chaleur des océans: rapport d'étape

Lundi 21 décembre 2009 1 21 /12 /Déc /2009 21:03

chaleur des océans: rapport d'étape

La chaleur captée par les océans est un point fondamental permettant l'analyse de l'évolution climatique actuelle.

Ce point a été abordé de nombreuses fois ici, mais, comme certaines études intéressantes sont parues depuis, il semble bon de faire un rapport d'étape de la situation.

Il est clair que la chaleur captée par les océans est liée à une composante importante du niveau de la mer.

Ce dernier varie suite aux échanges d'eau avec les glaces continentales et aux variations de densité provoquées par les variations de température.

Les variations de salinité interviennent également sur la densité, en fonction des échanges d'eau avec les glaces continentales.

Ces deux composantes sont appelées niveau massique et niveau thermostérique ou, plus simplement, stérique.

La variation de niveau totale devant être égale à la somme des deux composantes.

Les variations massiques sont essentiellement déterminées par mesure de gravité (variations du champ de gravitation mesurée par satellite: GRACE).

Les variations stériques par mesure de la température, avec, notamment, les toutes nouvelles balises ARGO.

Le niveau global étant lui mesuré par altimétrie, soit satellitaire (Jason) soit par marégraphe.

Les variations massiques peuvent également être déterminées, de façon sans doute moins précise, par mesure de densité et de température.

Ces deux mesures permettent de déterminer la salinité.

Si la salinité baisse c'est qu'il y a d'avantage d'eau douce provenant des glaces continentales qui rentre dans l'océan, d'où l'on peut déduire l'augmentation du massique.

Dans le "mystère de la chaleur manquante" nous nous étions intéressés à l'évolution récente de la chaleur captée par les océans et c'était bien resté un mystère, en tous les cas pour l'auteur de ce blog.

Voyons si la situation a évolué depuis...

les dernières études

Concernant la chaleur captée avant 2003, la situation décrite par Domingues 2008 constitue une référence peu remise en cause.

On voit ci dessous l'évolution selon Domingues (courbe noire) de 1951 à 2003 pour la couche d'océan supérieur de 0-700m.

domingues08

de 1961 à 2003 le flux moyen de réchauffage de l'océan était de 0.36+-0.06W/m2.

Dans la courbe du bas, il est intéressant de remarquer la chaleur très importante dans la couche 0-100m soit très près de la surface.

L'étude nous indique de plus que 97% de la chaleur est contenue dans la couche 0-300m.

ceci est une indication du peu de diffusion de la chaleur dans les couches profondes de l'océan et même dans les couches juste en dessous de la thermocline.

L'augmentation de niveau thermostérique moyenne sur la période (1961-2003) est de 0.52+-0.08mm/an.

Sur 1976-2003 il semble y avoir une légère accélération puisque le flux passe à 0.40W/m2 et le niveau à 0.59mm/an.

Pour l'après 2003, les études se sont succédées à la suite de l'introduction progressive des balises ARGO, petits robots sophistiqués se baladant au sein de l'océan et retransmettant leurs résultats aux satellites lors de leurs retours épisodiques à la surface.

La mise au point de ces nouveaux capteurs ne s'est pas faite sans encombre.

De nombreux biais froids des balises Argo, et des biais chauds des anciens capteurs XBT, pour de multiples raisons, ont perturbé suffisamment les scientifiques pour que ces derniers (Lymann, Willis, Johnson 2006) établissent une courbe de chaleur qui avait plutôt surpris à l'époque.

lyman2006

Le refroidissement à partir de 2003 était plutôt impressionnant et sans raison identifiée.

Depuis, les études se sont succédées pour analyser cette période.

