La physique fournit le langage fondamental pour décrire le système climatique de la Terre. Chaque processus – de l'absorption de la lumière du soleil par une feuille à la circulation profonde de l'océan – obéit aux lois physiques qui peuvent être exprimées mathématiquement. Les modèles climatiques, qui sont les principaux outils pour projeter les conditions futures, sont essentiellement de grandes collections de ces équations physiques résolues sur des ordinateurs puissants. En établissant des prédictions dans des principes éprouvés, les physiciens et les climatologues peuvent simuler les climats passés, attribuer les changements observés et explorer une gamme d'avenirs possibles.

Les principes physiques derrière les modèles climatiques

Les modèles climatiques modernes reposent sur une poignée de principes physiques fondamentaux qui régissent le comportement de l'énergie et de la matière à l'échelle planétaire. Ces principes ne sont pas des approximations; ce sont les mêmes lois qui décrivent le mouvement d'une pomme en chute ou le flux d'air sur une aile d'avion.

Lois sur la conservation

Dans la science du climat, la conservation de l'énergie garantit que l'énergie nette entrant dans le système terrestre (principalement sous forme de rayonnement solaire à ondes courtes) doit équilibrer l'énergie nette sortant (en tant que rayonnement thermique à ondes longues plus soleil réfléchi). Tout déséquilibre conduit au réchauffement ou au refroidissement. Ce cadre permet aux scientifiques de calculer le budget énergétique de la planète avec une grande précision. De même, la conservation de la masse régit le cycle de l'eau, du carbone et d'autres substances clés à travers l'atmosphère, les océans et la terre.

Dynamique des fluides et équations des bateaux-cargos

Leur mouvement est décrit par les équations Navier-Stokes, qui relient les changements de vitesse aux gradients de pression, rotation (effet de Coriolis), viscosité et forces extérieures telles que la gravité. La résolution de ces équations sur une grille de points autour du globe est la tâche principale d'un modèle climatique. Parce que les courants météorologiques et océaniques sont chaotiques, de petites erreurs se développent au fil du temps, c'est pourquoi les projections climatiques se concentrent sur les statistiques (moyennes, extrêmes, fréquences) plutôt que sur les prévisions exactes.

Thermodynamique et changements de phase

La thermodynamique régit la façon dont la chaleur se déplace dans le système climatique. La première loi de la thermodynamique (conservation de l'énergie) est appliquée à chaque cellule de grille du modèle pour suivre les changements de température dus aux radiations, à la conduction, à la convection et à la libération de chaleur latente. Les changements de phase de l'eau – évaporation, condensation, congélation et fonte – sont particulièrement importants.

Transfert radiatif

Le transfert radiatif décrit comment le rayonnement électromagnétique, à la fois à ondes courtes (solaires) et à ondes longues (thermales), est absorbé, dispersé et émis par l'atmosphère et la surface. Les principaux acteurs sont les gaz à effet de serre (CO2, H2O, méthane, ozone), les nuages et les aérosols. Chacun interagit avec le rayonnement à des longueurs d'onde spécifiques. Par exemple, le CO2 absorbe fortement certaines bandes infrarouges, capte la chaleur et réchauffe la surface. NASA Observatoire de la Terre donne un aperçu clair de ces processus radiatifs.

Comment les modèles climatiques sont construits et fonctionnent

Des modèles de circulation générale aux modèles de système terrestre

Les premiers modèles climatiques n'ont simulé que l'atmosphère, traitant l'océan comme un simple marécage. Aujourd'hui, les modèles du système terrestre (ESM) ont été conçus pour les cycles atmosphériques, océaniques, terrestres, de glace de mer et biogéochimiques (par exemple, carbone, azote). Chaque module résout son propre ensemble d'équations physiques et échange des flux (chaleur, eau, momentum, carbone) avec les autres à chaque étape. La résolution spatiale de ces modèles s'est améliorée de façon spectaculaire : les cellules de grille typiques sont maintenant d'environ 100 km, et certains modèles régionaux descendent à 1 km. Sixième rapport d ' évaluation du GIEC décrit la dernière génération de modèles utilisés pour les projections pertinentes en matière de politiques.

Paramètre : Physique à petite échelle

Aucun modèle ne peut résoudre chaque nuage, ordure ou goutte de pluie. Les processus qui se produisent sous l'échelle de grille doivent être paramétrés par -représentés par des relations mathématiques simplifiées basées sur la physique. Par exemple, la convection dans les orages est paramétrée en reliant la quantité de pluie à l'instabilité et à l'humidité dans une colonne de grille. La fraction nuageuse, la microphysique (glace vs liquide) et la turbulence sont également paramétrées.

Ensembles et incertitude Quantification

Comme les modèles sont imparfaits et que le système climatique est chaotique, les scientifiques ne se basent jamais sur une seule simulation. Ils exécutent plutôt des ensembles — simulations multiples avec de petites perturbations aux conditions initiales, des paramètres physiques légèrement différents ou des scénarios d'émission différents. La diffusion des résultats quantifie l'incertitude. Par exemple, en exécutant 40 membres d'ensemble d'un modèle, les chercheurs peuvent estimer la probabilité que la température moyenne globale dépassera 2°C d'ici 2100 dans un scénario donné. Carbone Brève explication sur les modèles climatiques offre une promenade non technique de méthodes d'ensemble.

