Yves Dandonneau et François Barlier - Août 2021 

Résumé en langage courant

La Terre reçoit le rayonnement du Soleil, et elle rayonne aussi vers l’espace. Pour que le climat terrestre soit stable, ce bilan radiatif devrait être équilibré, mais ce n’est pas le cas : l’énergie qu’elle rayonne vers l’espace est inférieure à celle reçue du Soleil, et cette différence est la cause du réchauffement climatique en cours. Elle est difficile à estimer, du fait de la très forte variabilité du système climatique terrestre dans l’espace et dans le temps. Pour y parvenir, on utilise des satellites qui mesurent le rayonnement émis et le rayonnement reçu, et divers systèmes d’observations qui permettent de suivre l’accumulation de chaleur dans l’atmosphère, les océans, les terres émergées et les glaces. Différente dans son principe, l’expérience CACTUS a permis dès 1975 de mesurer les accélérations subies par une sphère en orbite autour de la Terre sous l’influence combinée des rayonnements solaire et terrestre, et par là, sous certaines conditions, d’estimer directement la différence entre le flux radiatif reçu par la Terre et le flux émis. Compte tenu des progrès techniques accomplis depuis cette première expérience, cette technique pourrait s’avérer prometteuse.

 

L’effet de serre et le réchauffement climatique

La Terre reçoit en permanence de l’énergie rayonnée par le Soleil, et elle rayonne vers l’espace. Sous un climat à l’équilibre, l’énergie reçue et l’énergie émise par ces rayonnements doivent se compenser. Mais du fait des émissions anthropiques de gaz carbonique, l’effet de serre de l’atmosphère terrestre s’est accru, et la Terre émet vers l’espace moins d’énergie qu’elle n’en reçoit : cet écart est à l’origine du réchauffement climatique en cours. Les causes du déséquilibre et les conditions d’un retour à l’équilibre sont au cœur des modèles climatiques (voir, sur ce même site web, les modèles d’effet de serre et d’équilibre énergétique, ainsi que le modèle radiatif-convectif ) . On connaît avec précision le rayonnement que la Terre reçoit du Soleil (on le désigne même par «constante» solaire), soit 1361 W/m². Cette estimation doit être divisée par 4 pour tenir compte de la sphéricité de la Terre, qui reçoit donc à sa surface 340 W/m². On sait beaucoup moins bien estimer le rayonnement émis par la Terre, car celui ci est très variable de place en place, et aussi dans le temps, du fait de la répartition des océans et des terres émergées, des surfaces englacées et des nuages, qui réfléchissent le rayonnement solaire, et du fait de la distribution de la température au sommet de l’atmosphère, les zones froides à cette altitude émettant moins que les zones chaudes (figure 1). Sous l’effet des rejets de gaz carbonique dans l’atmosphère par l’homme, la Terre émet moins d’énergie qu’elle n’en reçoit, et on considère actuellement que la différence, désignée par Earth Energy Imbalance, ou EEI, est de l’ordre du W/m².

Rayonnement infra rouge émis par la Terre au sommet de l’atmosphère le 20 juin 2021

Figure 1 : rayonnement infra rouge émis par la Terre au sommet de l’atmosphère le 20 juin 2021, en W/m2 (source : US National Oceanic and Atmospheric Administration)

Plusieurs articles qui viennent d’être publiés font le point des connaissances sur l’EEI.

Le premier (Heat stored in the Earth system: where does the energy go?(1) est un article de synthèse, par Karina von Schuckmann (Mercator Ocean / Copernicus Marine Service, Toulouse) et de nombreux collaborateurs. Cette étude réaffirme que «EEI is the most critical number defining the prospects for continued global warming and climate change», et estime sa valeur à 0,87 W/m² pour la période comprise entre 2010 et 2018. Pour rétablir l’équilibre énergétique du climat, il faudrait donc que le rayonnement émis par la Terre augmente de 0,87 W/m². Pour obtenir ce résultat instantanément, il faudrait abaisser la concentration de l’atmosphère en CO2 à 353 ppm afin d’en diminuer l’effet de serre. Or, elle atteignait 412 ppm en 2020 et il faudrait donc en retirer 59 ppm (ce qui équivaut à environ 125 gigatonnes de carbone, soit plus de 10 ans de nos émissions de gaz carbonique au rythme actuel !).

