Soleil et réchauffement global

L'énergie totale du Soleil -on l'appelle la "constante solaire"- varie. Cette variation est de 0,1% au long du cycle solaire de 11 ans, ce qui est important vu la quantité d'énergie que produit le Soleil. La luminosité du Soleil s'accroît aussi légèrement, d'une façon générale, lorsque de nombreuses taches et facules sont présentes mais diminue lorsqu'elles sont rares. Les températures de la stratosphère terrestre, elles, en varient d'1°C (1,8°F). Une variation, du même ordre de grandeur, est également constatée du fait de l'activité quotidienne et hebdomadaire des taches solaires. Sur le plus long terme, la constante solaire peut varier, sur plusieurs siècles, jusqu'à de 0,2 à 0,6%. Lorsque le Soleil atteint un minimum remarquable -tel celui de 1913, par exemple- cela se traduit, en termes d'influence sur le réchauffement global, par 2/10ème de degré C. (3/10ème de degré F.) en moins. L'effet de serre, d'une façon générale, influe sur la Terre 13 fois plus que toutes les variabilités combinées du Soleil. On croit que des changements soutenus, mais de seulement 0,25% de l'irradiance solaire totale, sur des périodes durant entre des décennies et des siècles ont entraîné des changements climatiques significatifs dans le passé de la Terre. Par ailleurs, certains cycles réguliers de variation de l'irradiance sont liés à l'alignements des planètes et leur influence gravitationnelle sur le Soleil. Ainsi le Soleil, la Terre et Jupiter sont alignés tous les 1,09 ans et, à ce moment, on observe un pic d'irradiance. Ce n'est que l'un des cycles constatés. Des études récentes montrent que la constante solaire pourrait, de plus, varier différentiellement selon les longueurs d'onde considérées. Cependant, par exemple, une forte baisse dans l'ultraviolet compenserait un accroissement dans le visible et l'infrarouge en terme de radiation solaire (mais pas en terme d'absorption par l'atmosphère terrestre). Un schéma bien connu, dû à un astronome de Boulder, dans le Colorado, John Eddy et publié dans un article fondateur paru dans le magazine "Science" en 1976, montre une série de corrélations intéressantes entre la constante solaire, le cycle des taches solaires, le taux de carbone 14 dans les anneaux de croissance des arbres et la météorologie. Le carbone 14 est le produit des rayons cosmiques lorsqu'ils atteignent la haute atmosphère. Il se retrouve ensuite sur Terre, en particulier dans les anneaux de croissance des arbres, devenant un "marqueur" utile de l'activité solaire. Ainsi, lorsque l'activité solaire est faible, cela se répercute sur l'héliosphère -cette magnétosphère géante du système solaire dans son entier- laquelle faiblit, permettant à plus de rayons cosmiques d'atteindre la Terre. Le champ magnétique solaire pourrait aussi être impliqué dans le schéma: lorsqu'il est haut, il empêche l'entrée des rayons cosmiques, lesquels sont suspectés de favoriser l'apparition de nuages dans l'atmosphère terrestre, donc de réduire l'énergie solaire arrivant au sol. On a noté depuis plus de 100 ans, des changements dans l'énergie solaire observée depuis la Terre mais on n'a pu commencer à savoir leur magnitude et leur impact sur le climat que depuis qu'on ait disposé de mesures plus précises réalisées depuis l'espace, à partir de 1978 (le satellite Nimbus 7 de la NASA a, alors, commencé de mesurer l'irradiance solaire totale)

On note sur le schéma d'Eddy une forte corrélation entre la température, le nombre de taches et les courbes du carbone 14: chaque fois que le nombre des taches est élevé, le taux de carbone 14 est bas, et les températures sont élevées. Et réciproquement. Par ces conclusions, le schéma d'Eddy est semblable à de nombreuses autres études sur le climat ancien: un Moyen-Age chaud de 850 à 1150, un refroidissement et un Petit âge glaciaire entre 1200 et la fin du XVIIIème siècle; le Petit âge glaciaire s'est finalement terminé vers 1850. Il semble probable que les corrélations du schéma d'Eddy représentent une explication fiable pour les variations du climat aux temps historiques: lorsque l'activité du Soleil croît, les temératures sur Terre croissent, et inversement. Avant l'an 1100, des périodes chaudes et froides ont alterné: les deux premiers siècles de l'ère chrétienne ont été froids; la période 200 à 600 a été chaude; et les années 600-800 froides. Sur une échelle de temps plus grande, les données montrent de grandes ères de froid à il y a 2,2 milliards d'années, 1 milliard d'années, 800 millions, 440 et 290 millions d'années. En moyenne les périodes chaudes ont été plus longues que les périodes froides -avec deux pics très net à il y a 3,8 milliards d'années et 180 millions d'années. La période la plus récente se situe nettement dans une période chaude longue, qui s'étend du début du Triassique jusqu'à un peu avant la fin du Tertiaire, soit sur une durée de 220 millions d'années. Cette variation du climat terrestre, sur les longs et courts termes, pourrait tout simplement être liée à l'activité