A4 Anomalies de rétroaction amplifiée

Topique

Les rétroactions climatiques sont des mécanismes par lesquels une perturbation initiale du système climatique est amplifiée ou atténuée : une rétroaction positive amplifie la perturbation initiale, tandis qu’une rétroaction négative l’atténue. Dans des conditions anormales, certaines rétroactions positives s’activent de manière exceptionnelle et, de plus, se couplent entre elles, de sorte qu’une rétroaction positive activée renforce une autre au lieu d’agir indépendamment. Ce couplage entre rétroactions positives produit une amplification non linéaire de la perturbation initiale, une amplification que les modèles supposant une réponse proportionnelle ne parviennent pas à anticiper. Les exemples les plus marquants de cette amplification non linéaire sont l’amplification arctique, les épisodes de vagues de chaleur marines et la rétroaction entre la sécheresse des sols et les températures extrêmes.

L’amplification arctique est la première de ces rétroactions positives exceptionnelles. Elle se produit parce que la fonte de la banquise arctique réduit l’albédo de la surface de la région : une surface océanique sombre remplace la surface de glace blanche, et cette surface océanique sombre absorbe davantage de rayonnement solaire que la glace blanche auparavant. À cette rétroaction de l'albédo de surface s'ajoute celle du gradient thermique polaire : dans l'Arctique, le réchauffement est plus important près de la surface qu'en altitude, contrairement à ce qui se produit sous les tropiques, et cette différence amplifie encore la réponse thermique de l'Arctique à une même perturbation initiale. La combinaison des rétroactions de l'albédo de surface et du gradient thermique polaire explique que le réchauffement arctique progresse deux à quatre fois plus vite que le réchauffement climatique global moyen.

Les épisodes de vagues de chaleur marines constituent le second type de rétroaction positive exceptionnelle : il s'agit de périodes de températures anormalement élevées à la surface de l'océan qui peuvent persister pendant des semaines, voire des mois. Leur intensité est amplifiée par une boucle de rétroaction locale entre la température de surface de la mer et la nébulosité : le réchauffement des eaux de surface diminue la couche de mélange océanique et réduit la couverture nuageuse stratiforme au-dessus de ces eaux, ce qui permet à une plus grande quantité de rayonnement solaire incident d'atteindre la surface de la mer. L'augmentation du rayonnement solaire incident accroît encore la température de surface de la mer, ce qui, à son tour, diminue la couche de mélange océanique et réduit la couverture nuageuse stratiforme. Ce processus crée une boucle de rétroaction qui maintient et prolonge l'épisode de vague de chaleur marine tant que les conditions qui l'ont déclenché persistent.

La boucle de rétroaction entre la sécheresse des sols et les températures extrêmes est la troisième de ces rétroactions positives exceptionnellement activées. Elle lie l'humidité du sol à la température de l'air près du sol : un sol sec ayant moins d'eau disponible pour l'évaporation, il perd la capacité de refroidissement par évaporation d'un sol humide. Cette perte de refroidissement par évaporation fait grimper la température de l'air près du sol à des valeurs extrêmes. Ces températures plus élevées, à leur tour, assèchent davantage le sol. Ainsi, la sécheresse des sols et les températures extrêmes se renforcent mutuellement, de la même manière que la température de surface de la mer et la couverture nuageuse lors des vagues de chaleur marines.

Les trois rétroactions positives décrites – l’amplification arctique, les vagues de chaleur marines et la rétroaction entre la sécheresse des sols et les températures extrêmes – partagent une caractéristique fondamentale : dans chacune d’elles, la réponse du système climatique à une perturbation initiale de faible ampleur, au lieu de l’atténuer, engendre une perturbation plus importante. C’est pourquoi ces rétroactions positives, lorsqu’elles sont activées de manière exceptionnelle, produisent des anomalies – un Arctique qui se réchauffe plusieurs fois plus vite que la planète, des épisodes de températures océaniques extrêmes qui s’auto-entretiennent, des sols qui s’assèchent et se réchauffent au cours du même cycle – que les modèles supposant une réponse proportionnelle à la perturbation initiale n’anticipent pas et qui ne s’expliquent qu’en reconnaissant que, dans des conditions anormales, les rétroactions climatiques cessent de fonctionner comme des mécanismes indépendants et se couplent entre elles.

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