Le TOA EEI par rapport au flux net de surface

Source: https://mynasadata.larc.nasa.gov/basic-page/earths-energy-budget

Andy May
Date: 6 avril 2026

Figure 1. Diagramme de flux énergétique de la NASA. Il illustre un déséquilibre énergétique de 0,6 W/m² entre le sommet de l’atmosphère et la surface. Ce déséquilibre est d’autant plus remarquable que les mécanismes de transfert d’énergie (ou de chaleur) à la surface sont très différents de ceux du sommet de l’atmosphère. Source : NASA.

Pour justifier l’hypothèse simplificatrice selon laquelle les variations d’énergie thermique du contenu thermique océanique (CTO) sont égales au flux de rayonnement net au sommet de l’atmosphère (TOA), les auteurs insistent sur le principe de conservation de l’énergie dans la colonne atmosphérique et démontrent que le stockage d’énergie thermique atmosphérique et terrestre est faible. Cependant, la comparaison des estimations du CTO issues de mesures océaniques sur une année moyenne avec le rayonnement entrant et sortant mesuré par satellite révèle des différences substantielles. Les variations globales de la température océanique impliquent un cycle annuel du contenu thermique océanique nettement plus important que celui que peuvent expliquer les variations du rayonnement au TOA ou du rayonnement de surface mesurés par satellite. Autrement dit, les océans stockent et libèrent de l’énergie selon leur propre échelle de temps, indépendamment du TOA. Les données de Fasullo et Trenberth ne couvrent que les années 1985-1989 (ERBE) et 2000-2004 (CERES), et il est important de noter que ces dix années sont bien plus courtes que les oscillations océaniques naturelles de l’AMO ou de l’PDO.

PDO

L’oscillation multidécennale atlantique (AMO) dure entre 60 à 70 ans, d’un creux à l’autre, tandis que l’oscillation décennale du Pacifique (PDO) dure de 20 à 30 ans. Ces oscillations comportent chacune une période « chaude » durant laquelle les océans respectifs expulsent l’excès de chaleur stockée et une période « froide » durant laquelle ils stockent la chaleur atmosphérique. Ce phénomène s’explique par le déplacement de la chaleur verticalement le long de la colonne océanique.

Fasullo et Trenberth, ainsi que des études ultérieures (Johnson et al., 2016 ; Loeb et al., 2009 ; et Loeb et al., 2018), calculent divers déséquilibres énergétiques terrestres (EEIs) compris entre 0,5 et 1,0 W/m². Cela correspond à une puissance de 0,2 à 0,4 PW, soit 7 à 14 × 10²² joules en termes de contenu thermique des océans (CTO).

L’amplitude des variations de contenu thermique des eaux de surface dues à l’oscillation décennale du Pacifique (PDO) est de 5 à 15 × 10^²² joules sur une décennie, et certaines analyses font état de variations de 20 × 10^²² joules lors de fortes perturbations comme celles de 1976-1977 et de 1998-2013 (Meehl et al., 2011 ; England et al., 2014). La figure 4 de England et al. (2014) montre que l’intensification des alizés du Pacifique a entraîné une absorption de chaleur supplémentaire d’environ 8 × 10²² J par les eaux de surface (0-700 m) entre 1992 et 2011, dont environ 5 à 6 × 10²² J dans le Pacifique et environ 1 à 2 × 10²² J dans l’océan Indien. La figure 2 illustre la diminution de l’intensité de la PDO au cours de cette période.

Figure 2. Indice PDO issu du jeu de données ERSST v5. L’indice annuel et l’indice lissé sur 9 ans sont présentés. Données disponibles ici.

Une phase négative de l’oscillation décennale du Pacifique (PDO) est associée à un refroidissement de la surface et à une absorption de chaleur plus importante par les océans en profondeur. Cette phase engendre des alizés plus forts qui transportent la chaleur au-delà de 125 mètres et provoquent un refroidissement de la surface. Selon England, il s’agit d’une redistribution de la chaleur et non d’un ralentissement de l’absorption de chaleur par la planète.