Le second article publié dans Geophysical Research Letters par Norman Loeb et plusieurs collaborateurs, intitulé «Satellite and Ocean Data Reveal Marked Increase in Earth's Heating Rate» (2), attire l’attention sur l’accélération du réchauffement actuel de la Terre. Les auteurs ont estimé l’évolution de l’EEI entre 2005 et 2019, et ont trouvé que celui-ci s’accroît au rythme de 0,50 ± 0,47 W/m² par période de 10 ans.

Selon un troisième article (Anthropogenic forcing and response yield observed positive trend in Earth’s energy imbalance)  (3) le rythme de cet accroissement serait plus lent : 0.38 ± 0.24 W/m-2decade−1. Tous ces articles confirment un résultat déjà connu auparavant : plus de 90 % de la chaleur gagnée par le système climatique terrestre du fait de ce déséquilibre radiatif s’accumule dans les océans. 
Bien estimer l’EEI, et son évolution, est primordial pour comprendre comment le climat réagira à l’accumulation de gaz à effet de serre dans l’atmosphère.

De quels outils disposons nous pour évaluer l’EEI?

La manière la plus directe consiste à observer le rayonnement que la Terre reçoit du Soleil, pratiquement constant, et celui, très variable selon le moment et l’emplacement, qu’elle émet vers l’espace. Pour ceci, on utilise des satellites équipés de radiomètres. C’est l’objectif de programmes tels que ERBE (Earth Radiation Budget Experiment), et CERES. CERES (un des sous-système d’observation de la Terre de la NASA, EOS ou Earth Observing System) a été utilisé pour les deux articles cités ci-dessus. C’est un système de mesures de l’énergie radiante de la Terre et de ses nuages (CERES ou Clouds and the Earth's Radiant Energy System ), qui utilise notamment un radiomètre à trois canaux -un canal à onde courte (Short Wave) pour mesurer la lumière solaire réfléchie par la Terre dans la région 0,2 à 5 μm, un second canal mesurant le rayonnement thermique émis dans la «fenêtre» de 8 à 12 μm, et un canal Total pour mesurer tout le spectre du rayonnement terrestre sortant supérieur à 0,2 μm (pour mémoire, les longueurs d’onde correspondant au rayonnement ultra violet sont inférieures à 0,3 μm, celles correspondant au spectre visible vont de 0,38 à 0,75 μm, et celles correspondant au rayonnement infra rouge sont supérieures à 0,75 μm). Le rayonnement émis par les nuages dépend beaucoup de leur type et de leur altitude et la nébulosité est un aspect important du projet.
Une autre approche consiste à estimer et à suivre l’évolution du stockage de chaleur dans les différents compartiments du système climatique terrestre : océans, atmosphère, terres émergées, fonte des glaces. Là aussi, l’estimation est difficile, à cause notamment du nombre de mesures très élevé dont il faudrait disposer dans tous les compartiments du système climatique terrestre, mais elle peut cependant être réalisée grâce aux progrès accomplis dans le déploiement des réseaux d’observations. L’océan en particulier, qui emmagasine plus de 90 % du gain de chaleur causé par le réchauffement climatique, est couvert depuis 2000 par le réseau de bouées ARGO (Array for Real-time Geostrophic Oceanography). La perte de masse des glaciers, des banquises et des calottes polaires, dont la fusion nécessite un apport de chaleur, est bien suivie elle aussi par satellite. Enfin, la température de l’atmosphère et celle des surfaces terrestres sont acquises en routine par les services météorologiques.

Déséquilibre radiatif de la Terre

Figure 2 : déséquilibre radiatif de la Terre estimé par des mesures radiométriques (rouge) ou par le suivi du contenu de chaleur des composants du système climatique (bleu). En pointillé : les tendance linéaires du déséquilibre selon les deux méthodes (source : Loeb et al., 2021).

Ces deux méthodes donnent des résultats assez concordants (figure 2) en ce qui concerne l’accroissement du déséquilibre (2), mais des écarts importants, notamment en 2009 et en 2016, montrent que la précision des estimations de l’EEI reste à améliorer.

Une troisième approche existe-t-elle?