solaire. En effet, depuis sa création il y a 4,5 milliards d'années, l'activité du Soleil a varié. Les cycles astronomiques, aussi bien que les conditions locales peuvent également avoir affecté la Terre. Ainsi, pas moins de 5 cycles astronomiques principaux concernent la Terre et ont des durées qui varient entre 21000 et 100 000 ans -certains décrits par le scientifique serbe Milutin Milankovitch, dans les années 1920. L'orbite de la Terre peut varier d'un cercle à une ellipse, l'axe de la Terre, la ligne périhélie-aphélie varient, affectant donc le climat global de la Terre. L'évolution géologique de la Terre, de plus, a sans doute eu une influence. On peut penser, par ailleurs, que tous ces processus sont aussi à l'oeuvre sur les autres planètes du système solaire: Mars, ainsi, a perdu son atmosphère progressivement ou Vénus a développé un effet de serre important. Pour ce qui de l'effet de serre entraîné, sur Terre, depuis les années 1750, par l'activité humaine, on peut estimer que 250 années représentent un laps de temps court pour tout impact réel de cycles astronomiques sur le climat de la Terre. Le cycle des taches solaires, par contre, montre que, depuis la fin du Petit âge glaciaire, des hauts et des bas ont alterné dans l'activité solaire. Récemment, l'activité solaire s'est accrue depuis les années 1940. Si l'on rapporte cette hausse au schéma d'Eddy et à la corrélation taches-températures, il semble que l'on puisse dire que cette récente hausse de l'activité solaire contribue certainement pour une part au réchauffement global du climat de la Terre. Le "minimum de Maunder", à l'époque moderne, a correspondu à ce qu'on appelle le Petit âge glaciaire en Europe, une époque de temps plus froid, de plus fortes chutes de neige et de prise par les glaces de grandes étendues d'eau ainsi la Tamise, les canaux hollandais voire la Baltique. Les glaciers avancèrent, jusqu'à détruire des villes en Europe du Nord. Le Petit âge glaciaire a duré plus longtemps que le minimum de Maunder proprement dit et d'autres causes sont probablement en cause. Cependant, de nombreux scientifiques pensent que ces minima solaires remarquables et la chute de l'énergie solaire correspondante ont refroidi la Terre. Une explication est aussi que le Petit âge glaciaire pourrait avoir été causée par une série de fortes éruptions volcaniques, se succédant rapidement, aux tropiques; leurs particules reflètèrent les rayons solaires vers l'extérieur et refroidirent la surface de la Terre. Une fois les aérosols dissipés, l'effet refroidisseur fut accentué, par contre, car il déclencha un accroissement des glaces arctiques; en fondant dans l'Atlantique nord, elles interférèrent avec le mélange normal qui se fait entre les eaux de surface et les profondeurs (les eaux retournant vers l'Arctique devinrent plus froides, entraînant à leur tour plus de glaces, celles-ci reflétant encore plus la lumière). L'épisode glaciaire fut une perturbation majeure de l'hémisphère nord entre la fin du XIIIème siècle et la fin du XIXème. Il est aussi certain que cet épisode affecta d'autres continents

L'irradiance solaire totale a commencé d'être étudiée par la NASA 2 ans après l'article de Jack Eddy. Des radiomètres embarqués à bord des satellites météo mesurent depuis 1978 la quantité de lumière solaire qui atteint l'atmosphère terrestre dite "irradiance solaire totale". Ces données ont confirmé les analyses d' Eddy. Les variations de l'irradiance, par ailleurs, ont été comprises comme le résultat à la fois de l'affaiblissement de l'irradiance par les taches solaires et par son accroissement dû aux facules, régions plus brillantes. Ce lien aux taches solaire fait donc que l'irradiance solaire varie selon le cycle de 11 ans. Les radiomètres ont montré que l'irradiance du Soleil varie de 0,1% au cours d'un cycle, le nombre de taches passant d'une vingtaine ou moins par an au moment d'un minimum à entre 100 et 500 au moment du maximum. Cependant, un manque de cohérence dans le recueil des données ou une non-stabilité, sur le temps, des capacités des instruments, ne permettent pas encore de dire si l'irradiance solaire, en termes de réchauffement global du climat terrestre, a ou non augmenté sur quelques décennies. L'instrument Total Irradiance Monitor (TIM), qui embarquera sur la mission Glory de la NASA, qui est plus précis et plus stable, devrait permettre une réponse définitive à cette question. Une étude récente, de 2009, a montré qu'au moment du maximum du cycle solaire, il y a bien interaction entre l'activité solaire et le climat de la Terre: la stratosphère, puis les océans -en termes de vents, de températures ou de nuages- sont modifiés au niveau des régions tropicales et sub-tropicales, ce qui peut, de là, affecter le climat de façon plus globale. Ces interactions sont modulées par leur "filtrage" par les grands phénomènes météorologiques existant (El Niño par exemple, ou la mousson), soit qu'elles accroissent, soit qu'elles diminuent ceux-ci. D'une façon générale, par exemple, au cours