Une explication de la diminution de la différence de température entre l’équateur et les pôles (EPDT) pendant les climats équables examine l’influence des nuages stratosphériques polaires (PSCS) sur le rayonnement à ondes longues quittant la Terre aux hautes latitudes et, par conséquent, sur les températures près des pôles. Contrairement aux théories expliquant les moyens de transporter plus de viande vers les pôles, ce concept se concentre sur le piégeage de la chaleur dans les hautes latitudes.
Des nuages peuvent se former dans la stratosphère polaire pendant la nuit polaire. (Photo de Lamont Poole)
Comme point de départ, un fait important à noter est que les hautes latitudes reçoivent le plus de rayonnement solaire au monde pendant l’été. Cette grande quantité de rayonnement peut augmenter considérablement les températures polaires, de sorte qu’un mécanisme de réchauffement polaire n’a besoin que d’augmenter les températures pendant l’hiver pour expliquer des climats équitables. Ce fait fait de PSCs une explication plausible pour des climats équitables. Les PSC sont des nuages qui se forment lorsque la vapeur d’eau pénètre dans la stratosphère et lorsque les températures sont suffisamment froides pour que la vapeur d’eau s’y condense. Pendant l’hiver, les hautes latitudes reçoivent très peu ou pas de rayonnement solaire, de sorte que les températures baissent considérablement pendant cette période, connue sous le nom de nuit polaire. Dans ces conditions, des PSC peuvent se développer. Ils emprisonnent le rayonnement à ondes longues sortant (OLR) et en émettent une partie vers la surface de la Terre, ce qui entrave le refroidissement atmosphérique. Les PSC sont actuellement relativement rares; cependant, dans différentes conditions atmosphériques qui permettraient à plus de vapeur d’eau de pénétrer dans la stratosphère, les PSC pourraient se développer plus fréquemment. Ce changement provoquerait un réchauffement dans les hautes latitudes, car le rayonnement à ondes longues ne pourrait pas s’échapper aussi facilement de l’atmosphère terrestre.
Les hautes latitudes reçoivent le plus de rayonnement solaire en été (Pidwirny, 2006)
L’idée que les PSC pourraient avoir causé les climats équables est apparue en 1992 lorsque Sloan et al. a présenté l’idée que des niveaux plus élevés de méthane dans l’atmosphère au cours de l’Éocène auraient pu provoquer une augmentation substantielle de la fréquence et de l’épaisseur optique des PSC. Selon l’article, ce développement aurait provoqué le réchauffement des régions polaires et aurait pu créer un climat équitable pendant l’Éocène et le Crétacé. Les auteurs ont basé leur argument sur le fait que des quantités beaucoup plus importantes de zones humides, qui sont des sources de méthane, existaient au Paléocène et à l’Éocène qu’actuellement. Ils affirment que « la superficie des zones humides possibles au Paléocène-Éocène aurait été d’au moins 5,6×106 km2, contre 2×106 km2 actuellement. Ainsi, au cours du Paléocène-Éocène, il y aurait le potentiel de tripler la production moderne de méthane à partir des seuls écosystèmes de zones humides » (Sloan et al., 1992). Bien que ces chiffres ne soient que des estimations, une quantité de zones humides du Paléocène-Éocène proche de cette échelle aurait pu avoir un impact significatif sur l’environnement en produisant de grandes quantités de méthane. Le méthane s’oxyde pour former de la vapeur d’eau dans l’atmosphère, de sorte que la quantité de vapeur d’eau entrant dans la stratosphère aurait augmenté si la quantité de méthane dans l’atmosphère avait été plus grande. En raison de la vapeur d’eau plus stratosphérique, les PSC auraient pu se former plus fréquemment et auraient été optiquement plus épais. Les PSC plus épais emprisonnent plus de radiations à ondes longues, de sorte que le développement de PSC plus épais et optiquement plus épais aurait réchauffé les hautes latitudes sans influencer les basses latitudes.
Pour tester cette hypothèse, Sloan et Pollard ont créé en 1998 une expérience visant à évaluer l’influence des CSP sur les hautes latitudes. Ils ont effectué une expérience modèle avecdeux situations différentes. Le premier scénario n’avait pas de PSC, tandis que le second cas avait des PSC. Sinon, les pistes étaient les mêmes et avaient des conditions fixées pour une Terre de type Éocène, et elles avaient des niveaux de dioxyde de carbone de 560 ppm et des niveaux de méthane de 0,700 ppm. Sloan et Pollard ont prescrit les PSC de sorte qu’ils n’existaient que pendant la moitié de l’année hivernale au-dessus de 66,5 ° de latitude où les températures seraient suffisamment froides pour que des PSC se forment. L’expérience a révélé que les CSP pouvaient réchauffer les hautes latitudes jusqu’à 20 ° C de plus que s’ils n’étaient pas présents et que les CSP empêchaient la formation de glace de mer pendant l’hiver, de sorte que les niveaux de glace de mer ont diminué de manière significative dans le cas de la CSP (Sloan et Pollard, 1998). Malgré ces résultats, l’expérience avec PSCs a encore produit des températures trop basses par rapport aux données proxy du Paléocène-Éocène.
