Les nuages jouent un rôle crucial dans le système climatique terrestre. Ils influencent la quantité de rayonnement solaire qui atteint la surface de la Terre et la quantité de chaleur retenue dans l'atmosphère. Comprendre leur fonctionnement et leur impact offre des pistes pour atténuer le réchauffement climatique. Quelles sont les données dont nous disposons ? Qu’est ce que les satellites nous permettent t-ils d’observer et de comprendre aujourd’hui ?
Comprendre les nuages
Les nuages ont un double rôle dans le bilan énergétique de la Terre. D'une part, ils peuvent refroidir la planète en réfléchissant une partie du rayonnement solaire vers l'espace, un effet connu sous le nom d’albédo. Ce sont les nuages bas, comme les cumulus. Mais ils peuvent aussi contribuer au réchauffement en piégeant la chaleur émise par la surface terrestre, agissant ainsi comme une couverture isolante. Ce sont les nuages hauts, comme les cirrus. Ce double rôle est complexe et dépend de plusieurs facteurs : l’altitude, la composition et l'épaisseur des nuages. Sandrine Bony, directrice de recherche au CNRS et spécialiste en climatologie coordinatrice de la campagne aéroportée EUREC4A, a étudié le comportement des cumulus d’alizés au-dessus de l’océan Atlantique pour mieux comprendre le rôle des nuages dans le climat.¹
Le changement climatique à l’oeuvre modifie les propriétés physiques et dynamiques des nuages. Par exemple, l'élévation moyenne des sommets nuageux intensifie l'effet de serre, tandis que la réduction des nuages bas diminue la réflexion solaire. Ces modifications ont des effets contraires sur le climat, rendant la prévision de l'évolution future du réchauffement global encore plus complexe. Les chercheurs de l'Université McGill au Canada ont notamment découvert que les changements dans les nuages atténuent légèrement le réchauffement climatique en réduisant la chaleur piégée près du sol. Des observations essentielles pour améliorer les modèles climatiques et guider les politiques environnementales. Sans oublier que les nuages sont une composante essentielle du cycle de l’eau. Les recherches contribuent donc aussi à une meilleure gestion des ressources en eau. En comprenant comment les nuages se forment et se déplacent, les scientifiques peuvent aider à optimiser l'utilisation des ressources hydriques, notamment dans les régions arides.
La diminution des nuages bas dans certaines régions est une préoccupation majeure. Ces nuages jouent un rôle clé dans la régulation de la température en réfléchissant le rayonnement solaire. Leur disparition progressive, observée dans les latitudes tropicales et tempérées, amplifie le réchauffement en réduisant la protection naturelle contre les rayons solaires. Un phénomène particulièrement inquiétant car il accélère le réchauffement climatique au-delà des prévisions actuelles.
Des chercheurs du Caltech (California Institute of Technology) ont découvert une instabilité du climat terrestre liée à la disparition des nuages. Leurs simulations montrent qu'un taux de CO2 de 1200 ppm pourrait entraîner une disparition des stratocumulus, ce qui engendrerait une hausse des températures de 8 °C supplémentaires.²³
Les satellites et l'observation des nuages
Les satellites jouent un rôle crucial dans l'observation et l'étude des nuages. Les données recueillies permettent d'affiner les modèles prédictifs du réchauffement global et d'identifier les types de nuages qui auront le plus d'impact sur l'évolution des températures sur Terre. Complétées par les mesures terrestres, les données spatiales permettent de calculer la température moyenne, mesurer les gaz à effet de serre, observer les nuages et les courants océaniques pour mieux anticiper le climat futur. Quant aux conséquences du réchauffement sur les écosystèmes et les populations, elles sont aussi scrutées depuis l’espace. Les scientifiques combinent les enregistrements des stations météo à terre, des capteurs embarqués sur des navires ou bouées… et des satellites. En particulier, le capteur IASI (développé chez nous, au CNES, en coopération avec EUMETSAT) sonde la température de l’atmosphère et de la surface depuis 2006. À bord des satellites météo européen Metop-A, B et C, cet instrument est un outil clef pour observer l’impact des changements climatiques dans l’atmosphère. Son successeur, IASI-NG, fera de même à partir de 2026 et jusqu’en 2046. Sentinel-3A et 3B, pour lesquels le CNES apporte son expertise, participent également à cet effort international. Placés en orbite en 2016 et 2018, ces satellites européens mesurent chaque jour la température à la surface de notre planète, à chaque km.