England et al. (2014) montrent que l’intensification des alizés du Pacifique durant la phase négative de l’oscillation décennale du Pacifique (PDO) a entraîné une perte de −3,8 × 10²² J dans les 125 premiers mètres de l’océan Indo-Pacifique, tout en augmentant simultanément le contenu thermique des eaux de subsurface de +5,0 × 10²² J. Cette redistribution verticale a produit un gain net de seulement 1,2 × 10²² J, illustrant ainsi que la variabilité décennale de la PDO peut générer d’importantes variations du contenu thermique des eaux de surface. Cependant, seule la couche superficielle de l’océan émet un rayonnement infrarouge, s’évapore et conduit de la chaleur vers l’atmosphère. Si l’énergie thermique est redistribuée plus profondément dans la colonne océanique, elle ne contribue pas au réchauffement de l’atmosphère et n’est pas détectée par les satellites. De plus, les mesures de température océanique utilisées pour calculer le contenu thermique des océans sont fortement dépendantes de la profondeur à laquelle les relevés sont effectués.

AMO

Robson et al. ont calculé la dérivée temporelle du contenu thermique océanique lors d’un changement brutal de l’AMO au milieu des années 1990, qui s’est élevé à plus de 1 x 10²² J/an. La phase ascendante de l’AMO  s’étend d’environ 1975 à environ 1998 (voir figure 3), soit une période de 23 ans ; la variation totale pourrait donc atteindre 23 x 10²² Joules. Chen et Tung ont constaté que les variations de température et de contenu thermique de surface dans l’Atlantique et l’océan Austral sont plus importantes que dans le Pacifique. Ils ont également démontré que la réorganisation majeure du contenu thermique océanique (CTO) au milieu des années 1990 était globale et a contribué à la pause dans le réchauffement observée entre 1998 et environ 2014. Les anomalies de température de surface de la mer (TSM) dans la région de l’AMO, après élimination de la tendance linéaire, sont présentées dans la figure 3.

Figure 3. L’AMO détrendée linéairement à partir des données ERSST v5. D’après May & Crok (2024)

EEI (Earth Energy Imbalance)

L’estimation de Loeb et al. (2018) du déséquilibre énergétique terrestre au sommet de l’atmosphère (TOA) est de 0,71 W/m². Exprimée en contenu thermique océanique (OHC), cette valeur est d’environ 8,9 × 10^²² Joules. Loeb et al. supposent que l’OHC peut servir à déterminer une valeur absolue du déséquilibre énergétique terrestre au sommet de l’atmosphère (TOA EEI), à l’instar de Fasullo, Trenberth et d’autres chercheurs, afin de calibrer leurs mesures satellitaires du rayonnement entrant et sortant. Cependant, le contenu thermique de l’océan de surface est influencé par davantage de facteurs que le TOA EEI, notamment sur le long terme (plus de 10 ans). Le TOA EEI ne représente que le flux de rayonnement entrant et sortant ; le flux à la surface de l’océan dépend également de l’évaporation, de la vitesse et de la direction du vent. Ces derniers facteurs se manifestent par les principales oscillations climatiques, en particulier l’AMO et la PDO. Le tableau 1 compare l’impact des oscillations climatiques AMO et PDO à la valeur de TOA EEI de 0,71 W/ m² supposée par Loeb et al. Ce qui dépend des données OHC, de sa « valeur in situ » (Johnson et al., 2016) :

« Un ajustement unique des flux TOA à ondes courtes (SW) et à ondes longues (LW) est effectué pour garantir que le flux TOA net moyen global pour juillet 2005-juin 2015 soit cohérent avec la valeur in situ de 0,71 W m⁻² (Loeb et al., 2018). »

Tableau 1. Une comparaison des valeurs EEI déterminées par l’OHC de Loeb et al. et des changements dus à l’AMO et au PDO.

Le tableau 1 compare l’EEI supposée par Loeb et al. au flux net équivalent à la surface de l’océan dû aux extrêmes de l’AMO et de la PDO au cours des dernières décennies. La période de mesure de Loeb s’étend approximativement de 2005 à 2015 et il a utilisé diverses mesures, mais sa principale source pour la valeur de 0,71 W/m² était la variation du contenu thermique océanique (OHC) (Johnson et al., 2016). Durant cette période, l’AMO était en hausse (voir l’AMO non corrigée de la tendance dans la figure 2 de May et Crok, 2024) et la PDO en baisse (figure 2). Ces oscillations peuvent avoir un impact sur l’OHC des eaux peu profondes aussi important, voire plus important, que l’effet de serre anthropique sur l’EEI, tel qu’estimé dans le 6e rapport d’évaluation du GIEC (2021, p. 925) et (Li et al., 2024). Ses calculs pourraient ne pas refléter un effet de serre anthropique du tout, mais seulement l’oscillation naturelle nette de la surface océanique globale. Avec les données dont nous disposons aujourd’hui, nous ne pouvons tout simplement pas le dire, la période couverte par les données est trop courte.