Les corps dans l’espace émettent un rayonnement et reçoivent celui émis par leurs voisins. Le bilan détermine l’évolution de leur contenu en énergie. Ce qu’on sait moins, c’est qu’il exerce en outre un effet, de façon infinitésimale, sur leurs déplacements. Ce phénomène est celui qui explique la queue des comètes (figure 3), qui est causée par l’action du rayonnement solaire, qui agit comme un vent (on parle de «vent solaire») sur les poussières qui accompagnent le noyau de la comète. Celles ci, à une grande distance du Soleil et des planètes, sont en effet soumises à une gravité très faible de telle sorte que le rôle de la pression de rayonnement devient sensible (voir encart  «la pression de rayonnement»).

La «chevelure» de la comète

Figure 3 : La «chevelure» de la comète n’est pas un sillage, mais la dispersion de ses poussières par le vent solaire.

Cette propriété physique des corps soumis au rayonnement dans l’espace a déjà fait l’objet d’une expérience afin d’estimer le bilan du rayonnement reçu de la Terre et du Soleil par une sphère en orbite. La mission technique CASTOR du CNES en 1975 transportait le micro accéléromètre CACTUS (Capteur Accéléromètre à Trois axes Ultra Sensible) de l’ONERA qui était dédié à l’étude de l’impact des forces non-gravitationnelles subies par le satellite dans l’environnement terrestre, forces susceptibles de modifier la trajectoire du satellite. Cet accéléromètre ultrasensible était un prototype dont il fallait valider le concept et les performances. Ce fut un succès pour toute une gamme d’accélérations subies par le satellite allant de celles dues au freinage par l’atmosphère au voisinage du périgée à 270 km de la Terre, qui sont de l’ordre de 10-6 m/s2, jusqu’à celles très faibles près de l’apogée à 1200 km, qui sont de l’ordre de quelques 10-10 m/s2. Le satellite de forme sphérique (80 cm de diamètre), apparut comme un excellent détecteur des forces non-gravitationnelles en présence dans le milieu spatial, forces agissant sur la trajectoire du satellite. On pouvait en plus mesurer le vecteur de l’accélération subie par le satellite du fait de ces forces dans un référentiel terrestre, en particulier le long de la verticale locale ; il fallait seulement auparavant procéder à la restitution d’altitude du satellite dans un tel référentiel grâce à des capteurs du flux solaire installés tout autour du satellite sur ses différentes faces.

NDLR : après une première tentative de CASTOR, non concluante, la deuxième tentative, réussie, devait conduire à un test très limité dans le temps. François Barlier est alors intervenu avec son équipe de Grasse au CERGA et dans le cadre de coopérations nationales et internationales, et a obtenu la prolongation de la mission sur le long terme. Ceci lui a permis, alors qu'il était le spécialiste des mesures de freinage de l'atmosphère (une mesure pour chaque orbite au périgée) d'obtenir des mesures continues de la densité atmosphérique tout au long de l'orbite et au bout du compte le développement d'un des principaux modèles de répartition verticale de l'atmosphère en très haute altitude. Sa perspicacité ne s'est pas arrêtée là. Il s'est ensuite aperçu que les sauts de signal du micro accéléromètre observés aux passages jour-nuit étaient dus à la pression radiative du Soleil sur le satellite. Poussant son analyse plus loin, il a découvert que du côté nuit, Castor/Cactus détectait le rayonnement infrarouge de la Terre. On doit donc à François Barlier des avancées fondamentales. Malheureusement la mesure des flux radiatifs par des méthodes optiques ou accélérométriques n'était alors pas une priorité pour les agences spatiales, et le projet BIRAMIS par lequel auraient pu se prolonger ces recherches n’a pas été accepté. On doit un grand tribut à François Barlier, qui est depuis 2003 membre du Club des Argonautes.

 

La pression de rayonnement

La pression de rayonnement a été prévue théoriquement par Maxwell en 1871, comme le transfert de la quantité de mouvement des photons à un corps dans l’espace. puis vérifiée expérimentalement par Pyotr Lebedev en 1900, qui a comparé le comportement d’un disque réfléchissant et d’un disque noir absorbant exposés à la lumière dans une enceinte vide. Les forces mises en jeu, extrêmement faibles, causaient une torsion du fil auquel les disques étaient suspendus, amplifiée et détectée par la réflexion d’un rayon lumineux sur un miroir placé sur ce fil (figure a). Le résultat, à savoir que la force exercée sur le disque réfléchissant est deux fois plus élevée que celle sur le disque absorbant, est conforme à la théorie de l’électromagnétisme de Maxwell, et invalide l’interprétation de la pression de rayonnement donnée par le radiomètre de Crookes (figure b) dans lequel la poussée sur les faces noires est due à la dilatation de l’air à leur contact alors qu’elles sont chauffées par la lumière absorbée.
Les corps dans l’espace subissent cette pression lorsqu’ils sont à proximité d’étoiles. Ainsi, les poussières qui accompagnent les comètes sont repoussées dans la direction opposée à l’étoile, formant la «queue» des comètes. Il faut prendre en compte les forces qu’elles génèrent pour calculer les trajectoires des missions spatiales. Ainsi, en l’absence de leur prise en compte, la sonde Viking aurait loupé la planète Mars de 15000 km.

