Activité solaire et climat du passé

Edouard Bard

Gilles Delaygues

Pierre Thomas

ENS Lyon - Laboratoire des Sciences de la Terre

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

Emmanuelle Cecchi

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

23/09/2003

Résumé

Influence de l'activité solaire sur le climat de la Terre et sur la nébulosité de l'atmosphère.


La question

« Je suis à la recherche d'informations concernant l'importance du soleil dans l'effet de serre. Le champ magnétique solaire freinerait l'entrée dans le système solaire de radiations provenant des supernova. Ces radiations auraient une grande importance dans la formation des nuages de basse altitude, d'où leur rôle sur l'effet de serre... »

La réponse

Depuis au moins 30 ans, les scientifiques s'inquiètent des effets de l'augmentation de l'effet de serre. Depuis un siècle, la température de surface a augmenté en moyenne de 0,6°C. Le CO2 atmosphérique a par ailleurs augmenté de 30% pendant la même période, en relation directe avec les activités anthropiques.

Sachant que le CO2 a un temps de résidence dans l'atmosphère de 100 ans environ, quels sont les liens entre l'augmentation des gaz à effet de serre et la température de surface du globe?

Par ailleurs, sachant qu'une augmentation de température d'origine anthropique pourrait venir s'ajouter à une éventuelle augmentation de température liée à l'activité solaire (origine naturelle), il s'agit donc de comprendre la part de l'activité anthropique et de l'activité solaire dans l'évolution climatique actuelle et à venir.

Différents auteurs, dont l'américain Jack Eddy (Science, 192, 1189, 1976), ont suggéré que les variations de l'activité solaire pourraient être responsables, en partie, des fluctuations climatiques du dernier millénaire. Qu'en est-il exactement?

Comment mesurer les fluctuations de l'activité solaire?

Le rayonnement solaire total est très difficile à mesurer et on se sait le faire correctement que depuis 20 ans grâce aux appareils embarqués par des sondes spatiales. Ces mesures ne permettent de connaître que les deux derniers cycles solaires de onze ans. Au delà, il faut extrapoler.

Pour cela, on utilise le fait que le vent solaire influence la quantité de carbone 14 dans l'atmosphère. En effet, une forte activité solaire (vent fort) entraîne une baisse du rayonnement cosmique qui atteint notre planète. Et comme le rayonnement cosmique conditionne la formation de carbone 14 atmosphérique, en connaissant la quantité de carbone 14 du passé, notamment dans les cernes des arbres d'âge connu, on peut estimer l'activité solaire passée.

On peut avoir accès aux variations de l'activité solaire en compilant les observations de taches solaires faites quotidiennement depuis le début du XVIIème siècle par Galilée et ses successeurs.


Figure 2. Image d'une tache solaire

Noter l'ombre et la pénombre. La pénombre correspond à des taches solaires, zones où le champ magnétique solaire est anormalement fort.


Un exemple de corrélation ? Le Petit Âge glaciaire (XVII-XVIIIème siècle)

Pendant la période pré-industrielle, le Petit Âge glaciaire correspond à un refroidissement de l'Europe au XVIIème et XVIIIème siècles. On a observé une corrélation entre un minimum de l'activité solaire (minimum de Maunder (1645-1715)) et ce refroidissement durant cette même période.

Figure 3. Image du Soleil


Figure 4. Nombre de taches solaires de 1630 à 1725


On estime ainsi qu'au minimum de Maunder (1645-1715), la baisse du rayonnement solaire total (plus exactement la luminosité totale) est de 0,2 à 0,3%. Mais la concomitance de ces évènements n'est pas la preuve d'un lien de cause à effet....

Corrélation entre activité solaire et variations de température et de CO2 depuis 1860

Cherchons à mettre en relation les variations climatiques de la période industrielle avec les variations connues d'activité solaire (cycle de onze ans):

Pour les 150 dernières années, 4 types de périodes différentes d'activité solaire ont été enregistré:

  • entre 1860 et 1910, l'activité solaire est globalement stable (les cycles de 11 ans sont égaux en activité).
  • Pour les 3 cycles entre 1910 à 1940, l'activité solaire augmente;
  • Pour les 3 cycles de 1940 à 1975, l'activité solaire est décroissante ;
  • L'activité repart à partir de 1975.

Première phase : pendant la première phase (cycles solaires stables), l'augmentation du CO2 anthropique n'a pas commencé significativement; pendant cette même période, les relevés montrent que la température moyenne est stable, ce qui semble normal.

