Pourquoi la stratosphère refroidit alors que la troposphère se réchauffe ?

Par Gavin Schmidt (traduit de l’anglais par Vincent Noël)

Des études récentes du changement climatique (MSU température Record, ACIA) ont mis en évidence un refroidissement de la stratosphère, en parallèle a un apparent réchauffement de la surface et la basse atmosphère (troposphère). La stratosphère se situe entre 12 et 50 km d’altitude environ. Elle se caractérise par un profil de température qui augmente avec l’altitude, en raison de l’absorption des radiations solaires ultraviolettes par l’ozone stratosphérique. Les choses sont très différentes dans la troposphère (de 0 a 12 km d’altitude environ), ou, en général, la température baisse lorsque l’altitude augmente, en raison de l’expansion des gaz alors que la pression atmosphérique diminue. En d’autres termes, la stratosphère a un gradient de température négatif, alors que la troposphère a un gradient positif.

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Vous pouvez sauter le paragraphe suivant, c’est très technique. En résumé, une augmentation de la concentration des gaz a effet de serre entraîne une augmentation du gradient de température a la surface.

[Explication technique. Imaginez une atmosphère constituée de couches isothermes, qui n’interagissent que de façon radiative. A l’équilibre, chaque couche ne peut émettre que ce qu’elle a absorbé. Si la quantité de gaz a effet de serre (GES) est faible, chaque couche ne voit que les émissions de la surface, et donc par Stefan-Boltzmann on peut déduire que 2Ta4 = Tg4, avec Ta la température de l’air et Tg celle du sol. Ainsi Ta=0.84 Tg pour toutes les couches (dans une atmosphère isotherme). D’un autre coté, si la concentration en GES est très élevée, chaque couche ne voit que les émissions de ses voisines, et on peut montrer que la température de la couche supérieure serait donnée par (n+1)-1/4 Tg, avec n le nombre de couches. Cette dernière température est bien plus froide que dans le cas des faibles GES. Donc l’augmentation des GES accroît le gradient de température atmosphérique.]

Dans le cas de la Terre, les radiations solaires sont a-peu-près constantes. Ceci implique qu’il existe un niveau dans l’atmosphère (appelé le niveau de radiation effectif) a la température de radiation effective (environ 252K). Ce point est situé dans la troposphère moyenne (environ 6 km d’altitude). Étant donne qu’une augmentation des GES implique une augmentation du gradient de température, les températures vont donc “pivoter” autour de ce point fixe : l’atmosphère en-dessous de ce point va se réchauffer, et l’atmosphère au-dessus se refroidir.

Même si la stratosphère a un gradient de température opposé a celui de la troposphère en raison de l’absorption par l’ozone, l’impact d’une augmentation des GES sera le même : comme la stratosphère est au-dessus du niveau de radiation effectif, celle-ci va se refroidir. Le refroidissement sera plus important aux hautes altitudes. Dans la troposphère, beaucoup d’autres paramètres influencent la température, principalement la concentration en vapeur d’eau, et donc le changement est limité par rapport a une atmosphère purement radiative. En conclusion, même si la troposphère se réchauffe lors d’une augmentation de GES, le plus fort changement n’est pas observe a la surface, mais dans la troposphère moyenne.

Bien entendu, cette explication est une approximation simplifiée, et d’autres mécanismes sont également importants (nuages, convection, dynamique, etc). Localement, le comportement atmosphérique peut être très différent. Néanmoins, a grande échelle, ce mécanisme est l’effet dominant.

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