on chauffe l'eau dans une casserole, le liquide se dilate, son niveau augmente (terme stérique), et si, d'autre part, on rajoute de l'eau, la masse augmente et son niveau augmente également (terme massique).

Il y a plusieurs méthodes pour mesurer ces différents termes

La première, nous venons de le voir, mesure le niveau stérique par les balises  ARGO.

La deuxième mesure la variation de masse par la variation de la gravité qu'elle engendre, c'est le principe de GRACE Gravity Experiment And Climate Experiment).

Il ne s'agit pas de mesurer directement les variations du champ gravitationnel, mais de mesurer leurs influences sur les mouvements de deux satellites jumeaux A et B, comme indiqué dans ce texte issu du site cité plus haut :

« The long-term average distribution of the mass within the Earth system determines its mean or static gravity field. The motion of water and air, on time scales ranging from hours to decades, largely determines the time variations of Earth's gravity field. The mean and time variable gravity field of the Earth affect the motion of all Earth satellites. The motion of twin GRACE satellites are affected slightly differently since they occupy different positions in space. These differences cause small relative motions between these satellites, designated GRACE-A and GRACE-B. The distance changes are manifested as the change in time-of-flight of microwave signals between the two satellites, which in turn is measured as the phase change of the carrier signals. The influence of non-gravitational forces on the inter-satellite range is measured using an accelerometer, and the orientation of the spacecraft in space is measured using star cameras. The on-board GPS receivers provide geo-location and precise timing."

La troisième enfin, permet la mesure directe du niveau par altimétrie satellite.

Les satellites successifs participant à cette mesure sont TOPEX/POSEIDON lancé en 1992, puis JASON 1 lancé en 2001, enfin JASON 2 tout récemment lancé en juin 2008.

Le principe de base  est visible ici.

On peut retenir qu'il s'agit d'une part de mesurer, avec une grande précision, la position du satellite, d'autre part de mesurer la distance du satellite à la surface par radar.

La précision de la mesure varie de 4.2cm pour TOPEX/POSEIDON à 2.5cm espérés pour JASON2, en passant par 3.3cm réalisés pour JASON1.

Les caractéristiques de chaque satellite sont rassemblées ici

Alors, il s'agit de faire coller ces trois mesures.

l'équation de base est simple.

Si nous appelons SLG, SLS, SLM, les augmentations de niveau des océans respectivement globale, stérique, et massique, on devrait avoir :

SLG = SLS + SLM aux erreurs et incertitudes près.

Une étude de Willis résume un peu la problématique, importante, actuelle.

Il ne s'agit pas, ici, de tordre le coup, une fois de plus, au refroidissement de l'océan, tel qu'il avait été mesuré par Lyman et Willis en 2006, pour la période 2003-2005.

Ceux qui s'intéressent à ce problème savent  que ce « refroidissement » était un artifact, provoqué par la mauvaise superposition entre 2 moyens de mesure de la température de l'océan supérieur : les XBT qui présentaient un biais chaud, alors que les ARGO présentaient un biais froid.

Lorsque les données ARGO sont arrivées sur le "marché", le résultat a été, immanquablement, un refroidissement artificiel.

Non il ne s'agit pas de cela mais de l'inadéquation entre la dernière version du trend des ARGO  (et uniquement les ARGO) et les données GRACE et JASON.

Et donc, contrairement à ce qu'on pourrait penser en lisant cette news de la NASA (Earth Observatory), il reste encore une part importante d'incompréhension sur ce qui se passe réellement, soit dans la technique des mesures, soit dans la physique des phénomènes.

voici l'abstract de l'étude de Willis :

"Analysis of ocean temperature and salinity data from profiling floats along with satellite measurements of sea surface height and the time variable gravity field are used to investigate the causes of global mean sea level rise between mid-2003 and mid-2007. The observed interannual and seasonal fluctuations in sea level can be explained as the sum of a mass component and a steric (or density related) component to within the error bounds of each observing system. During most of 2005, seasonally adjusted sea level was approximately 5 mm higher than in 2004 due primarily to a sudden increase in ocean mass in late 2004 and early 2005, with a negligible contribution from steric variability. Despite excellent agreement of seasonal and interannual sea level variability, the 4-year trends do not agree suggesting that systematic long-period errors remain in one or more of these observing systems. »

La figure 1 de l'étude de Willis, résume bien l'inadéquation en question :

en noir, les mesures, en gris, les calculs effectués à l'aide des 2 autres moyens de mesure.

On voit que mises à part les variations saisonnières, les trends ne correspondent pas.

Autrement dit, l'océan supérieur ne se réchaufferait pas, voire refroidirait légèrement, alors que le niveau et la masse de l'océan prouveraient le contraire.