Dispositif expérimental de Lebedev

Radiomètre de Crookes-

 

Il a été ainsi possible de mesurer non  seulement l’effet de la pression solaire directe lorsque le satellite sort de l’ombre de la Terre et se trouve soudain exposé à la lumière solaire, qui se traduit par un saut de l’accélération enregistrée par l’accéléromètre CACTUS, mais aussi l’accélération générée par le rayonnement Infrarouge de la Terre, le satellite étant dans l’ombre de la Terre à environ 1200 km d’altitude. Ce rayonnement varie en fonction des surfaces terrestres survolées, continents ou océans, avec ou sans nuages. Le satellite étant ensuite éclairé par la lumière du Soleil, on a pu alors déterminer le bilan radiatif local et le comparer à des mesures radiométriques de façon satisfaisante dans la zone de latitude survolée (entre 30° de latitude Nord et Sud). (Travaux de Yves Boudon et présentation au COSPAR en 1983 par André Berroir)  (4,5). L’accord général (figure 4) était très encourageant pour poursuivre ces recherches, ce qui a été proposé plus tard avec le projet BIRAMIS.

des mesures du bilan radiatif en zone tropicale et équatoriale

Figure 4 : comparaison des mesures du bilan radiatif en zone tropicale et équatoriale effectuées par un satellite sphérique par radiométrie (trait continu) et par le microaccéléromètre CACTUS (pointillé). D’après Berroir et al. (1983)

Le projet BIRAMIS pour la mesure du bilan radiatif de la Terre au sommet de l’atmosphère, basé sur les travaux de Anne-Marie Mainguy à l’ONERA en 1984  (6), était beaucoup plus complet et ambitieux ; il mettait en œuvre une approche plus ciblée et plus dédiée que ce qui a avait été réalisé lors de la mission CASTOR /CACTUS, avec une orbite de type polaire permettant de couvrir toute la surface de la Terre, une surface du satellite dotée d’un pouvoir réfléchissant neutre vis à vis de la longueur d’onde du rayonnement reçu, une précision accrue de la mesure de l’accélération, et un système de télémétrie adapté à ces mesures. Proposé au début des années 80 , ce projet ne sera finalement pas retenu par le CNES dans la compétition toujours assez rude des missions spatiales en cours ou en projets tels ERBE dans ce domaine. Notons à titre indicatif qu’il restait encore des études complémentaires à développer :

  • pour précisément étudier comment combiner et prendre en compte les autres expériences spatiales déjà en cours sur le bilan radiatif,
  • pour voir de quelle manière satisfaire certaines exigences scientifiques, telles que par exemple la résolution spatiale des données acquises,
  • pour voir comment prendre en compte des informations spectrales obtenues par ailleurs pour l’analyse du rayonnement (le rayonnement solaire est dominé par la lumière visible, tandis que le rayonnement émis par la Terre est dominé par l’infra rouge),
  • et finalement analyser le rôle d’une approche multi-satellites et multi-techniques dans l’étude du bilan radiatif.

