Phénomènes climatiques émergents

Pour expliquer ceci en détail, je vais me permettre de reprendre, réchauffer et refondre un passage de mon ancien post “It’s Not About Feedback”, parce qu’il correspond parfaitement à ce dont je parle. Pour comprendre pourquoi les phénomènes émergents sont essentiels à la compréhension du climat, voici l’évolution diurne et nocturne dans l’océan tropical. L’océan tropical est l’endroit où la majorité de l’énergie solaire pénètre l’énorme machine thermique que nous appelons climat. Donc c’est aussi naturellement là où les mécanismes homéostatiques principaux sont situés.

A l’aube, l’atmosphère est stratifiée, avec l’air le plus froid près de la surface. L’inversion nocturne de l’océan va prendre fin. Le soleil est libre de chauffer l’océan. L’air près de la surface tourbillonne de façon aléatoire.

Figure 4. Conditions moyennes sur l’océan tropical peu après l’aube.

Comme on peut le voir, il n’y a pas de phénomène émergent dans ce régime. En regardant cette scène paisible, on ne pourrait deviner qu’on pourrait être atteint par la foudre d’ici quelques heures… l’émergence fait loi. Le soleil continuant à chauffer l’océan, autour de dix ou onze heures du matin il y a un changement de régime soudain. Un nouveau modèle de circulation remplace le tourbillon aléatoire. Dès qu’un seuil critique d’humidité/température est franchit, des cellules locales de circulation apparaissent partout. Ces cellules transportent la vapeur d’eau vers le haut au niveau local d’élévation de condensation. Ce niveau atteint, la vapeur d’eau se condense en nuages comme montré à la Figure 3.

Figure 5. Conditions moyennes sur l’océan tropical lorsque la limite de cumulus est franchie.

A noter que ce changement de la zone pour un modèle de circulation organisé n’est pas un changement de rétroaction. Cela n’a rien à voir avec de la rétroaction. C’est un phénomène émergent auto-organisé. Il est basé sur une limite, ce qui veut dire qu’il émerge spontanément lorsqu’un certain seuil est franchi. Sous les tropiques humides “profondes” il y a beaucoup de vapeur d’eau, donc la principale variable du seuil est la température. A noter de plus qu’il y a en réalité deux phénomènes émergents distincts dans le dessin : la circulation de Rayleigh-Bénard qui émerge avant la formation de cumulus, et qui est augmentée et renforcée par l’émergence des nuages.

A noter aussi que nous avons en jeu également un changement d’état, avec évaporation de la surface puis condensation et ré-évaporation en altitude.

Sous ce régime de circulation de cumulus en fin de matinée, le réchauffement de la surface est beaucoup moins important. Une partie de la lumière solaire est réfléchie vers l’espace, donc il y a moins d’énergie qui rentre dans le système. Alors le vent de surface en hausse en raison du modèle de circulation de cumulus augmente l’évaporation, réduisant encore plus le réchauffement de la surface en déplaçant l’énergie latente vers le niveau de saturation/condensation.

Noter que le système s’autocontrôle. Si l’océan est un peu plus chaud, le nouveau régime de circulation démarre plus tôt dans la matinée, et réduit le réchauffement journalier total. Autrement dit, si les océans sont plus frais que d’habitude, les cieux matinaux restent clairs plus longtemps dans la journée, permettant plus de réchauffement. Le système est régulé par le moment d’apparition du changement de régime.

Arrêtons-nous à ce stade de notre examen de la journée tropicale et considérons l’idée de “sensibilité climatique”. Le forçage solaire augmente constamment à mesure que le soleil s’élève dans le ciel. Le matin, avant le début de la circulation de cumulus, le soleil traverse l’atmosphère et chauffe rapidement la surface. Donc la réponse climatique est forte, et la sensibilité climatique est élevée.