Dans Willis 2008, les auteurs trouvent toujours une baisse de niveau stérique et une hausse du niveau massique assez faible avec une inadéquation totale entre (stérique+massique) et altimétrique.

de juillet 2003 à juin 2007:

Sterique: -0.5 ± 0.5 mm/yr

Massique: 0.8 ± 0.8 mm/yr

somme: 0.3 ± 0.6 mm/yr

Altimetrique: 3.6 ± 0.8 mm/yr

décliné en graphiques:

willis2008

Cazenave et al 2008 nous donnent un bilan bien différent:

Data source Rate(mm/yr)

Sea level (altimetry; 2003–2008) 2.5 +/−0.4

Ocean mass (GRACE; 2003–2008) 1.9 +/−0.1

Ice sheets (GRACE; 2003–2008) 1+/−0.15

Glaciers and ice caps (2003–2008; Meier et al., 2007) 1.1+/−0.24

Terrestrial waters (2003–2008) 0.17+/−0.1

Sum of ice and waters 2.2 +/−0.28

Steric sea level (altimetry minus GRACE; 2003–2008) 0.31+/−0.15

Steric sea level (Argo; 2004–2008) 0.37+/−0.1

Il est à noter des informations indépendantes sur ce qui compose le niveau massique

Il est fait référence, dans le document, à des résultats ARGO identiques à ceux de Willis.

Il est possible que Willis ait rectifié ses résultats depuis début 2008, mais je n'ai pas trouvé.

Par contre les nouvelles estimations de niveau massique proviennent d'une meilleure prise en compte du rebond isostasique.

Il semble aussi que l'on arrive à éliminer certaines données supplémentaires biaisées des balises Argo.

Dans Levitus et al 2009, un panorama plus large de la chaleur océanique nous est livré.

Levitus2009

à partir de 2003, on distingue un "plateau" légèrement ascendant.

de 1969 à 2008,la chaleur augmente de 0.40 10²²J/y, soit 0.38W/m2.

de 2003 à 2008, l'augmentation est plus faible égale à 0.16W/m2 environ.

Leuliette dans the budget of recent global sea level rise examine la période janvier 2004-mars 2009, la plus récente période analysée, à ma connaissance.

les résultats sont représentés par ces courbes tant pour le niveau stérique que pour le massique.

leuliette

ainsi que par ce tableau:

tableau leuliette

on relève une légère augmentation du stérique 0.5+-0.5mm (erreur aussi grande que la valeur) et une augmentation du massique nettement plus importante.

Von Schuckmann et al 2009, étudie la période 2003-2008 .

von schuckmann

la quantité de chaleur stockée dans l'océan est nettement plus importante que dans les études précédentes et aboutit à un flux de 0.77W/m2 et une augmentation du niveau stérique de 1mm/an.

La profondeur étudiée est toutefois nettement plus importante (0-2000m) que celle des études précédentes.

Mais on peut douter au regard des autres études que cela soit significatif.

Par contre la contribution du massique est nulle (méthode différente des méthodes par gravité).

citons enfin cette étude de Stjepan Marcelja où l'auteur établit une relation entre SST et chaleur stockée dans l'océan (et niveau stérique) par l'utilisation d'une équation de diffusion.

les résultats sont indépendants des mesures de chaleur mais reproduisent très bien cette dernière voir ci dessous (simulée: courbe rouge, Domingues courbe bleue)

marcelja1

ils sont obtenus sans paramétrisation comme l'indique l'auteur:

"It is remarkable that the agreement is obtained without any adjustable parameters, using

25 the values for eddy diffusivity and upward drift velocity determined by Munk (1966)."

La simulation nous montre que l'océan se réchauffe bien dans la période toute récente.

Le modèle de Marcelja infirme cependant la possibilité d'une contribution significative de l'océan profond à la chaleur captée et à l'augmentation du niveau stérique au cours de ces dernières décennies.

Ce même modèle permet d'observer l'augmentation du niveau après stabilisation des SST suite à la lenteur de la diffusion de la chaleur dans l'océan profond.

marcelja2

conclusion

On peut constater que le chemin vers la connaissance précise de la chaleur stockée dans l'océan, et de son équivalent en augmentation du niveau de la mer, n'est pas un long fleuve tranquille.

Les biais des différents appareils de mesures (XBT, Argo), commencent cependant à être suffisamment cernés, pour qu'on corrige, voire qu'on élimine, des données parasites.

Il ne semble plus aussi évident maintenant qu'il y ait encore un très gros "mystère de la chaleur manquante".