Prévoir les scénarios climatiques futurs

Voies d'émission : Voies socio-économiques partagées (SSP)

Pour explorer cette question, la communauté de la recherche sur le climat a défini un ensemble de chemins socio-économiques partagés (SSP) qui décrivent différents avenirs possibles, allant de la décarbonisation rapide (SSP1-1.9) à une forte croissance des combustibles fossiles (SSP5-8.5). Chaque sentier fournit un récit et un ensemble d'émissions et d'intrants d'utilisation des terres pour les modèles. Les modèles projettent alors les changements qui en résultent dans la température, les précipitations, le niveau de la mer et les événements extrêmes.

Projections clés et leur base physique

Les modèles basés sur la physique projettent régulièrement plusieurs changements robustes:

  • Réchauffement de la planète Cette linéarité découle de la physique du forçage radiatif et du cycle du carbone.
  • Augmentation du niveau de la mer La plupart des modèles de la glace sont des modèles de la physique du flux de glace et de l'absorption de chaleur dans l'océan, bien que la dynamique des feuilles de glace demeure une frontière.
  • Augmentation des précipitations extrêmes car l'air plus chaud contient plus d'humidité (rapport Claudius-Clapeyron, ~7% par °C). Cette loi physique conduit à des pluies plus lourdes et des inondations dans de nombreuses régions.
  • Changements dans les trajectoires de tempête et les jets en raison de gradients de température modifiés entre l'équateur et les pôles. La dynamique des fluides basée sur la physique peut reproduire ces changements, bien que des incertitudes subsistent.

Points de basculement et changements brusques

Parmi les projections les plus importantes, on peut citer les seuils non linéaires, qui se détachent des points où un petit changement déclenche un grand changement irréversible. La dégradation de la circulation de l'océan méridien atlantique (AMOC), le dépérissement de la forêt tropicale amazonienne ou la désintégration rapide de la nappe glaciaire de l'Antarctique occidental. La physique est essentielle pour comprendre ces risques. Institut de recherche sur l'impact du climat de Potsdam maintient un aperçu complet des éléments de bascule connus.

Défis dans la modélisation du climat basée sur la physique

Limites et résolution de calcul

Même avec les supercalculateurs exascales, les modèles climatiques mondiaux ne peuvent pas encore résoudre complètement les nuages, les tourbillons océaniques ou le mélange turbulent.Ces processus à l'échelle de la sous-réseaux doivent être paramétrés, ce qui introduit une incertitude structurelle.

Commentaires sur les nuages

Les nuages bas reflètent le soleil (effet de refroidissement), tandis que les nuages élevés piègent la chaleur (effet de réchauffement). La façon dont la couverture nuageuse, la hauteur et les changements microphysiques dans un monde plus chaud dépendent de l'interaction complexe de convection, de turbulence et de rayonnement. Les modèles basés sur la physique gèrent ces interactions différemment, ce qui conduit à une propagation de la sensibilité au climat d'équilibre estimée, qui va d'environ 2°C à 5°C. Les contraintes d'observation et les études au niveau des processus réduisent cette gamme, mais ne l'ont pas éliminée.

Chaos et limites de prévisibilité

Le système climatique est un système dynamique chaotique, ce qui signifie que son évolution est sensible aux conditions initiales. Bien que cela limite la prévision météorologique à environ deux semaines, il n'empêche pas les projections climatiques à long terme parce que les statistiques (moyenne et variabilité) sont robustes. Cependant, la variabilité chaotique – comme El Niño–Oscillation du Sud – peut masquer le signal climatique forcé sur des échelles de temps décadales. Les modèles basés sur la physique doivent simuler correctement la variabilité interne pour la séparer de la tendance au réchauffement.

Commentaires sur le cycle du carbone

La physique se chevauche avec la biogéochimie lors de la modélisation du cycle du carbone. Au moment où l'atmosphère se réchauffe, les sols libèrent plus de CO2 (la respiration du sol augmente de façon exponentielle avec la température) et la capacité de l'océan à absorber les déclins du CO2 (en raison de la réduction de la solubilité et du ralentissement du renversement).

Progrès dans la modélisation du climat par la physique

L'apprentissage automatique comme émulateur de physique

Au lieu de remplacer la physique, l'apprentissage machine (ML) est de plus en plus utilisé pour accélérer des parties de modèles climatiques qui coûtent cher sur le plan informatique. Par exemple, les réseaux neuronaux profonds peuvent imiter des codes de transfert radiatif, couper les temps de calcul par ordre de grandeur.

Résolution supérieure avec modèles en nid

Les modèles climatiques régionaux utilisent les conditions limites des modèles mondiaux et appliquent la physique à un espacement beaucoup plus fin de la grille (1-10 km). Cela capture la topographie, les côtes et les contrastes terre-mer qui conduisent aux précipitations locales, aux vagues de chaleur et aux modèles de vent.

Assimilation et initialisation des données

Pour les prévisions décadales (5 à 30 ans après), il est crucial d'initialiser précisément l'océan et l'atmosphère.L'assimilation des données, technique de la prévision numérique des conditions météorologiques, combine la physique des modèles avec les observations (satellites, bouées, radiosondes) pour créer une estimation optimale de l'état actuel.Cette situation de départ physiquement constante améliore les prévisions de phénomènes comme l'activité des ouragans de l'Atlantique ou la force de la circulation océanique au cours de la prochaine décennie.

Conclusion

La physique n'est pas seulement un contexte de discussion sur le changement climatique, c'est le moteur qui conduit à toutes les prédictions crédibles. Des lois de conservation qui régissent le budget énergétique à la dynamique turbulente des fluides de l'atmosphère et des océans, chaque ligne de code dans un modèle climatique est une déclaration sur le fonctionnement du monde. Alors que des incertitudes subsistent – en particulier autour des nuages, des calottes glaciaires et des rétroactions sur le cycle du carbone – le cadre basé sur la physique s'est révélé remarquablement robuste.