Après le début du régime de cumulus, d’un autre côté, une grande partie de la lumière solaire est reflétée vers l’espace. Il reste moins de lumière solaire pour chauffer l’océan. En plus de la réduction de rayonnement solaire, le refroidissement par évaporation est augmenté. Comparée au matin, la sensibilité climatique est beaucoup plus basse. Le réchauffement de la surface ralentit.

Donc nous avons ici deux situations avec des sensibilités climatiques très différentes. Au début de la matinée, la sensibilité climatique est élevée et la température s’élève rapidement avec l’augmentation de l’ensoleillement. A la fin de la matinée intervient un changement de régime vers une situation avec une sensibilité climatique beaucoup plus basse. L’ajout d’énergie solaire supplémentaire n’élève nulle part la température aussi vite qu’auparavant.

Allant plus avant dans la journée, à un certain point de l’après midi il y a une bonne chance que le modèle de circulation de cumulus ne soit pas suffisant pour arrêter l’élévation continue de la température de surface. Lorsque la température excède un certain seuil plus élevé, un autre changement de régime complet prend place. Quelques uns des innocents cumulus mutent soudainement et grossissent rapidement en tours monstrueuses. Le changement de régime met en jeu la génération spontanée de ces moteurs thermiques magiques et indépendamment mobiles qu’on appelle orages.

Les orages sont des machines thermiques à deux carburants. Ils fonctionnent sur un air peu dense. Cet air s’élève et condense l’humidité. La condensation relâche de la chaleur et réchauffe l’air qui s’élève haut dans la troposphère.

Figure 6. Circulation orageuse d’après midi sur l’océan tropical.

Il y a deux façons d’obtenir de l’air de faible densité. L’une est de le chauffer. C’est comme cela qu’un orage démarre, comme un fort cumulus. Le soleil plus le rayonnement de GES […] se combinent pour chauffer la surface [qui] chauffe l’air. L’air de faible densité s’élève. Lorsque cela devient suffisamment puissant, un orage se forme.

Une fois l’orage déclenché, le deuxième carburant est ajouté au feu – la vapeur d’eau. Contre intuitivement, plus il y a de vapeur d’eau dans l’air, plus celui-ci devient léger. L’orage génère de forts vents autour de sa base. L’évaporation est proportionnelle à la vitesse du vent, donc cela accroît grandement l’évaporation locale.

Ceci naturellement rend l’air plus léger et fait qu’il s’élève plus rapidement, ce qui rend l’orage plus puissant et à son tour accroît la vitesse du vent autour de sa base, ce qui augmente encore plus l’évaporation… un orage est un système qui se régénère, tout à fait comme un feu dans lequel une part de l’énergie est utilisée pour actionner des soufflets qui font que le feu devient encore plus chaud. Une fois démarré, c’est beaucoup plus difficile à arrêter.

Ceci donne aux orages une capacité qui, autant que je sache, n’est représentée dans aucun modèle climatique. Il est capable d’amener la température de surface bien en dessous de la température nécessaire à son démarrage. Il peut se déclencher dans la soirée et tard dans la nuit sur sa combinaison de sources d’énergie thermique et d’évaporation.

Les orages peuvent être vus comme des fuites locales transportant rapidement la chaleur vers la haute atmosphère. Ils refroidissent la surface de différentes façons, avec une combinaison mettant en jeu eau froide, ombre, vent, embruns, évaporation, changements d’albédo et air froid.

Et de même que pour la naissance de la circulation de cumulus, la naissance d’orages se produit plus tôt dans la journée lorsqu’il fait plus chaud, et plus tard (et quelque fois pas du tout) les jours plus froids que d’habitude.

Ainsi de nouveau, nous voyons qu’il n’y a aucun moyen de compter sur une sensibilité climatique moyenne. Plus il fait chaud, moins les watts par mètre supplémentaires chauffent réellement la surface.