Il semble en effet probable, que le niveau stérique se soit élevé de 0.3 à 1 mm/an au cours de ces 6 dernières années et que le flux de chaleur entrant dans l'océan, de 0.2 à 0.9W/m2, ait été du même ordre que la tendance des 3 dernières décennies, voire, selon Von Schukmann, en augmentation.

Le réchauffement global de l'océan, y compris lors de ces toutes dernières années, est une preuve importante d'un réchauffement par forçage, et rend très peu probable toute explication par une oscillation interne, sauf si cette dernière génère elle-même un forçage.

Ceci ne préjuge en rien de l'origine de ce forçage, quoique le forçage anthropique soit un sérieux candidat.

PS: la "preuve du réchauffement par forçage" s'entend dans le cadre des dernières études mentionnées.

Nous n'avons évidemment aucune preuve que ces études sont exactes, et nous n'avons donc aucune preuve absolue que ce réchauffement est du à un forçage.

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Par meteor - Publié dans : océans - Voir les 6 commentaires
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Commentaires

http://www.lemonde.fr/planete/article/2009/12/25/l-immense-supercherie-d-un-chercheur-en-cristallographie_1284874_3244.html#xtor=AL-32280184

Commentaire n°1 posté par Chaud le 28/12/2009 à 19h27

Bah de ton coté tu considères que l'état de la science prouve un "réchauffement par forçage". Tu considères que les incertitudes ne sont pas suffisantes pour douter.

Il est marrant de voir que tu souhaites que je montre des études qui montrerait un refroidissement. Je fais une analyse critique des éléments que tu présentes sur ce sujet, je ne suis pas là pour défendre un point de vue. J'essaye de mettre en avant ce qui me semble important et sur ce sujet ce sont les doutes qui me semblent les plus importants. Il n'y pas à ma connaissance d'étude qui permette de prendre position sur ce sujet pour l'instant. Chaque auteur faisant d'ailleurs très attention avec souvent(mais pas toujours) des conclusions très nuancées.

Lorsque c'est possible j'apporte des éléments comme je l'ai fait sur l'albédo ou l'évolution des glaciers Alpins. Toujours dans le but d'apporter un éclairage et éviter des conclusions trop rapides.

Il m'est arrivé de critiquer le contenu de certains papier (uniquement lorsque c'est évident) comme cette superbe affirmation sur des écarts de température: mesures insuffisantes pendant les deux guerres mondiales alors que les courbes montraient des décalages préalables.

Je ne cherche pas à affirmer quelque chose, je montre juste qu'il faut garder un sens critique quelque soit l'origine de l'information.

Il semblerait que les chercheurs en cristallographie auraient pu être un peu plus critique ces derniers temps.

Je comprends tes convictions et le besoin de les défendre devant des sceptiques convaincus. Mais nous n'en sommes pas là. Je préfèrerais que nous essayons de progresser ensemble. Comme le faisait remarquer oglala: il y a d'autres sujets importants.

Commentaire n°2 posté par Chaud le 27/12/2009 à 20h25

oglala a fait des commentaires équilibrés mais restant très généraux.
Il est toujours plus difficile d'essayer de rentrer dans de "sordides" détails plus techniques.
C'est ce que j'essaie de faire ici avec plus ou moins de succès en fonction de mes compétences.

Mais entendons nous bien, dans le cas précis de la chaleur captée par l'océan, si je parle de "preuve", c'est évidemment dans le contexte des études que j'ai citées.
Or je n'ai aucun moyen de prouver que ces études sont exactes.
Donc, je n'ai pas la preuve absolue que le réchauffement est du à un forçage.

On peut comprendre, lorsque l'on voit certains commentaires, que je cherche à faire simple sans les circonvolutions scientifiques d'usage.

Mes articles ne sont malheureusement pas des articles scientifiques et ils ne subissent pas un "peer-reviewed", heureusement pour moi sans doute.

Ceci dit j'accepte aussi les critiques constructives, donc je rajouterai une condition à la phrase en question.

euh je ne comprends pas:"Il semblerait que les chercheurs en cristallographie auraient pu être un peu plus critique ces derniers temps."

