Forçage radiatif

En climatologie, le forçage radiatif est approximativement défini comme la différence entre la puissance radiative reçue et la puissance radiative émise par un système climatique donné, comme le système Terre. Un forçage radiatif positif tend à réchauffer le système (plus d'énergie reçue qu'émise), alors qu'un forçage radiatif négatif va dans le sens d'un refroidissement (plus d'énergie perdue que reçue).

Forçage radiatif


Sous-classe de	grandeur physique
Dimension physique	${\mathsf {M}}{\mathsf {T}}^{-3}$
Symbole de quantité (LaTeX)	$\Delta F$

Ce terme prend une définition légèrement différente et possède une importance capitale dans les questions liées aux changements climatiques. À température constante, la Terre émet autant d’énergie qu’elle en reçoit ; et un peu plus ou un peu moins lorsque la température change. Or de très nombreux facteurs interviennent dans les échanges d’énergie entre la Terre et l’espace. Pour simplifier l’analyse des impacts de chacun de ces facteurs, le concept de forçage radiatif est utilisé par les scientifiques pour mesurer la propension d'un de ces facteurs à garder sur Terre l’énergie provenant du Soleil ou à la renvoyer dans l’espace. Par exemple, un chiffre positif pour un gaz à effet de serre signifie que celui-ci contribue à réchauffer l’atmosphère en renvoyant des infrarouges vers la Terre, et un chiffre négatif pour les aérosols signifie que ces particules, en empêchant le rayonnement solaire d’atteindre la Terre, contribuent à la refroidir. Le forçage radiatif, appliqué au réchauffement climatique, mesure donc la propension d’un facteur à perturber l’équilibre énergétique de la Terre (voir partie Pour le GIEC).

Équilibre radiatif

L'énergie radiative affectant le climat de la Terre provient du Soleil. Le sol de la planète et son atmosphère absorbent et réfléchissent une partie de cette énergie, alors qu'une autre partie est réémise vers l'espace. L'équilibre entre l'énergie absorbée et l'énergie radiative émise détermine la température moyenne. La planète est plus chaude qu'elle ne le serait en l'absence d'atmosphère. La concentration en dioxyde de carbone affecte l'apport énergétique de l'atmosphère ; une approximation au premier ordre donne :

\Delta F=5.35\times \ln {C \over C_{0}}

où C est la concentration en CO₂ en parties par million en volume, ppm(v) ou ppmv, et C₀ une concentration de référence, par exemple, 280 ppm(v) pour la concentration en CO₂ au seuil de l'ère industrielle. ΔF est la variation du forçage radiatif en watts par mètre carré[1].

L'équilibre radiatif peut être modifié par des facteurs, tels que l'intensité de l'énergie solaire, le réfléchissement des rayons par les gaz ou nuages, l'absorption par divers gaz ou surfaces, et l'émission de chaleur par différents matériaux. Une telle modification est un forçage radiatif, qui va induire un nouvel équilibre. En pratique, cela se produit en permanence, alors que les rayons solaires frappent la surface, les nuages et aérosols se forment, la concentration des différents gaz atmosphériques varie, et les saisons altèrent la couverture du sol.

La relation entre le CO₂ et le forçage radiatif est logarithmique, donc une augmentation de la concentration a un effet de plus en plus petit. Les modèles algorithmiques, tels que ceux utilisés et cités par le GIEC, incluent des mécanismes de boucle, tant positifs que négatifs ; l'effet net est d'accroître l'augmentation de température due au CO₂ par un facteur approximatif de C/C₀ = 2 dans la plupart des modèles, soit ΔF = +3,71 W/m². La relation entre forçage radiatif et hausse des températures est donnée par la valeur de la sensibilité climatique.

Définitions

Pour le GIEC

Part des gaz à effet de serre anthropiques et d'autres mécanismes dans le forçage radiatif en 2005 tel qu'estimé par le GIEC.

Le terme forçage radiatif est employé par le GIEC avec le sens spécifique d'une perturbation du bilan radiatif du système climatique de la Terre. Sa définition est donnée dans le document « Extrait du rapport accepté par le groupe de travail I, questions fréquentes », p. 107 (FAQ 2.1, encadré 1) du quatrième rapport d'évaluation du GIEC :