A la fin, une fois tous les feux d’artifice des changement journaliers sont terminés, d’abord les cumulus puis les orages déclinent et disparaissent. Il s’ensuit un régime final et de nouveau différent. La principale particularité de ce régime est que, pendant ce temps, l’océan rayonne la quantité d’énergie qu’il a absorbé durant tous les régimes décrits précédemment. Comme le fait-il ? C’est un autre phénomène émergent…

Figure 7. Conditions prévalant après la dissipation nocturne des nuages diurnes.

Durant la nuit, la surface reçoit toujours de l’énergie des GES. Ceci a pour effet de retarder le début de l’inversion océanique et de la réduction du taux de refroidissement. A noter que l’inversion océanique est de nouveau la circulation émergente de Rayleigh-Bénard. Du fait qu’il n’y a pas de nuages, l’océan peut plus facilement rayonner vers l’espace. De plus, l’inversion de l’océan amène constamment de l’eau nouvelle à la surface, non plus depuis la surface comme durant la journée mais depuis la totalité de la couche supérieure de l’océan.

Il y a quelques points à faire remarquer à propos de l’ensemble de ce système.

Premièrement c’est ce qui se passe sous les tropiques qui sont l’endroit où l’énergie pénètre dans le côté chaud du grand moteur thermique que nous appelons climat.

Ensuite, quelquefois des augmentations de l’énergie entrante sont majoritairement transformées en température. A d’autres moments, les augmentations d’énergie entrante sont majoritairement transformées en travail mécanique (la circulation de l’océan et de l’atmosphère qui transportent l’énergie vers les pôles). Et à d’autres moments, l’énergie en hausse est principalement déplacée des tropiques vers les pôles.

Ensuite, notez que toute cette série de changements est totalement et complètement dépendante de phénomènes émergents basés sur des seuils de température. C’est une erreur de penser qu’il s’agit de rétroactions. C’est plus que la marche d’un ivrogne sur un chemin étroit, les barrières de sécurité ne sont pas des rétroactions – ce sont des lieux où les règles changent. Les diverses limites dans le système climatique sont comme cela – lorsque vous les franchissez, tout change. L’océan avant et après le début de l’inversion sont deux endroits très différents.

Et ceci met en lumière l’une des plus importantes caractéristiques de contrôle du climat – l’heure du début. La quantité d’énergie lâchée par l’océan durant la nuit dépend essentiellement du moment où commence l’inversion. La température de l’après midi tropical dépend du moment où commencent les cumulus, et du moment où démarrent les orages.

Finalement, considérons la difficulté d’analyse ou de modélisation de ce genre de situation. Nous avons un maillage [dans les modèles du climat] qui est nettement plus gros que n’importe quel nuage ou orage. Tout ce que nous avons, les seuls éléments de notre modèle, sont les statistiques moyennes de notre grille. Et le principal système de commande est le timing de l’initiation du phénomène basé sur un seuil qui est inférieur à la taille de votre maillage…

Pensons par exemple à l’humidité moyenne du Pacifique tropical où il y a des orages. Aussitôt que les orages se déclenchent, ils commencent à décharger de l’air sec en hauteur. Cet air sec refroidit et descend dans les zones entre les orages. Donc si vous faisiez la moyenne de l’humidité relative de l’ensemble de l’atmosphère à travers de disons une maille d’un modèle climatique, soit environ 100 miles carrés, vous verriez l’humidité chuter à mesure que les orages se développent.

Mais cet asséchement général de l’air descendant masque ce qu’il se passe réellement. Sous les orages, les vents générés par la tempête accélèrent l’évaporation. L’air sec voisin est apporté, se chargeant à plein d’humidité via l’évaporation en hausse et propulsé vers le haut à des vitesses supérieures à 10 m/sec. En quelques minutes il se trouve au niveau de saturation/condensation (Ndt du fait de l’élévation – baisse de pression – et du refroidissement, c’est le niveau auquel l’air atteint 100% d’humidité relative) où il se condense sous forme de nuages et de pluie.

Il en résulte qu’en dépit du fait que l’ensemble de l’atmosphère s’assèche, en fait, d’énormes quantités d’humidité sont déplacées verticalement par le système. Donc les simples moyennes sont inutilisables. Le système déplace plus d’eau mais l’humidité relative moyenne de l’ensemble de l’atmosphère a diminué.

