Aérosols, volcans et climat

Megie Gérard

Service d'Aéronomie, UMR 7620 CNRS/UPMC/UVSQ, Paris.

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

25/09/2000

Résumé

Relecture et commentaires scientifiques de l'article de Reid A. Bryson, « Volcan et Climat », paru dans La Recherche de juillet-août 1982.


Voir aussi la question sur les aérosols et le réchauffement climatique.

Extrait de l'article de Reid A. Bryson « Volcan et Climat », La Recherche, juillet-août 1982

Figure 1. Figure 8 de l'article « Volcan et climat », p852, La Recherche, 1982

Figure 8 de l'article « Volcan et climat », p852, La Recherche, 1982

Courbe a : température moyenne de surface (d'après Borzenkova), Courbe b : profondeur optique de l'aérosol troposphérique mesurée dans l'hémisphère nord, Courbe a-b : différence entre les deux courbes. Le coefficient de corrélation entre les deux courbes est de +0,91. La courbe a-b ne permet pas de déceler l'effet de serre du dioxyde de carbone, qui devrait théoriquement associer une croissance exponentielle de la température à la croissance exponentielle observée du CO2. La différence entre les deux courbes oscille autour d'une moyenne constante, ce qui peut s'interpréter comme un effet négligeable du CO2 sur le climat.


Commentaire de l'article de Bryson

La figure 8 de l'article pose un problème d'autant que l'auteur en profite pour mettre en doute le rôle du CO2 dans l'effet de serre additionnel... Les corrélations sont fondées sur des mesures effectuées dans des stations sol au cours du 20e siècle. L'attribution de la totalité de l'effet de variation de température aux aérosols volcaniques est certainement abusive, car on sait que dans certaines régions, l'atténuation du rayonnement solaire au sol est liée aux aérosols troposphériques d'origine anthropique (pollution, etc...).

La lecture détaillée de l'article révèle plusieurs autres problèmes :

Manque de précisions sur les données

A la lecture de l'article, on ne sait pas où sont situées les stations utilisées dans l'étude, ni quelle peut être l'influence des émissions anthropiques. De plus, nous n'avons pas d'indication sur la façon dont l'auteur fait ses calculs. Lorsqu'il s'agit de relier profondeur optique et éruption volcanique, un élément important est la relation temporelle entre les deux évènements (principe de causalité, l'augmentation de profondeur optique ne pouvant précéder l'éruption volcanique). L'auteur ne donne aucune indication à ce sujet.

Aérosols atmosphériques et profondeur optique

Les effets des aérosols formés par injection de SO2 dans la stratosphère et ceux des éruptions purement troposphériques sont totalement différents en termes d'échelle spatiale. Dans le premier cas, la durée de vie du nuage stratosphériques est effectivement de l'ordre de l'année et peut donc affecter tout l'hémisphère. Dans le second cas, le SO2 troposphérique ne restera dans l'atmosphère que quelques jours (lavage par les pluies) et les phénomènes sont d'échelle au plus régionale ou continentale. La mesure de la profondeur optique moyenne de la troposphère pour l'hémisphère nord n'a donc guère de sens.

Figure 2. Simulation de la variation de température globale de surface avec le modèle couplé atmosphère-océan du laboratoire du Max Planck Institut

Simulation de la variation de température globale de surface avec le modèle couplé atmosphère-océan du laboratoire du Max Planck Institut

On note un effet refroidissant des aérosols sulfatés. Les courbes représentent les différences par rapport à une simulation sans augmentation des gaz à effet de serre (GHG) ni des sulfates. Ces augmentations sont celles prévues par les scénarios IPCC.


Figure 3. Simulations de l'évolution de la température globale de surface avec un modèle de circulation générale atmosphérique, et comparaison avec les observations

Simulations de l'évolution de la température globale de surface avec un modèle de circulation générale atmosphérique, et comparaison avec les observations

La seule augmentation des gaz à effet de serre conduit à un réchauffement trop important dans le modèle. En prenant également en compte l'augmentation des aérosols -à effet refroidissant-, on obtient une simulation réaliste.


Des assertions fausses sur la dynamique de l'atmosphère

Prétendre que la masse d'aérosols atteignant la stratosphère est deux fois plus importante en cas d'éruption volcanique dans les régions arctiques, simplement parce que la tropopause est plus basse, est une contre-vérité démentie par les observations.

En effet, ce n'est pas l'altitude qui compte mais la barrière thermodynamique liée au gradient de température. On sait depuis les années 1930 (Dobson-Brewer) que les transferts entre la troposphère et la stratosphère se font de façon privilégiée dans les régions équatoriales du fait de l'activité convective. C'est ce que montrent d'ailleurs les données consécutives aux éruptions des volcans El Chichon et Pinatubo (les aérosols ont atteint pratiquement 30 km d'altitude pour la seconde éruption avant d'être répartis sur toute la surface du globe).