( Sloan et Pollard, 1998)
De plus, cette étude n’a examiné que l’influence des PSC sur le climat et n’a pas examiné les effets des niveaux élevés de gaz à effet de serre et des PSC ensemble. Par conséquent, Peters et Sloan ont présenté en 2000 un autre article qui étudiait l’impact de grandes quantités de gaz à effet de serre combinées aux PSC. Dans cette étude, ils ont effectué deux expériences modèles, tout comme Sloan et Pollard. Les deux scénarios avaient des niveaux de dioxyde de carbone fixés à 560 ppm, soit 2 fois le niveau préindustriel. La première situation, ECONTROL, avait une concentration de méthane atmosphérique de 0,700 ppm, la quantité préindustrielle, et n’avait pas de PSC. Dans le second cas, nommé PCLOUD, les niveaux de méthane étaient de 10 ppm, ce qui est 14 fois la quantité de niveaux préindustriels, et des PSC ont été prescrits comme dans l’étude de Sloan et Pollard. Les résultats ont montré une augmentation moyenne mondiale de la température annuelle moyenne (MAT) de 3,4 ° C, et les MAT dans PCLOUD étaient plus chauds que ECONTROL de 12 ° C dans l’hémisphère Nord et de 9 ° C dans l’hémisphère Sud. Cependant, sous les Tropiques, les tapis de PCLOUD n’étaient plus chauds que de 2 ° C par rapport à celui d’ECONTROL. De plus, la température moyenne du mois froid a augmenté de 25 ° C dans l’hémisphère Nord et de 18 ° C dans l’hémisphère Sud. En conséquence, l’étude montre que les effets combinés des PSC et des niveaux plus élevés de gaz à effet de serre pourraient augmenter les polartempératures sans affecter considérablement les Tropiques. Plus précisément, il révèle l’impact de plus de méthane et de plus de PSC sur le climat et démontre que ces deux facteurs auraient pu causer des climats équitables.
( Peters et Sloan, 2000)
Bien que l’étude ait produit des résultats soutenant l’idée que des concentrations de méthane plus élevées et plus de CSP auraient pu causer des climats équitables, cette idée pose deux problèmes majeurs. Tout d’abord, dans l’atmosphère moderne, le méthane a une durée de vie d’environ 7 ans, alors que la chaleur polaire de l’Éocène existait depuis environ 10 millions d’années (Kirk-Davidoff, Schrag et Anderson, 2002). Ce fait rend peu probable que le méthane ait pu persister assez longtemps pour avoir provoqué un climat équitable. Même si la durée de vie du méthane a augmenté au cours de l’Éocène, il est douteux que les niveaux de méthane aient été maintenus aux concentrations suggérées dans l’étude de Peters et Sloan tout au long de l’Éocène. De plus, Peters et Sloan ne séparent pas les impacts du méthane de ceux des PSC. Il suppose que les concentrations de méthane et la quantité de PSC sont directement corrélées et n’examine pas si davantage de PSC se forment à cause du méthane. Par conséquent, on ne peut pas être sûr qu’il dépeint avec précision la dynamique atmosphérique. Semblable au scénario de l’étude de Sloan et Pollard, il est possible que seuls des niveaux plus élevés de dioxyde de carbone soient nécessaires pour provoquer plus de CSP et un climat équitable. Par conséquent, le méthane peut ne pas être aussi important pour la création de CSP et de climats équitables que Sloan et al. initialement postulé.
Suivant ce train de pensée, David B. Kirk-Davidoff, Daniel P. Schrag et James G. Anderson a décidé d’étudier l’importance du dioxyde de carbone dans la formation de la CFP et a soutenu que seuls des niveaux plus élevés de dioxyde de carbone sont nécessaires pour provoquer des climats équitables (2002). Sous une forme simplifiée, ils indiquent que des concentrations plus élevées de gaz à effet de serre ont réduit la quantité de glace dans les hautes latitudes, et ce changement a réduit l’EPDT. Lorsque l’EPTDD a diminué, l’énergie des ondes, se propageant dans la stratosphère depuis la troposphère, a également diminué, de sorte que la circulation de renversement stratosphérique a ralenti. Par conséquent, la stratosphère tropicale s’est réchauffée tandis que la stratosphère polaire s’est refroidie parce que la circulation ne dispersait pas autant la chaleur. En conséquence, des PSC pourraient se former et provoquer davantage de réchauffement des pôles.