Willis liste les erreurs possibles à résoudre sur les 3 systèmes de mesure, mais il semble que l'amplitude de ces erreurs, même cumulées, ne puisse expliquer le désaccord:

« However, even if all of these errors added systematically to cause an under-estimate of ocean mass increase in GRACE, the error would not be larger than 1 mm/year based on conservative estimates. This is still not enough to close the budget in the trend, although it would bring it slightly closer. We also note that these effects are very long-wavelength and would not be expected to appear as the smaller wavelength signals in the trend maps that are observed"

Un point intéressant concerne le fait que la chaleur stockée dans l'océan profond n'est pas prise en compte :

"It is important to note that although these three observing systems are complementary, they are not redundant. As noted above, Argo is capable of measuring density changes in the upper ocean only and on time scales of decades or longer, deep steric changes will cause significant contributions to sea level rise [Antonov et al., 2005] »

Mais, comme il est indiqué, les échelles de temps sont différentes.

Il serait donc surprenant, physiquement parlant, que l'océan profond ait échangé de la chaleur avec l'océan supérieur, mais, par contre, cela pourrait expliquer les différents trends.

On a donc, on l'aura compris un problème avec les mesures de niveau et, in fine, avec le fait de savoir, si oui ou non, l'océan a bien stocké de la chaleur, comme le suggère l'augmentation du niveau global, et les modèles climatiques, ou, si le système a perdu de l'énergie dans l'espace.

(Si on admet que, suivant les modèles (voir Hansen), elle devrait gagner 0.85W/m2.)

Dans ce dernier cas, il s'agirait de savoir pourquoi, mais avant cela, il s'agirait d'en être sûr.

Or, c'était le but du premier chapitre, si on sait mesurer le bilan radiatif au sommet de l'atmosphère on sait mesurer la puissance absorbée par l'océan.

mesure du bilan radiatif

Ces mesures se font, comme on s'en doute, par satellite.

Le principe de base est de mesurer, en SW (courtes longueurs d'onde) le flux solaire réfléchi, en LW (grandes longueur d'onde) le flux terrestre émis, et, enfin, le flux total.

Après les satellites du temps de l' ERBE, les NOAA 9 et 10, sont venus les satellites du CERES comme le CERES Terra, lancé en 1999, et le CERES Aqua, lancé en 2002.

Sans compter le TRMM, lancé en 1997 pour des besoins plus spécifiques.

Un article écrit par Takmeng Wong et Bruce A. Wielicki, deux sommités du budget radiatif de la planète, apporte des informations intéressantes dans la perspective de la news de la NASA citée plus haut et donc dans la perspective du refroidissement trouvé par Lymann et Willis pour 2003-2005.

On peut retenir en particulier ce graphe :

si on se focalise sur la radiation nette trouvée par CERES/Terra, on s'aperçoit qu'elle est relativement stable de 2001 à 2005, dans la limite de l'incertitude (0.3 à 0.4W/m2),  ce qui infirmerait le fait que l'océan se soit refroidi.

Néanmoins, dans le problème qui nous occupe maintenant, c'est-à-dire la platitude du comportement de l'océan, non seulement nous n'avons pas le bilan récent (enfin je ne l'ai pas trouvé), mais nous sommes loin d'être certains de la valeur absolue du bilan net.

Cette valeur absolue, suivant cet article, et suivant cette étude récente, serait de -2.1 à +6.5W/m2.

Ceci ne veut pas dire que le trend radiatif CERES/Terra n'a pas de réalité car la stabilité des instruments n'est pas en cause, et on peut admettre ainsi que cela constitue un indice que le refroidissement Lymann-Willis était un biais.(Si l'incertitude est bien de l'ordre de 0.3-0.4W/m2, si c'est supérieur à 1W/m2, par exemple, le trend ne veut plus rien dire. Bon, en principe, Wong et Wielicki devraient être  au courant )

Par contre, la valeur absolue pourrait tout aussi bien être proche de zéro et dans ce cas, cela expliquerait que le réchauffement est nul.

(En effet le graphe ci dessus n'indique pas la valeur absolue mais l'anomalie)

En conclusion, un très gros travail, dans de multiples domaines, est nécessaire pour réaliser l'adéquation entre les différentes mesures.

Il semble difficile de proposer des processus physiques qui pourraient expliquer la discordance entre ces mêmes mesures.

On peut imaginer des augmentations d'albédo, des effets d'iris,que sais-je encore...

Pour le moment les scientifiques semblent plutôt réservés, médiatiquement parlant, mais l'enjeu étant considérable, nul doute qu'ils y travaillent.