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Vapeur d’eau : des chercheurs mettent en lumière un effet stabilisateur pour le climat

Energie infrarouge émise par le système Terre-atmosphère entre le 11 et le 25 mai 2001. Les couleurs chaudes signent une forte émission. Crédits : NASA.

Récemment, des chercheurs de l’Université de Californie ont mis en exergue un effet jusqu’à présent négligé qu’a la vapeur d’eau sur le climat. Plus précisément, les auteurs ont montré comment la faible densité du gaz participe à stabiliser le système océan-atmosphère. Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Science Advances le 6 mai 2020. 

Ainsi que l’évoque le parler commun, l’air chaud est plus léger que l’air froid. En pratique, cela n’est strictement vérifié que si la comparaison se fait à pression et humidité égales. Et pour cause, ces deux variables influent fortement sur la densité des particules d’air.

Le rôle joué par la pression explique par exemple pourquoi l’atmosphère est globalement stable du point de vue de la flottabilité malgré une diminution permanente de la température avec l’altitude. Les situations où l’air est réellement instable (orages) sont finalement assez ponctuelles, à la fois dans l’espace et le temps.

réchauffement terre espace
Crédits : NASA.

Un rôle jusqu’à présent négligé de la vapeur d’eau

D’un autre côté, un air de température donnée peut s’avérer plus léger qu’un air de température supérieure s’il est plus humide. Or, dans une récente étude, des chercheurs de l’Université de Californie à Davis (États-Unis) ont précisément mis en lumière un effet dû à cette influence de la vapeur d’eau. Lequel a jusqu’à présent été négligé conceptuellement et ce malgré une propension à stabiliser le climat terrestre.

« Il est bien connu que la vapeur d’eau est un important gaz à effet de serre qui réchauffe la planète » rappelle Da Yang, co-auteur du papier. « Mais d’un autre côté, la vapeur d’eau a un effet sur la flottabilité qui aide à libérer la chaleur depuis l’atmosphère vers l’espace et à réduire l’ampleur du réchauffement. Sans cette légèreté de la vapeur d’eau, le réchauffement climatique serait encore pire ». Comment l’impact de la vapeur d’eau sur la densité des particules d’air permet de faciliter la perte d’énergie vers l’espace ? Sans rentrer dans des considérations trop techniques, nous pouvons résumer le phénomène simplement comme suit.

Un mécanisme stabilisateur 

Dans les tropiques, l’air s’humidifie en circulant au-dessus des océans. Il converge près de l’équateur, s’élève et donne naissance à une bande orageuse discontinue. En dehors de cette zone instable, l’air redescend, asséché. Ce mouvement subsident correspond aux ceintures des grands déserts vers 30 ° de latitude nord et sud. Finalement, on voit que la circulation forme une sorte de boucle que l’on appelle une cellule de Hadley.

vapeur d'eau
Représentation schématique de la boucle de circulation décrite dans le paragraphe (A). Taux de perte de chaleur vers l’espace en fonction de l’humidité de l’air (B). Les différentes lignes montrent comment la perte augmente dans les zones sèches avec présence de l’effet de flottabilité lié à la vapeur d’eau. Crédits : Seth D. Seidel & al. 2020.

Le point important est que – comme l’air humide est plus léger que l’air sec à une même température et pression – pour équilibrer la zone instable, la zone sèche doit être plus chaude qu’elle ne le serait dans un monde sans vapeur d’eau. Ainsi, la Terre perd environ 1 à 2 W/m² supplémentaire grâce à cet effet. Celui-ci augmentant exponentiellement en efficacité avec la hausse des températures. On comprend ainsi pourquoi il limite le processus de réchauffement.

Néanmoins, il faut noter que le phénomène était déjà contenu implicitement dans les modèles climatiques. Autrement dit, les projections climatiques ne seront pas revues à la baisse pour cette raison. Les scientifiques pourront par contre mieux comprendre le fonctionnement du système climatique et vérifier ou améliorer la représentation des processus dans les modèles. « Maintenant que nous comprenons comment la légèreté de la vapeur d’eau régule le climat tropical, nous prévoyons d’étudier si les modèles climatiques mondiaux représentent fidèlement cet effet » indique Seth Seidel, auteur principal de l’étude.

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