Les contributions de l’oscillation décennale du Pacifique (PDO) et de l’oscillation antarctique (AMO) à la variation de la chaleur de l’océan (OHC) présentées dans le tableau 1 correspondent à des redistributions d’énergie, et non à un gain ou une perte d’énergie planétaire, contrairement à l’indice d’énergie équivalente au sommet de l’atmosphère (TOA EEI). Le problème est que ces oscillations, ainsi que d’autres oscillations océaniques, faussent les calculs de l’indice d’énergie équivalente ajustés à l’OHC et rendent inexacts les calculs présentés dans la figure 1 et dans les autres sources mentionnées précédemment.

La méthodologie de Loeb et al.

Comme l’expliquent Norman Loeb et ses collègues (Loeb et al., 2009), le rayonnement net global moyen au sommet de l’atmosphère (TOA) correspond à la différence entre l’énergie absorbée et l’énergie émise par la planète. À l’équilibre, ce rayonnement net est nul. Or, la Terre n’est jamais à l’équilibre, comme en témoignent les grandes oscillations océaniques à long terme telles que l’ENSO, l’AMO  et le PDO. Les océans terrestres possèdent une capacité thermique considérable et leur contenu énergétique thermique, notamment celui des couches supérieures, varie sur des périodes pluri décennales.

Le rayonnement net global au sommet de l’atmosphère (TOA) devrait être en phase avec le stockage global de chaleur océanique et d’une ampleur similaire. Cependant, le contenu thermique des océans (OHC) réagit aux variations du déséquilibre énergétique à la surface de l’océan et pas nécessairement à celui au TOA. La surface de l’océan est séparée du TOA par l’atmosphère et sa troposphère convective épaisse.

Les flux au sommet de l’atmosphère (TOA) et à la surface de l’océan ne sont pas égaux et ne sont que partiellement liés. Tous les flux d’énergie thermique au TOA sont dus au rayonnement et, sur la figure 1, seulement 36 % du transfert de chaleur en surface s’effectue par rayonnement. Les mécanismes de transfert de chaleur sont diffèrents : l’atmosphère possède une capacité thermique, contrairement à l’espace. Malgré cela, Loeb et la NASA supposent que le déséquilibre énergétique en surface est identique à celui du TOA sur de très courtes périodes.

La conservation de l’énergie exige que, sur des périodes suffisamment longues, où l’absence de variabilité interne ne joue pas un rôle, les flux d’énergie en surface devraient approximativement égaler les flux au sommet de l’atmosphère. Je ne conteste pas ce point, mais je souligne simplement que, compte tenu des périodes de l’AMO et du PDO, la période considérée dans ces études récentes est trop courte : 20 ans de données sont insuffisants.

Données CERES

Loeb et al. (2018) indiquent que, sans ajustement des données CERES relatives aux ondes courtes (OC) et aux ondes longues (OL), le déséquilibre net au sommet de l’atmosphère (TOA) est d’environ 4,3 W/m², une valeur bien supérieure à celle attendue et probablement impossible. Il s’agit d’un problème d’étalonnage connu et non d’une mesure du véritable déséquilibre radiatif au TOA. Ils expliquent ensuite que, pour éviter ce problème, ils ajustent les flux OC et OL dans leurs marges d’incertitude afin de contraindre les mesures satellitaires à refléter le déséquilibre calculé à partir du contenu thermique de l’océan. Comme mentionné précédemment, dans la version 4 de CERES EBAF (« Energy Balanced and Filled »), les valeurs moyennes annuelles globales sont ajustées de sorte que le flux net moyen au TOA entre juillet 2005 et juin 2015 soit de 0,71 ± 0,10 W/m², valeur issue de Johnson et al. (2016) et qui représente une mise à jour de la valeur précédente de 0,58 W/ m².

Nous avons utilisé les données CERES EBAF pour cartographier l’évolution du rayonnement net au sommet de l’atmosphère (TOA) de 2001 à 2024 à l’échelle mondiale (figure 4). La majeure partie de la carte présente des valeurs proches de zéro (jaune clair), mais certaines zones, notamment dans le Pacifique et au-dessus des continents, affichent une tendance négative, indiquant un rayonnement sortant supérieur au rayonnement entrant. Tout le transfert d’énergie au TOA s’effectue par rayonnement ; aucune énergie n’est stockée ni transférée par d’autres mécanismes.

