Comprendre le rayonnement solaire et ses composants spectraux

Le rayonnement solaire est l'énergie électromagnétique émise par le Soleil, qui est le moteur fondamental du système climatique terrestre. Cette énergie se propage dans l'espace et arrive au sommet de l'atmosphère à une irradiance moyenne d'environ 1 361 watts par mètre carré (W/m2), une valeur connue sous le nom de constante solaire. Cependant, la quantité réelle atteignant la surface varie en raison de la géométrie orbitale, de la diffusion atmosphérique, de l'absorption et de la couverture nuageuse.

Lumière visible

La lumière visible (longueur d'onde ~380–750 nm) représente environ 44 % de l'énergie solaire totale atteignant la Terre. Elle est largement transmise par l'atmosphère et absorbée par la surface, entraînant le réchauffement diurne, la photosynthèse et l'évaporation de l'eau.

Radiation ultraviolette

Le rayonnement ultraviolet (longueur d'onde inférieure à 380 nm) représente environ 7 % de l'énergie solaire entrante, mais a des effets surdimensionnés. Le rayonnement UV-B (280–315 nm) est largement absorbé par la couche d'ozone stratosphérique, et les variations de l'apport UV peuvent modifier la chimie de l'ozone et les gradients de température stratosphérique.

Rayonnement infrarouge

Le rayonnement infrarouge (longueur d'onde supérieure à 750 nm) représente environ 49 % de l'énergie solaire. Alors que le Soleil émet principalement le rayonnement à ondes courtes, la Terre re-somme l'énergie comme IR à ondes longues. Cependant, l'IR solaire direct est absorbé par la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone dans la basse atmosphère, contribuant à l'effet de serre.

Des missions satellitaires comme le capteur d'irradiation solaire total et spectral (TSIS-1) à bord de la Station spatiale internationale fournissent des données continues sur l'irradiation spectrale, améliorant ainsi notre capacité à relier les fluctuations solaires aux réponses climatiques.

Les mécanismes de variabilité solaire

La production solaire n'est pas constante. Elle change sur plusieurs échelles de temps, entraînées par l'activité magnétique interne et les changements dans la structure du Soleil. Le signal le plus important est le cycle solaire de 11 ans, marqué par la hausse et la chute des nombres de taches solaires.

Le cycle solaire de 11 ans

Pendant la haute activité, le rayonnement UV augmente la chaleur de la stratosphère, ce qui entraîne des changements dans la circulation Brewer-Dobson et modifie la distribution de l'ozone. Cela déplace les jets subtropicaux et peut moduler les conditions météorologiques dans l'hémisphère nord hivernal, y compris l'oscillation de l'Atlantique Nord (OAN) et l'oscillation de l'Arctique (OA). Par exemple, les périodes d'activité solaire plus élevée sont souvent associées à une phase d'OAN plus positive, ce qui amène des hivers plus doux au nord de l'Europe et des conditions plus froides dans l'est de la Méditerranée.

Variations à long terme : Minimums minimums et grands minima

Au-delà du cycle de 11 ans, le Soleil présente des changements d'une durée de plusieurs décennies à plusieurs siècles. Le minimum de Maunder (1645–1715) était une période d'activité extrêmement faible des taches solaires coïncidant avec la partie la plus froide de l'ère de la Petite Glace. Bien que la réduction directe de la STI durant cette période soit estimée à seulement 0,2–0,3 W/m2, les reconstructions par procuration des anneaux d'arbres et des carottes de glace suggèrent que les rétroactions amplifiées – comme les changements dans le couvert nuageux et le stockage de la chaleur en mer – auraient pu produire un refroidissement régional allant jusqu'à 1–2 °C. De même, le minimum de Spörer (1460–1550) et le minimum de Dalton (1790–1830) sont liés à des températures européennes plus froides.

Tendances laïcs et force solaire

Au cours des siècles à des millénaires, les variations de l'orbite terrestre (cycles de Milankovitch) modifient la distribution et la quantité totale de rayonnement solaire reçue au sommet de l'atmosphère. Ces changements orbitaux sont les stimulateurs de l'âge des glaces, provoquant des déplacements de 5 à 10 W/m2 à des latitudes élevées.

Comment les rayonnements solaires influencent la circulation atmosphérique et les modèles météorologiques

L'impact du rayonnement solaire sur le climat est médié par des réactions atmosphériques et océaniques complexes. Une voie clé est le mécanisme --down, où le chauffage par les UV dans la stratosphère modifie les gradients de température et les modèles de vent.