Réponse de meteor le 27/12/2009 à 21h20

Trop d'incertitudes, beaucoup de si nécessaires pour bâtir des explications cohérentes. Nous savons peu de choses. En tout cas rien qui ne vaille un débat.
Je préfèrerai nettement que tu mettent plus en avant ces incertitudes dans les posts de départ. Il est difficile d'adhérer à des conclusions affirmatives quand autant de doutes entourent les résultats énoncés dans les différentes études et que la porte reste ouverte pour des corrections à venir.

Comment peux tu écrire "une preuve importante d'un réchauffement par forçage" dans ta conclusion?
Dans l'état des connaissances, parler d'une preuve, c'est un peu rapide.

Commentaire n°3 posté par Chaud le 27/12/2009 à 19h04

Il ne s'agit pas vraiment de débattre mais de commenter des études.
Tu affirmes qu'il y a trop d'incertitudes.
Je dirais qu'il y a des incertitudes.
Le "trop" est un jugement de valeur non étayé.
Enfin à mon sens.
lorsque je dis ceci:
"Le réchauffement global de l'océan, y compris lors de ces toutes dernières années, est une preuve importante d'un réchauffement par forçage, et rend très peu probable toute explication par une oscillation interne, sauf si cette dernière génère elle-même un forçage."
Je me fie à l'état de la science actuellement, ni plus, ni moins.
Je n'ai pas trouvé d'études récentes indiquant un refroidissement de l'océan, ni au cours de ces dernières années, ni au cours des dernières décennies.
Si tu en trouves ne te gêne pas pour les signaler.

Réponse de meteor le 27/12/2009 à 19h15

Bonjour Météor
J'ai bien compris ton but, et la conclusion qu'il implique. Mais les imprécisions sur les mesures ne permettent pas d'être aussi catégorique.
Mr Pielke bien connu des milieux du climat ne fait pas la même analyse à partir des mêmes données: http://pielkeclimatesci.wordpress.com/2009/12/23/further-comments-on-the-inadequate-epa-response-to-reviewer-comments-on-ocean-heat-content/

De mon coté je considère ces courbes pour l'instant comme quasiment inutilisables pour établir des conclusions mêmes intermédiaires. L'océan devrait être le plus grand réservoir de chaleur de la surface la planète et donc se comporter comme un intégrateur. Les variations positives et négatives de la quantité de chaleur montrées sur les courbes, si elles sont bien liées au bilan radiatif de la planète, comme les conclusions des articles tendent à le montrer, signifient alors que d'une année sur l'autre ce bilan évolue considérablement.
Comme le niveau de CO2 est augmentation régulière et qu'il ne semble pas exister d'autre réservoirs de chaleur suffisamment grands pour expliquer des échanges, il est probable que d'autres phénomènes influencent le bilan radiatif à court terme. L'ampleur de ces influences dépasse l'impact de l'augmentation annuelle du bilan radiatif du au CO2; il est concevable qu'une composante long terme de ces influences existent. Tout cela donne peu de données utilisable pour en tirer des conclusions dans un sens ou un autre.

Maintenant je garde espoir que ces données s'améliorent, depuis que les balises Argo ont été déployées nous semblons disposer de données plus stables. C'est peut être un hasard du calendrier, l'avenir nous le dira, reparlons en dans dix ans.

Commentaire n°4 posté par Chaud le 27/12/2009 à 16h15

Pielke compare les résultats de Von Schuckmann à une valeur de réchauffage du système de 0.85W/m2 donnée par un modèle du GISS.
Von Schuckmann trouve 0.77W/m2 de réchauffage océanique ce qui donne, ramené au global, 0.77*0.71=0.55W/m2.
Les 0.85W/m2 proviennent d'un forçage net, fin 2003, calculé à 1.8+-0.8W/m2.
Si on est dans la fouchette basse de ce forçage net, par exemple 1.1W/m2, les 0.55W/m2 de Von Schuckmann restent cohérents avec le modèle.
On examinera à nouveau Murphy et al 2009 qui à partir de la courbe Domingues et de bilans TOA donne une idée des différents forçages en action depuis 1950.
Sur 100 de forçage GES+solaire, 20 ont été équilibrés par les volcans et 50 par les aérosols anthropiques.
Il ne reste que 20 pour le rayonnement de la surface et 10 pour le chauffage.
Personnellement je considère qu'il y a bonne cohérence entre ces valeurs et les dernières de Von Schuckmann.
Sinon on espère bien avoir d'autres études sur le sujet avant 10 ans.