Figure 4. Rayonnement net au sommet de l’atmosphère (TOA) en W/m² par an, d’après les données CERES EBAF. Les zones rougeâtres indiquent un rayonnement incident supérieur au rayonnement sortant, et les zones bleutées, le contraire.

La figure 5 présente la carte des tendances du rayonnement net de surface (SW + LW) de l’EBAF pour les mêmes années. Bien que ces données soient corrigées en supposant que le déséquilibre énergétique terrestre à la surface de l’océan est identique à celui au sommet de l’atmosphère (TOA), les tendances observées diffèrent. Ce résultat est attendu, car l’atmosphère intervient de plusieurs manières, comme illustré sur la figure 1. Elle absorbe ou réfléchit (154,1 W/m², soit 45 %) du rayonnement solaire incident et refroidit la surface par évaporation (chaleur latente, 86,4 W/m², soit 36 ​​%) et en absorbant une partie de la chaleur de surface par conduction (18,4 W/m², soit 8 %). Seuls 58 W/m² environ des émissions infrarouges de surface sont envoyés dans l’espace, le reste étant recyclé par l’atmosphère. En raison de toutes ces interférences atmosphériques, ainsi que des variations du stockage de chaleur, les zones de refroidissement et de réchauffement diffèrent, et la surface présente un réchauffement plus important qu’au sommet de l’atmosphère.

Figure 5. Tendance du rayonnement net de surface CERES EBAF en W/m2 par an.

La figure 6 représente les moyennes corrigées en latitude de l’EEI au sommet de l’atmosphère (TOA) et du rayonnement net de surface (SW + LW) sur la période 2001-2024, à partir des données CERES EBAF, après conversion des valeurs de flux de rayonnement net en anomalies par rapport à leurs moyennes respectives. Cette conversion est nécessaire car l’amplitude des flux de rayonnement bruts diffère sous l’effet de l’atmosphère.

Figure 6. Rayonnement net de surface (SW + LW), le rayonnement incident étant positif, présentant une anomalie en rouge entre 2001 et 2024, et le flux net au sommet de l’atmosphère (TOA), également incident et positif, en bleu. La différence des tendances est principalement due aux effets atmosphériques et à l’évolution du stockage océanique. La période considérée est trop courte pour permettre un équilibre entre ces deux facteurs.

Conclusions

L’utilisation des variations du contenu thermique de l’océan de surface pour calibrer l’EEI au sommet de l’atmosphère (TOA) mesuré par satellite est une bonne idée, mais malheureusement, le contenu thermique de l’océan dépend de bien plus de facteurs que la simple différence entre le rayonnement entrant et le rayonnement sortant. Le contenu thermique de l’océan de surface est fortement influencé par la variabilité interne pluri décennale, et comme les flux absolus de CERES sont ajustés au contenu thermique de l’océan, les estimations actuelles de l’EEI peuvent refléter un mélange de forçage et de variabilité interne. Des enregistrements de contenu thermique de l’océan plus longs et plus stables sont nécessaires avant que l’EEI puisse être utilisé comme un indicateur fiable du forçage anthropique.

Cela n’élimine pas la possibilité d’un déséquilibre anthropique à long terme, mais rend sa détection très difficile, voire impossible, sur de courtes périodes. Il nous faudrait mieux comprendre les oscillations océaniques que nous le faisons ou attendre de disposer de suffisamment de données pour expliquer les variations de leur stockage d’énergie thermique.

Nous disposons de données fiables pour ce calcul depuis environ 2005, mais les cycles océaniques qui affectent le calcul de l’EEI ne sont pas liés aux émissions de gaz à effet de serre ni à d’autres facteurs anthropiques potentiels du changement climatique, car les oscillations sont antérieures à toute influence anthropique possible (Gray et al., 2004). Par conséquent, il est prématuré d’attribuer une quelconque part de l’EEI au forçage anthropique. Des ensembles de données OHC plus longs et plus stables sont nécessaires pour distinguer clairement le forçage anthropique de la variabilité inter-cycles.

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Téléchargez ici le code R CERES utilisé pour réaliser certaines des figures.

Cet article a été initialement publié sur Andy May Petrophysicist.