Aérosols volcaniques et refroidissement climatique

La théorie et l'expérience montrent que l'effet des aérosols peu absorbants (type aérosols volcaniques) correspond à un refroidissement de la température de surface (diminution évaluée à -0,7°C en moyenne globale pour le cas du Mont Pinatubo en 1991-1992). Localement, dans la stratosphère, l'absorption par les aérosols domine et l'effet est alors un réchauffement qui peut atteindre quelques degrés au plus fort de la couche. De plus, ces phénomènes sont transitoires et ont une durée de l'ordre de 1 à 2 ans.

Corrélations ou coïncidences ?

En référence aux corrélations précédemment mise en avant, il faut également se méfier des coïncidences : les principales éruptions de la deuxième partie du 20e siècle sont celles du Mont Agun (1963), du Fuegog (1974), de El Chichon (1982), du Pinatubo (1991).

On remarque que la périodicité est proche de 10-11 ans (cycle solaire - je ne prétends pas pour autant qu'il y ait une relation entre cycle solaire et éruptions volcaniques !). De même, les éruptions de 1982 et 1991 coïncident avec des phénomènes El Nino de grande ampleur. Il est donc difficile de séparer les signaux sans une analyse précise et une simple étude de corrélation ne peut suffire.

Relation augmentation du CO2 - élévation de température

La relation est loin de correspondre à l'affirmation de l'auteur dans la légende de la figure 8 : « association théorique d'une croissance exponentielle de la température à une croissance exponentielle observée du dioxyde de carbone  » (heureusement pour nous !!). Il est d'ailleurs abusif de chercher dans le résidu d'une différence un signal dû au CO2 dans la mesure où la relation température-CO2 est tout sauf linéaire ! Cela était déjà connu en 1982. En revanche, à cette date, les relevés de température sur le dernier siècle ne permettait pas de conclure à une augmentation de température. Ce n'est plus le cas aujourd'hui. Le dernier rapport du GIEC (Groupe d'experts Intergouvernemental sur L'Évolution du Climat) met en évidence une augmentation rapide du CO2 au cours de deux dernières décennies qui conduit à une augmentation moyenne de température de 0,6°C (à +/- 0,2°C) supérieure à la variabilité observée au cours du dernier millénaire.

voir aussi le lien entre augmentation du CO2 et élévation de température ?

Figure 4. Corrélations entre l'évolution de la température moyenne dans l'hémisphère Nord (NH) et trois paramètres de forçage climatique, entre 1610 et 1995

Corrélations entre l'évolution de la température moyenne dans l'hémisphère Nord (NH) et trois paramètres de forçage climatique, entre 1610 et 1995

NH : Reconstitution de la température pour la période 1610-1980 complétée par des données instrumentales pour la période 1981-1995. Solar : Irradiance solaire. log CO2 : Mesures de la teneur en CO2 atmosphérique. DVI : Index mesurant la charge atmosphérique en poussières volcaniques. Cette figure montre que la corrélation la plus évidente entre la température de l'hémisphère nord et les variables de forçage (cycle solaire, CO2...) est celle impliquant le CO2 (supérieure à 0.5 sur les dernières décennies). La dernière représentation graphique de cette figure est le résultat d'un calcul de corrélation entre l'évolution de la température dans l'hémisphère Nord et les paramètres de forçage climatique (CO2, SOLAR et DVI). Cette corrélation est calculée sur une période de 200 ans en faisant glisser la fenêtre grise le long de l'axe des abscisses : une valeur de corrélation est attribuée à la date correspondant au milieu de la fenêtre grise de 200 ans.



Aérosols anthropiques et forçage radiatif

En ce qui concerne l'effet des aérosols d'origine anthropique, celui ci est double :

  • l'effet direct lié à la diffusion vers l'espace de la lumière solaire incidente par les particules d'aérosols. Cette diffusion conduit à un « forçage radiatif » négatif et donc à une diminution de l'effet de serre additionnel (un forçage radiatif positif correspond à une augmentation d'énergie par unité de surface (W/m2) du système surface-atmosphère à l'altitude de la tropopause).
  • l'effet indirect lié à la formation accrue de nuages du fait de la présence de concentrations plus élevées de noyaux de condensation. Dans la mesure où il s'agirait de nuages bas, là encore l'effet de diffusion domine et le forçage radiatif serait à nouveau négatif (ce ne serait pas le cas si les nuages formés étaient des cirrus car alors l'effet d'absorption infra-rouge est dominant et le forçage radiatif positif).

Bilan

La quantification de ces effets reste largement incertaine. Toutefois, lorsqu'on prend en compte, dans les modèles, l'ensemble des gaz à effet de serre et l'effet indirect des aérosols, on rend assez bien compte des tendances observées au cours des dernières décennies.

Bibliographie

M.E.Mann et al., 1998. Global-scale temperature patterns and climate forcing over the past six centuries, Nature, vol. 392, p. 779-787, doi: 10.1038/33859