« Qu’est-ce que le forçage radiatif ?
Le forçage radiatif mesure l’impact de certains facteurs affectant le climat sur l’équilibre énergétique du système couplé Terre/atmosphère. Le terme « radiatif » est utilisé du fait que ces facteurs modifient l’équilibre entre le rayonnement solaire entrant et les émissions de rayonnements infrarouges sortant de l’atmosphère. Cet équilibre radiatif contrôle la température à la surface de la planète. Le terme forçage est utilisé pour indiquer que l’équilibre radiatif de la Terre est en train d’être déstabilisé. Le forçage radiatif est généralement quantifié comme « le taux de transfert d’énergie par unité surfacique du globe, mesuré dans les hautes couches de l’atmosphère », et il est exprimé en « watts par mètre carré » (W/m², voir figure 2). Un forçage radiatif causé par un ou plusieurs facteurs est dit positif lorsqu’il entraîne un accroissement de l’énergie du système Terre/atmosphère et donc le réchauffement du système. Dans le cas inverse, un forçage radiatif est dit négatif lorsque l’énergie va en diminuant, ce qui entraîne le refroidissement du système. Les climatologues sont confrontés au problème ardu d’identifier tous les facteurs qui affectent le climat, ainsi que les mécanismes de forçage, de quantifier le forçage radiatif pour chaque facteur et d’évaluer la somme des forçages radiatifs pour un groupe de facteurs[2]. »

Ce concept permet de quantifier de manière simple l'impact de très nombreux facteurs sur le réchauffement climatique. Cependant il est un instantané. Pour évaluer, par exemple, l'impact dans le temps d'un gaz à effet de serre (GES), il faut tenir compte de sa durée de vie dans l'atmosphère. C'est ce que fait le Potentiel de réchauffement global.

Pour la France

Pour le vocabulaire officiel de l'environnement (tel que défini par la Commission d'enrichissement de la langue française en 2019), l’expression « forçage radiatif » (« radiative forcing » pour les anglophones) est définie comme suit : « Écart entre le rayonnement solaire reçu par une planète et le rayonnement infrarouge qu'elle émet sous l'effet de facteurs d'évolution du climat, tels que la variation de la concentration en gaz à effet de serre »[3]. La commission ajoute que :

« Le forçage radiatif est calculé au sommet de la troposphère et il est exprimé en watts par mètre carré (W/m²) »[3].
« Un forçage radiatif positif contribue à réchauffer la surface de la planète tandis qu'un forçage radiatif négatif contribue à la refroidir »[3].

Mesures associées

Le forçage radiatif est utilisé comme une manière de comparer différentes causes de perturbations dans un système climatique. D'autres outils possibles peuvent être conçus dans le même but. Par exemple, la proposition de Shine et al.[4] : …des expériences récentes montrent que pour des changements des aérosols absorbants et de l'ozone, la capacité prédictive du forçage radiatif est bien pire… nous proposons une alternative, le "forçage troposphérique et stratosphérique ajusté". Nous présentons des calculs GCM (Global Climate Model, Modèle climatique mondial) montrant que cet outil permet des prédictions significativement plus fiables des variations de la température de surface de ce modèle que le forçage radiatif. C'est un candidat pour compléter le forçage radiatif en tant qu'outil de comparaison de différents mécanismes…

Dans cette citation, comme dans toutes les déductions des modèles GCM, l'expression capacité prédictive peut être source d'erreur : il s'agit de la capacité de l'outil à expliquer la réponse du modèle, pas de la capacité du modèle de prédire le changement climatique.

Notes et références

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Radiative forcing » (voir la liste des auteurs).

Myhre et al., New estimates of radiative forcing due to well mixed greenhouse gases, Geophysical Research Letters, Vol 25, No. 14, p. 2715-2718, 1998
Groupe de travail I du GIEC, Changements climatiques 2007 : Les Éléments scientifiques, Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (ISBN 92-9169-121-6, lire en ligne), p. 107.
Commission d'enrichissement de la langue française (2019) « Vocabulaire de l'environnement : climat-carbone » NOR : CTNR1926055K ; liste du 24-9-2019 - J.O. du 24-9-2019 ; Ref MENJ - MESRI – MC |URL : https://www.education.gouv.fr/pid285/bulletin_officiel.html?cid_bo=146186
Shine et al, An alternative to radiative forcing for estimating the relative importance of climate change mechanisms, Geophysical Research Letters, 2003

Liens externes

Définition sur le site Planète visible

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[1] Myhre et al., New estimates of radiative forcing due to well mixed greenhouse gases, Geophysical Research Letters, Vol 25, No. 14, p. 2715-2718, 1998

[2] Groupe de travail I du GIEC, Changements climatiques 2007 : Les Éléments scientifiques, Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (ISBN 92-9169-121-6, lire en ligne), p. 107.

[CommEnr2019-3] Commission d'enrichissement de la langue française (2019) « Vocabulaire de l'environnement : climat-carbone » NOR : CTNR1926055K ; liste du 24-9-2019 - J.O. du 24-9-2019 ; Ref MENJ - MESRI – MC |URL : https://www.education.gouv.fr/pid285/bulletin_officiel.html?cid_bo=146186

[4] Shine et al, An alternative to radiative forcing for estimating the relative importance of climate change mechanisms, Geophysical Research Letters, 2003