Donc, accroître l’entrée peut seulement augmenter le débit, plutôt que d’augmenter la température. Toute l’énergie qui atteint l’océan tropical n’est pas immédiatement rayonnée vers l’espace. Une grande quantité est déplacée, via l’océan et l’atmosphère, vers les régions polaires avant de retourner dans l’espace. Cela signifie que l’un des déterminants essentiels de la température, des régions tropicales aussi bien que des régions polaires est le débit d’énergie – quelle quantité d’énergie est déplacée des tropiques vers les pôles. Une fois le système passé en régime orageux, toute l’énergie entrante ne va simplement que faire tourner la roue plus vite, déplaçant plus d’énergie de la surface vers la haute atmosphère, déplaçant plus d’air et d’eau des tropiques vers les régions polaires. Ainsi, au lieu de réchauffer la surface, l’énergie est déplacée vers les hauteurs et vers les pôles.

A nouveau cependant, ces changements de débit rendent la situation difficile à analyser. Le satané système ne reste pas toujours immobile, il répond à tout ce qui arrive. Comment pourrait-on mesurer avec précision la quantité d’énergie déplacée et transformée par un orage ?

Une difficulté supplémentaire est inhérente à la taille du phénomène. L’orage est le moteur thermique naturel le plus commun à la surface de la planète. Mais il est infiniment plus petit que la taille d’une maille de la grille d’un modèle climatique. Il en résulte que les orages ne peuvent tout simplement pas être simulés dans les modèles climatique globaux modernes. Cela signifie qu’ils doivent être “paramétrés”, ce qui, autant que je sache vient du latin et signifie “concocté pour s’adapter aux présupposés du programmateur”. Mais alors que la paramétrisation d’un système simple n’est pas difficile, paramétrer un système comprenant des phénomènes émergents est très difficile à réussir.

En partie, ce problème provient de ce qui rend nécessaire la paramétrisation – la petite taille des orages. Le problème est que ces petits orages refroidissent de petites zones avant même qu’ils deviennent grands. J’ai vu par exemple un orage solitaire dans la matinée, stationnant sur quelque zone chaude de l’océan, sans aucun autre nuage dans le ciel. Il était en train de pomper un point chaud très localisé qui avait persisté durant la nuit, et tant qu’il restait chaud, l’orage restait en place et le refroidissait.

Comment sur la terre peut-on paramétrer ce genre de réponse instantanée à un excès de chaleur ? Les orages éclatent sur les points chauds et les refroidissent en dessous de la température de déclenchement. Et ce genre de réponse proactive rapide incluant du dépassement n’est pas facile à mettre en paramètres.

Et vu que tout ce que vous avez sont des moyennes de maillages, comment pourrez-vous modéliser les changements critiques au moment du déclenchement des divers phénomènes émergents ? Si le cumulus n’apparaît pas au bout d’une heure, ou apparaît une heure plus tôt, cela fait une énorme différence. Et naturellement, les nuages et les orages n’apparaissent jamais hors temps, ils émergent seulement si et quand ils sont nécessaires, parce que leur apparence est régie par les lois immuables du vent, de l’eau, de l’évaporation et de la condensation. Ils ne peuvent se produire tard ou tôt, ils arrivent toujours lorsque le temps est venu. Mais dans les modèles, il n’y a pas d’orages…

Comme je l’ai mentionné plus haut, il existe une gamme de phénomènes climatiques émergents. En général, ils travaillent ensemble pour maintenir la température de la planète dans des limites relativement étroites. Le plus important d’entre eux est le système d’orages tropicaux décrit plus haut. Et il y a quelque chose de vraiment crucial à propos de ce système, quelque chose que vous pourriez ne pas avoir remarqué donc permettez-moi de le répéter. Un contrôle principal sur la température est exercé par le timing et la force du phénomène émergent, nuages et orages en particulier. Maintenant, voici la partie importante. Le moment du jour où se forme un nuage est fonction de la physique régissant les vents, les flots, l’eau, l’évaporation, la condensation et l’air, et la façon dont ils réagissent à la température .