En plongeant plus en profondeur, la théorie part de l’idée que la concentration de dioxyde de carbone a augmenté au cours de l’Éocène. Parce que le dioxyde de carbone est un gaz à effet de serre, des niveaux plus élevés de dioxyde de carbone ont renforcé la capacité de l’atmosphère à piéger les radiations émises par la Terre. Ainsi, la chaleur ne pouvait pas non plus échapper à l’atmosphère terrestre, de sorte qu’au fil du temps, la Terre s’est réchauffée. Ce changement a fait fondre la glace dans les hautes latitudes, de sorte que l’albédo dans les hautes latitudes a diminué. L’albédo est la clarté d’une surface, et les surfaces de couleur plus claire ont des albédos plus élevés car elles réfléchissent plus de lumière que les surfaces sombres. Ainsi, lorsque la glace fondait sous les hautes latitudes, l’océan et les continents réfléchissaient moins de lumière que la glace qui les recouvrait auparavant. En conséquence, les régions polaires absorbaient plus de rayonnement solaire et se réchauffaient par conséquent davantage. Les Tropiques, cependant, n’ont subi aucun changement majeur d’albédo, de sorte que les niveaux de dioxyde de carbone ont eu un effet sur la région. Seulement avoir des niveaux plus élevés de dioxyde de carbone aurait augmenté les températures mondiales de manière égale à toutes les latitudes, mais l’effet supplémentaire de la rétroaction de l’albédo de la glace dans les hautes latitudes aurait augmenté davantage les températures là-bas. Ce fait explique pourquoi des niveaux plus élevés de gaz à effet de serre auraient pu entraîner une baisse de l’EPDT.
Parce qu’elle a un albédo élevé, la glace réfléchit la majeure partie du rayonnement solaire qui entre aux hautes latitudes. (Image de la NASA)
La théorie fait alors l’hypothèse que la diminution de l’EPTD a provoqué « la réduction de l’énergie de la gravité et des ondes planétaires se propageant de la troposphère dans la stratosphère » (Kirk-Davidoff, Schrag et Anderson, 2002). Cette idée vient du fait que les tempêtes des latitudes moyennes se forment à cause du gradient de température méridional et que ces tempêtes créent des vagues dans la troposphère. Si le gradient de température diminuait, moins de tempêtes se développeraient parce que l’atmosphère serait dans un état plus stable, et par conséquent, moins d’ondes moins intenses se formeraient. Par conséquent, un EPDT plus faible aurait entraîné une réduction de la quantité d’énergie entrant dans la stratosphère. Ce concept n’est pas farfelu comme certaines études (Lindzen et Farrell, 1980; Rind, 1998; Shindell et al. 1998; Fusco et Salby, 1999) soutiennent l’idée que sous une diminution de l’EPDT, l’activité et la propagation des ondes atmosphériques diminuent. En supposant qu’un EPTD plus petit ait cet effet, cette baisse de l’énergie des vagues aurait diminué l’élan transféré dans la stratosphère par ces ondes.
Cette réduction de l’élan aurait modifié le taux de renversement stratosphérique car cet élan entraîne la circulation de Brewer-Dobson, la circulation de renversement dans la stratosphère. La circulation Brewer-Dobson se caractérise par une montée d’air chaud aux basses latitudes et une descente d’air froid aux hautes latitudes. Parce que l’élan des ondes planétaires et gravitationnelles entraîne la circulation, si l’élan transféré dans la stratosphère avait diminué, la circulation aurait ralenti. Par conséquent, les basses latitudes seraient devenues plus chaudes, tandis que les hautes latitudes se seraient refroidies.
Généralement, le sommet de la troposphère est trop froid pour permettre à la vapeur d’eau de pénétrer dans la stratosphère. Les nuages s’élèvent généralement dans la troposphère en raison de la convection, mais à un certain point, l’atmosphère devient trop froide pour que les nuages ne s’élèvent plus car toute la vapeur d’eau qui s’y trouve précipite. Ce point se produit généralement au sommet de la troposphère, donc très peu de vapeur d’eau pénètre dans la stratosphère. Cependant, si la circulation de renversement ralentissait et si la stratosphère de basse latitude se réchauffait jusqu’à la tropopause, le sommet de la troposphère aurait pu se réchauffer suffisamment pour permettre à la quantité de vapeur d’eau pénétrant dans la stratosphère d’augmenter. Cette vapeur d’eau aurait alors été acheminée vers les hautes latitudes, et les PSC auraient pu se former plus fréquemment et auraient été optiquement plus épais.
À mesure que les PSC se développaient dans ces conditions, la fenêtre par laquelle le rayonnement à ondes longues aurait pu s’échapper de l’atmosphère aurait diminué et l’atmosphère à haute latitude se serait réchauffée. Selon Kirk-Davidoff, Schrag et andAnderson, le réchauffement dû aux PSC dans le cas des conditions éocènes de leur modèle est de 15 W / m2 dans les pôles, et le réchauffement dans les régions polaires dû aux PSC est de 7 K. Ces résultats révèlent que les PSC auraient pu avoir un impact significatif sur les températures à haute latitude. En conséquence, la théorie fournit une explication raisonnable de la raison pour laquelle les pôles se seraient réchauffés pendant les climats équables.