Deuxième phase : pendant la deuxième phase, activité solaire, CO2 et température augmentent. Qui est responsable de l'augmentation de température: soleil ou CO2? On ne peut pas le dire.

Troisième phase : pendant la troisième phase, l'activité solaire décroît, le CO2 augmente, et la température est stable, ce qui laisserait supposer que l'effet du CO2 est de même ampleur que l'effet du soleil.

Quatrième phase : depuis 1975, CO2, activité solaire et température augmentent.

Figure 5. Variation de la durée du cycle solaire (ou cycle de Schwabe) depuis 1860


Figure 6. Courbe d'évolution du CO2 depuis 1850 à partir de l'analyse des carottes de glace antarctiques


Figure 7. Courbes d'évolution de la température globale depuis 1860 (hémisphère nord (HN) et sud (HS))


Les résultats ne sont pas probants, et surtout ambigus. En particulier, quand on prend une donnée quelconque (température, précipitations, ...) et qu'on cherche une périodicité, celle de onze ans ne se trouve pas....

Tout cela laisse supposer que l'activité solaire joue un rôle dans l'évolution de la température, mais de façon complexe. Si la relation entre activité solaire et température était simple et directe, la température moyenne du globe varierait avec une fréquence de 11 ans, ce qui n'est pas le cas.

Effet solaire direct sur la quantité d'énergie arrivant au sol

Judith Lean et David Rind (Science, 292, 234, 2001) ont montré qu'une augmentation du rayonnement solaire pendant le cycle de onze ans se traduit par une augmentation du bilan radiatif de la Terre de 0,2 W/m2, à comparer aux 0,35 W/m2 par décennie dus aux effets anthropiques. Aujourd'hui, les variations solaires passent donc au second plan derrière l'effet des combustibles fossiles . Mais pour les oscillations climatiques de la période pré-industrielle, ces variations ont au moins partiellement guidé les hauts et les bas du climat.

Effet solaire sur la température de la stratosphère

Les fluctuations cycliques du rayonnement solaire s'accompagnent d'un effet plus indirect sur le climat. Ce rayonnement solaire, dont le spectre est centré sur le visible (image), comporte une partie ultraviolette. Les variations d'intensité du rayonnement ultraviolet s'accompagne de modifications de l'ozone stratosphérique.

Cette molécule étant par ailleurs une molécule sensible au rayonnement infrarouge terrestre (image spectre), une diminution de la quantité d'ozone stratosphérique s'accompagne d'une refroidissement de la stratosphère.

Voir les articles : Propriétés radiatives des Gaz à effet de serre , Effet de serre , et le cours Bilan radiatif .

Effet solaire sur la nébulosité et l'effet de serre

Un des mécanismes possible qui pourrait lier Soleil et climat est le suivant: pour qu'il y ait des nuages, il faut que de la vapeur d'eau se condense. Pour qu'elle se condense, il faut qu'il fasse froid en altitude, mais cela ne suffit pas toujours. En effet, de la vapeur peut rester vapeur de façon métastable à une température inférieure à sa température de changement de phase. On parle de survaporisation. Et quand de la vapeur est métastable à basse température, pour que cette eau " sur-gazeuse " se condense, il faut un noyau de condensation. Le rayonnement cosmique très énergétique peut faire office de noyau.

Il est donc possible, bien que non démontré, qu'une augmentation du rayonnement cosmique favorise la formation des nuages, donc fasse varier le climat (augmentation de la pluviométrie, baisse de température ...), sans que l'effet de serre intervienne!

Or, les périodes de forte activité solaire s'accompagnent d'un vent solaire plus intense. Ce vent dévierait le rayonnement cosmique (particules très énergétiques venant entre autres de supernovæ lointaines). Et c'est ce rayonnement cosmique qui influencerait la nébulosité.

Si cette relation existe, elle est ténue, et plus complexe que "soleil actif = peu de nuages; soleil calme = beaucoup de nuages", car si c'était aussi simple que cela, l'examen des statistiques de nébulosité montrerait directement une périodicité de 11 ans.

Ainsi, les variations solaires, qui influencent le rayonnement cosmique, pourraient avoir une conséquence sur la formation de noyaux de condensation de nuages, et donc sur la nébulosité globale. Une forte activité solaire serait associée à un rayonnement cosmique incident plus faible et donc à une nébulosité plus faible. Cette faible nébulosité permet alors un réchauffement climatique.

Cette idée est donc une piste intéressante de recherche et le mécanisme physique reste encore très mal quantifié.