Ozone stratosphérique et gradients de température

Les UV solaires améliorent la production d'ozone dans la stratosphère tropicale. Plus d'ozone absorbe plus d'UV, réchauffe la stratosphère et renforce le vortex polaire stratosphérique. Un vortex polaire plus fort tend à maintenir une masse d'air arctique stable et froide, réduisant la fréquence des événements de blocage de la latitude moyenne.

Effet sur les jets et les trajectoires de tempête

Les changements de gradient de température latitudinale entre les tropiques et les pôles, influencés par le chauffage solaire, affectent directement la position et l'intensité des jets. Un cycle solaire plus fort peut déplacer le jet subtropical vers le pôle, modifiant les trajectoires de tempête qui fournissent des précipitations à l'ouest de l'Amérique du Nord, en Europe et en Asie.

Couplage océan-atmosphère

Le rayonnement solaire exerce également une influence sur la surface de l'océan, influençant les températures de la surface de la mer (SST) et les courants océaniques. L'oscillation El Niño-Sud (ENSO) montre une réponse faible mais détectable à la variabilité solaire.

Impacts observés sur la température, les précipitations et les événements extrêmes

Les enregistrements historiques et d'observation montrent que les variations du rayonnement solaire contribuent à la variabilité du climat entre les différentes régions et saisons.

Variabilité de température

Au niveau mondial, la corrélation entre la TSI et la température de surface est modeste (R2 γ 0,1–0,2 au cours des 400 dernières années), mais les signaux régionaux sont plus prononcés. Par exemple, l'Arctique montre une sensibilité accrue au forçage solaire en raison de la rétroaction de l'albédo-glace. Pendant les périodes d'activité solaire élevée, les températures arctiques peuvent se réchauffer de 1 à 2 °C par rapport aux minima solaires, ce qui accélère la perte de glace de mer.

Les précipitations

Les changements de direction de la zone ont été liés aux maxima solaires dans les enregistrements de substitution de l'Holocène. Les systèmes de mousson en Inde, en Afrique et en Asie du Sud-Est présentent une variabilité multidécadale qui est en corrélation avec les cycles solaires, bien que le signal soit souvent envahi par le forçage des gaz à effet de serre au cours des dernières décennies. Par exemple, la faible mousson estivale indienne des années 1970 et 1980 ait pu être partiellement influencée par une faible activité solaire au cours de cette période.

Événements météorologiques extrêmes

Les changements dans les modes de circulation atmosphérique dus à la variabilité solaire peuvent modifier la fréquence et l'intensité des événements extrêmes :

  • Les ondes de chaleur: Les phases positives de l'OAN et des jets polaires plus faibles pendant les maxima solaires peuvent conduire à des crêtes à haute pression persistantes, augmentant le risque de vagues de chaleur en été.
  • Hurricanes: La modulation solaire de la teneur en chaleur de l'océan et le cisaillement vertical du vent affectent la formation de cyclones tropicaux.
  • Dans les minima solaires, un vortex stratosphérique plus faible peut entraîner des événements de réchauffement soudains de la stratosphérique, qui à leur tour favorisent les éclosions d'air froid et les tempêtes hivernales graves dans l'est des États-Unis et en Europe.
  • Drought: Le forçage solaire persistant peut contribuer à des modèles de sécheresse à long terme, comme les mégasécheresses observées dans le sud-ouest des États-Unis pendant la période de réchauffement médiévale, lorsque la production solaire était relativement élevée.

Études de cas historiques : Le forçage solaire dans le paléoclimate

L'influence du rayonnement solaire sur le climat est plus clairement observée sur les échelles de temps du centenaire et du millénaire à l'aide de données par procuration.

La petite période glaciaire (1300-1850)

Cette période comprenait trois principaux minima solaires (Wolf, Spörer, Maunder) et coïncidait avec des températures inférieures à la moyenne dans l'hémisphère Nord. Les reconstructions utilisant des anneaux d'arbres, des carottes de glace et des relevés de sédiments montrent une dépression de température de 0,5 à 1,0 °C dans le monde, avec un refroidissement plus important en Europe et dans l'Atlantique Nord. L'avancée des glaciers alpins et le gel de la rivière Thames à Londres sont des impacts bien documentés.