PS: ah oui je rajoute un petit truc.
Il faut bien se représenter les ordres de grandeur.
Lorsque l'on parle d'un chauffage de 0.77W/m2 cette valeur est à comparer aux 390W/m2 qui émanent de la surface et aux 342W/m2 de flux solaire TOA, par exemple.
Côté océan maintenant 0.77W/m2 sur une couche de 300m cela représente 0.02°C d'augmentation de température par an.
Ces 0.02°C sont bien inférieurs à l'erreur d'une sonde thermométrique quelle qu'elle soit et c'est le nombre très important de mesures (plusieurs centaines de milliers) qui permettent d'obtenir cette précision.
Mais tout de même, 0.02°C, c'est très peu.
Sur 6 ans cela fait 0.12°C ce qui est déjà plus raisonnable.
0.02°C/an, cela fait 0.20°C/décennie.
Tout cela si on considère que 97% du réchauffage a lieu dans les 300 premiers m.
Cette valeur serait à comparer avec la valeur des SST dans la même période 2003-2008 soit -0.24°C/décennie.
L'augmentation récente serait donc l'illustration de la diffusion de chaleur telle que décrite dans la dernière étude de cet article.
Cela pourrait être aussi l'illustration que la baisse des SST de 2003 à 2008 serait due à un mélange des eaux de surface avec des eaux plus profondes.

Réponse de meteor le 27/12/2009 à 17h30

Bonsoir
Le sujet est délicat et controversé.

Il y a des points qui m'étonne beaucoup dans les courbes de mesures de chaleur présentées. Notamment dans celles de "Levitus et al 2009". Ce ne sont pas les plateaux mais au contraire les accroissements rapide de la quantité de chaleur. Les accroissements en 2001, 2002, 2003 sont fulgurants. Avez vous des explications pour ces pentes très fortes?

Dans l'article on constate que c'est surtout l'atlantique qui présente ce profil, étrange!

On trouve d'autres courbes intéressantes dans l'article qui montre les résultats d'autres études sur le même graphe (figure S9) avec des écarts sur la fin très importants.
Il semble rester du grain à moudre pour affiner ces estimations.

Commentaire n°5 posté par Chaud le 23/12/2009 à 21h27

L'augmentation en 2000-2003 se retrouve non seulement sur l'Atlantique mais également dans le Pacifique.
Je n'ai pas trouvé d'explication précise.
Il y a un effet retard du à la diffusion de la chaleur dans l'océan et il faudrait analyser le signal de façon spatio-temporelle.
Il faut tenir compte, de plus, des marges d'erreur.
On les voit dans l'étude de Lymann.
Elles sont importantes.
Mon but dans cet article était surtout de montrer que les nouvelles analyses de la période récente n'allaient plus dans le sens d'une stagnation mais plutôt dans celui d'une augmentation.
C'est un rapport d'étape, mais le voyage n'est pas fini.

Réponse de meteor le 24/12/2009 à 00h11

Il en faut de la patience, Météor ;)

Après avoir réinventé les lois de la thermodynamique ("Jusqu’à nouvel ordre, le gel de l’eau n’est pas une réaction exothermique"), maintenant the fritz se pose en grand décideur du niveau de sérieux des études scientifiques :)

Merci en tous cas pour cet article intéressant, je ne pensais pas qu'il y avait eu autant d'études sur ce thème ces dernières années. Il y a certes encore beaucoup de marge de progression, mais on y voit quand même plus clair qu'il y a seulement 3/4 ans.

Commentaire n°6 posté par TreizeVents le 23/12/2009 à 08h04

merci.
oui on commence à y voir plus clair.
C'est clair que dans une science à la fois complexe dans ses mécanismes et dans ses moyens d'observation (Argo, GRACE, Jason,...) on ne peut avoir de certitudes, mais une approche progressive de la réalité.
Ca en fait une partie de l'intérêt.
Pour le reste, rien de nouveau sous le soleil...

Réponse de meteor le 23/12/2009 à 09h33