d'un maximum solaire -et El Niño mis à part- la partie équatoriale est de l'océan Pacifique est plus sèche et les eaux plus froides. En 2011, on a vu que le cycle solaire de 11 ans influence le temps sur Terre au cours d'un de ses minimums. Une réduction de la lumière UV en provenance du soleil affecte les vents de haute altitude de l'hémisphère nord et amènent des hivers froids. De l'air inhabituellement froid se forme alors au-dessus des tropiques ce qui entraîne une redistribution de la chaleur dans l'atmosphère; laquelle déclence des vents d'Est qui apportent de l'eau froide et des tempêtes de neige en Europe du Nord et aux Etats-Unis mais du temps plus doux sur le Canada et la Méditerranée. Lorsqu'au cours d'un maximum, la lumière UV est plus forte, on assiste à des effets contraires. Pour confirmer ces observations, il reste maintenant à les étendre sur plusieurs cycles solaires

Des études en 2011 ont montré que les variations sur les court et long termes de la durée du jour -lesquelles sont corrélées avec des interactions des flux du coeur externe de la Terre- sont remarquablement corrélés aussi avec la variation de la température moyenne. Cela pourrait être dû au fait que le champ magnétique terrestre modifie le bouclier dont nous bénéficions contre les particules chargées (par exemple les rayons comsiques), flux dont on pense qu'ils peuvent affecter la formation des nuages. D'autres explications seraient que d'autres processus de l'intérieur de la Terre pourraient aussi avoir une influence directe sur l'équilibre des climats voire que des effets externes -venant, par exemple, du Soleil- affecteraient à la fois les mécanismes internes de la Terre et son climat. La luminosité du Soleil ne varie donc que de 0,1% au cours d'un cycle solaire de 11 ans. Mais même ces variations infimes ont en fait un effet important sur le climat terrestre. L'étude de ces influences nécessite une approche multi-disciplinaire. D'une particulière importance est la radiation solaire dans l'extrême-ultraviolet (EUV) laquelle atteint son pic pendant les années du maximum solaire. Dans cette bande de lumière, par contre, l'irradiance solaire varie de 10% ou plus ce qui est suffisant pour impacter fortement la chimie et la structure thermique de la haute atmosphère. Les oxydes d'azote qui sont créés, dans la stratosphère, par les particules énergétiques solaires et les rayons cosmiques pourrait réduire la couche d'ozone de quelques pour cent, ce qui permettrait à plus d'ultraviolets d'atteindre la surface de la Terr voir altérer la dynamique de l'atmosphère. Le refroidissement de la stratosphère polaire associé à la perte d'ozone accrôt le gradiant horizontal de température près; de la tropopause, ce qui altère le flux du mouvement des tourbillons aux latitudes moyennes. L'équilibre de ce mouvement contrôle les alizés. Les températures de surface de l'océan Pacifique, par ailleurs, dans les années de pic solaire montrent que le Pacifique tropical supporte une La Niña plus accentuée, avec un refroidissement de presqu'1°C dans le Pacifique équatorial oriental et des signes de précipitations accentuées dans les zones ITCZ (zone de convergence inter-tropicale) et SPCZ (zone de convergence sud-Pacifique) ainsi que des pressions de surface au-dessus de la normale dans les zones Pacifique de latitudes moyennes. Certains spécialistes se demandent même ce qui, dans le système climatique de cet océan, agit pour ainsi amplifier les signaux solaires et qu'il existe sans doute des mécanismes se développant de la surface vers les altitudes de l'atmosphère. Les études les plus récentes montre que l'influence de la variabilité solaire est plus régionale que globale et que, vraisemblablement, elle n'impacte pas la question du réchauffement global. S'il existe un effet solaire sur le climat, il se manifeste surtout par des changements affectant la circulation générale plutôt que sous la forme de changements de température. On peut noter aussi qu'on pense que le refroidissement régional qui a affecté l'Europe pendant le minimum de Maunder pourrait avoir été la conséquence d'une baisse des extrêmes-ultraviolets mais cela, cependant, reste d'ordre spéculatif. Les études récentes laissent aussi penser que le Soleil serait actuellement arrivé à la veille d'une mini-période de minimum de Maunder: le cycle solaire 24 est le plus faible depuis 50 ans et il pourrait même y avoir une baisse de long terme de la force magnétique des taches solaires. Le Soleil, enfin, n'est pas une sphère de luminosité égale mais le disque solaire se partage entre taches et facules, ces zones brillantes (lesquelles ne diminuent pas d'activité pendant le minimum solaire du cycle). C'est ce qui rendrait compte de ce que les enregistrements anciens des isotopes C-14 et Be-10, sensibles au Soleil, montrent un faible cycle de 11 ans y compris pendant le minimum de Maunder. On pourrait même trouver de meilleures traces de l'irradiance solaire sur le long terme dans les roches et sédiments de la Lune ou de Mars