L’intérêt premier du projet était alors de mesurer directement la différence entre flux radiatif entrant sur Terre et flux radiatif sortant et non pas d’estimer séparément leurs valeurs individuelles. En outre la surface de la sphère qui sert de récepteur pour le système de mesure avait des propriétés optimales pour intégrer le rayonnement d’où qu’il vienne et pour toute longueur d’onde pour peu que la nature de la surface du satellite ait été bien choisie.
Une étude récente (Maria Z. Hakuba et al., 2018)  (7) menée par la NASA et le Jet Propulsion Laboratory en collaboration avec l’ONERA pourrait bien être le signe d’un regain d’intérêt pour une estimation du déséquilibre radiatif de la Terre par microaccélérométrie, dans le contexte des études en cours sur le changement climatique. Ceci confirme, 35 ans plus tard, la pertinence du projet BIRAMIS, et l’intérêt de l’expérience CASTOR/CACTUS. Il est clair qu’ aujourd’hui, le problème doit être approché d’une manière modernisée ; l’intérêt et la nécessité d’une approche multi-satellites et multi-technologies demeure certainement à promouvoir et à développer, notamment pour l’élimination des biais et des erreurs systématiques. Dans le domaine des nouvelles technologies pouvant contribuer à ces recherches, les équipes françaises peuvent jouer un rôle de premier plan. On peut noter à titre d’exemple l’apport possible des nanosatellites dans le cadre d’ expériences en cours comme celle du laboratoire LATMOS (Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observatoires Spatiales de l’institut Pierre Simon Laplace et de l’Université Versailles-St Quentin en Yvelines) dans les études sur le bilan radiatif. Ce laboratoire est déjà engagé dans la surveillance de l’environnement en utilisant un grand nombre de nanosatellites lancés en janvier 2021 par Space X. Les constellations de nanosatellites peuvent rassembler tous les capteurs nécessaires pour obtenir les nouvelles données radiométriques et spectrales indispensables. Des données de ce type en provenance du dernier nanosatellite UVSQ -SAT sont actuellement reçues à Grasse par la Société ACRI dans les locaux rénovés de l’ancien CERGA, qui est devenu un Nouveau Centre de recherche et un nouveau CERGA dédié à la réception et au traitement des données satellitaires (Centre d’études et de recherches de Grasse). Le problème de la détermination du bilan radiatif global et local de la Terre n’est certainement pas clos et les mesures accéléromètriques pourraient bien de nouveau y jouer un rôle.

Références

(1) Karina von Schuckmann, Lijing Cheng, Matthew D. Palmer, James Hansen, Caterina Tassone, Valentin Aich, Susheel Adusumilli, Hugo Beltrami, Tim Boyer, Francisco José Cuesta-Valero, Damien Desbruyères, Catia Domingues, Almudena García-García, Pierre Gentine, John Gilson, Maximilian Gorfer, Leopold Haimberger, Masayoshi Ishii, Gregory C. Johnson, Rachel Killick, Brian A. King, Gottfried Kirchengast, Nicolas Kolodziejczyk, John Lyman, Ben Marzeion, Michael Mayer, Maeva Monier, Didier Paolo Monselesan, Sarah Purkey, Dean Roemmich, Axel Schweiger, Sonia I. Seneviratne, Andrew Shepherd, Donald A. Slater, Andrea K. Steiner, Fiammetta Straneo, Mary-Louise Timmermans, and Susan E. Wijffels (2020) Heat stored in the Earth system: where does the energy go? Earth Syst. Sci. Data, 12, 2013–2041.

(2) Norman G. Loeb, Gregory C. Johnson, Tyler J. Thorsen, John M. Lyman, Fred G. Rose, Seiji Kato, (2021) Satellite and Ocean Data Reveal Marked Increase in Earth’s Heating Rate. Geophysical Research Letters, 48 (13).

(3) Shiv Priyam Raghuraman, David Printer, V. Ramaswany (2021) Anthropogenic forcing and response yield observed positive trend in Earth’s energy imbalance. Nature Communications, 12 : 4577.

(4) Yves Boudon, thèse, Université Paris VI (1984) Détermination de la pression de radiation par Microaccelerometrie dans le cadre de l’expérience spatiale Castor/Cactus. Contribution à la mesure du bilan radiatif dans la zone intertropicale.

(5) Berroir, A., Y. Boudon and F. Barlier (1983). High sensitive accelerometry as a tool for radiation measurements : Some results of the Cactus experiment. Cospar-Imap-Wmo Expert meeting on satellite systems to measure radiation budget parameters and climate change signals, IGLS Austria.

(6) Anne-Marie Mainguy (1984). Proposition d’un principe de mesure absolue du bilan radiatif basé sur l’accélérometrie spatiale. Démonstration de sa faisabilité à l’aide des résultats de l’expérience Castor/Cactus. Thèse, Université de Paris VI.

(7) Maria Z. Hakuba, Graeme L. Stephens, Bruno Christophe, Alfred E. Nash, Bernard Foulon, Srinivas V. Bettadpur, Byron D. Tapley, Frank H. Webb (2018). Earth’s Energy Imbalance Measured From Space. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 57, 32-45