Voici pourquoi cette affirmation est importante. Elle est importante à cause de ce qui manque – il n’est pas fait mention du CO₂, parce que le CO₂ n’exerce aucun effet direct sur la formation des nuages. Les nuages se forment en réponse à la température et à la pression et autres facteurs, non au CO₂.

Donc, s’il y a un brin de forçage additionnel et si la surface est un peu plus chaude, les nuages se forment simplement plus tôt, les orages se forment plus tôt, et l’inversion nocturne de l’océan démarre plus tôt… et cela équilibre le forçage additionnel, exactement comme cela se fait depuis des millions d’années.

Non qu’il s’agisse d’une simple théorie. J’ai montré que d’après les bouées TAO [Tropical Atmosphere Ocean], les jours qui commencent plus froids que la moyenne se terminent plus chauds que la moyenne, et les jours qui commencent plus chauds se terminent plus froids… exactement comme le prévoit cette théorie. Voirici et là pour une discussion plus approfondie de l’effet des phénomènes émergents comme on le voit dans les enregistrements des flotteurs TAO.

Maintenant, notez que je n’ai pas dit que ce genre de système incluant des systèmes émergents de contrôle de la température était impossible à modéliser… simplement que c’est difficile. J’ai moi-même fait beaucoup de modélisation informatique, des modèles itératifs ou non-itératifs, et aussi j’ai à la fois écrit et utilisé des modèles basés sur la physique, des modèles économiques, des modèles utilisant des réseaux neutres, des algorithmes d’éducation machine, des modèles d’évolution informatiques, des modèles de marée, j’ai joué à cela dans beaucoup de domaines et de beaucoup de façons. On peut le faire. Mais pas de la façon dont ils le font, parce que leur méthode ne tient pas compte des phénomènes émergents.

L’émergence de nuages et d’orages refroidissant radicalement la surface, plus l’augmentation de la convection et de l’évaporation avec la température, plus le rayonnement thermique s’élevant selon la puissance quatrième de la température, tout se combine pour placer une barrière sérieuse sur le chemin de toute élévation de température. Autant que je puisse le dire, les modèles climatiques n’ont pas une telle barrière. Dans le monde des modèles, augmenter de six ou même de dix degrés se fait sans histoire, les itérations de modèles font ça sans une goutte de sueur.

Mais dans le monde réel naturellement, Murphy conspire avec la nature pour que chaque degré supplémentaire soit de plus en plus difficile à atteindre… et les phénomènes émergents arrêtent non seulement le réchauffement, ils refroidissent activement la surface. Jusqu’à ce que la théorie et les modèles prennent en compte les phénomènes émergents, les modèles continueront à être les miroirs de baraque de foire de la réalité… vous pouvez leur reconnaître une certaine ressemblance avec le climat, mais avec toutes les distorsions, vous ne pouvez les utiliser en aucun cas comme guide.

Une dernière question – comment pourrais-je reconnaître un bon modèle de climat ? Hé bien, dans un bon modèle tous les phénomènes émergents que nous connaissons émergeraient réellement, non via un paramétrage… parce que la libre action de ces phénomènes émergents, les variations et changements de timing et de lieu de naissance sont ce qui contrôle la température, et non le “bouton de commande” du CO₂. Ainsi, lorsque le forçage du CO₂ augmente d’un watt ou deux, dans un modèle juste les nuages émergeront quelques minutes plus tôt que la moyenne dans les tropiques, et l’équilibre sera restauré. Ce système de contrôle par les phénomènes émergents a très bien fonctionné durant des millions d’années, et il prend en charge de grandes variations de rayonnement chaque jour – il ne serait pas perturbé par quelques watts supplémentaires provenant du CO₂.

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