MERLIN et IASI mesurent les gaz à effet de serre. Ce sondeur infrarouge analyse la superposition des ondes dans l’atmosphère pour en déduire la quantité de dioxyde de carbone (CO2), méthane (CH4) et protoxyde d’azote (N2O), des GES. Dans les futurs satellites météorologiques Metop-SG-A, son successeur IASI-NG offrira des mesures encore plus précises. Le satellite franco-allemand Merlin, avec un lancement en 2028, sera quant à lui le spécialiste du méthane. Développé par l’agence spatiale allemande et le CNES, il doit permettre non seulement de mesurer précisément la quantité de méthane dans l’atmosphère mais aussi d’identifier les sources d’émission de méthane sur Terre.
Un satellite franco-américain lancé en 2006 s’est consacré à l’étude de l’influence des aérosols et des nuages sur le climat : CALIPSO. Il possédait 3 instruments différents qui lui permettent de mesurer à la fois l’épaisseur des couches de nuages et d’aérosols, leur répartition horizontale et la façon dont ils se superposent. Désorbité en 2023, CALIPSO cède sa place à une nouvelle génération de satellites, qui seront développés dans le cadre du programme AOS (Atmosphere Observing System). Le CNES y contribuera, notamment via la mission C2OMODO. A l’aide de deux radiomètres micro-ondes, cette mission permettra d’améliorer nos connaissances sur le cycle de l’eau de de l’énergie et donc du climat.
Le CNES et la NASA ont développé conjointement les missions Topex/Poséidon (1993) puis la famille des satellites JASON (depuis 2001). Le but : mesurer le relief des océans (on parle d’altimétrie), un indicateur des courants. Depuis 2009, le satellite européen SMOS enregistre la concentration en sel des océans, un autre indicateur de la circulation des eaux. Plus récemment, CFOSAT – développé par le CNES et l’agence spatiale chinoise – étudie depuis 2018 la hauteur des vagues. Un paramètre crucial : plus la mer est agitée, plus l’océan stocke en profondeur l’excédent de chaleur lié à l’effet de serre. Enfin, le satellite SWOT, développé conjointement par le CNES et la NASA et lancé en 2022, apporte des observations inédites pour comprendre les circulations océaniques à moyenne échelle. L’océan est le premier régulateur du climat : il a absorbé à lui seul 93 % de l’excès de chaleur induit par les activités humaines.
En 2028 seront enfin lancés les deux nanosatellites synchronisés pour observer une même scène nuageuse sous plusieurs angles d’observation dans le cadre de la mission C3IEL (Cluster for Cloud Evolution, ClimatE and Lightning) dédiée à l’étude des nuages convectifs depuis l’espace. Issue d’une collaboration entre les agences spatiales Française (CNES) et Israélienne (ISA), elle a débuté en 2016 et constitue une première au niveau mondial, tant d’un point de vue scientifique que technologique. Son objectif est de mesurer l’évolution des sommets de nuages convectifs à haute résolution, la vapeur d’eau environnante et l’activité électrique au sein de ces nuages. Les deux nanosatellites seront équipés de caméras dans le spectre visible (CLOUD) afin de suivre la dynamique de l’enveloppe nuageuse grâce à des images d’une résolution d’environ 20 mètres. Ils embarqueront également des imageurs proche infrarouge (WV) pour mesurer la vapeur d’eau avec une résolution spatiale de 100 m. Enfin, ils pourront détecter l’activité électrique du nuage au moyen d’un imageur d’éclairs et de deux photomètres (LOIP). Le développement des nuages sera enregistré par stéréoscopie multi-temporelle : une même scène nuageuse sera imagée au moyen de 11 acquisitions effectuées toutes les 20 secondes sur une durée de 200 secondes sous plusieurs angles d'observations. Ces acquisitions permettront de réaliser la reconstitution spatiale du nuage en 3D et d’obtenir sa vitesse de croissance. Cette stratégie d’observation / restitution constitue la principale innovation de la mission.⁴
Les recherches mondiales offrent de nouvelles perspectives pour améliorer les modèles climatiques, guider les politiques environnementales et explorer des solutions innovantes. En intégrant ces connaissances, nous pouvons mieux préparer notre planète à faire face aux défis climatiques futurs et atténuer les effets dévastateurs du réchauffement global.
Sources : https://cnes.fr/dossiers/climat
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