La période de chaleur médiévale (950–1250)

Coïncidant avec le maximum médiéval de l'activité solaire, cette période a vu des températures comparables ou plus chaudes que celles de la fin du XXe siècle dans certaines régions, notamment l'Atlantique Nord. La colonisation nordique du Groenland et l'augmentation de la productivité agricole en Europe sont souvent liées à cette chaleur.

Variabilité solaire de l'holocène

Au cours des 10 000 dernières années, des variations de l'irradiation solaire ont été reconstruites à partir d'isotopes cosmogènes comme le carbone-14 et le béryllium-10. Ces données révèlent des périodicités de ~90 (Gleissberg), ~200 (de Vries) et ~2 400 ans (cycle de Hallstatt). Les comparaisons avec les proxies climatiques suggèrent que les conditions plus humides et plus chaudes dans l'hémisphère Nord s'alignent souvent sur les maxima solaires, tandis que les périodes arides correspondent aux minima solaires.

Désengagement du solaire contre les changements climatiques anthropiques

Dans l'ère moderne, la tendance au réchauffement depuis le milieu du XXe siècle est dominée par les émissions de gaz à effet de serre, mais le forçage solaire continue de moduler la variabilité à court terme. Comme l'augmentation nette de la STI étant donné que le minimum de maunders n'est que d'environ 0,3 W/m2 (par rapport à un forçage radiatif de plus de 3 W/m2 aujourd'hui), les changements solaires ne peuvent expliquer le réchauffement climatique récent.

Études de détection et d'attribution

Les simulations de modèles climatiques qui comprennent à la fois des forçages naturels (solaires, volcaniques) et anthropiques reproduisent les changements de température observés au XXe siècle beaucoup mieux que ceux qui ne sont pas nécessairement liés aux forçages naturels.

Incidences sur la sensibilité au climat

Les estimations de la sensibilité au climat — la quantité de température augmente pour un doublement du CO2 — sont fondées sur les réponses au forçage solaire. Le rapport entre le changement de température et le forçage radiatif des cycles solaires est utilisé comme contrainte.

Frontières actuelles de la recherche et sources de données

Les réseaux d'observation modernes et les missions satellitaires ont révolutionné notre capacité de surveiller les rayonnements solaires et leurs impacts climatiques.

Missions satellitaires clés

  • Expérience sur le rayonnement solaire et le climat (DORCE) (2003-2020) : Mesures spectrales à haute résolution.
  • TSIS-1 (2018–aujourd'hui) : continue l'héritage de SORCE avec une précision accrue, couvrant les UV, visibles et proche-IR.
  • PICARD (2010-2014): Variabilité de la forme solaire et de l'irradiation.
  • Expérience sur le budget des radiations de Terre (ERBE) et Clouds et le système d'énergie radiante de la Terre (CERES)[: Mesurer les flux d'énergie du sommet de l'atmosphère, cruciale pour comprendre les déséquilibres radiatifs.

Réseaux terrestres

Le Réseau de référence sur les rayonnements de surface (BSRN) fournit des données de haute qualité sur les rayonnements solaires de surface dans plus de 70 stations dans le monde. AERONET mesure la profondeur optique des aérosols, qui est influencée par la photochimie induite par les UV.

Orientations futures

  • Améliorer les représentations de l'irradiation spectrale solaire dans les modèles climatiques.
  • Étudier le rôle des retours de données sur les nuages induits par l'énergie solaire à l'aide de nouvelles données satellitaires.
  • Étudier le système Soleil-Terre en tant qu'ensemble couplé, y compris l'influence possible des rayons cosmiques galactiques sur la nucléation des nuages – un mécanisme controversé mais potentiellement important.

Conclusion : Le rôle persistant mais subordonné des rayonnements solaires

Le rayonnement solaire demeure un facteur fondamental de la variabilité climatique à toutes les échelles de temps. Son influence sur la température, les précipitations et les événements extrêmes est mesurable et scientifiquement significative, surtout lorsqu'on considère les modèles régionaux et les changements climatiques naturels. Cependant, dans le contexte du siècle dernier, le forçage anthropique dû aux gaz à effet de serre est devenu le facteur dominant. Comprendre les interactions entre le climat solaire et le climat est essentiel pour améliorer les prévisions climatiques saisonnières à la fin de la saison, valider les modèles climatiques et interpréter les données paléoclimatiques.

Pour plus de détails, voir la page de mission NASA TSIS-1, le portail NOAA Climate.gov et le sixième rapport d'évaluation IPCC (Groupe de travail I)