Les lauréats du prix Nobel de physique 2021 ont construit les mathématiques de la modélisation climatique, rendant possibles les prédictions du réchauffement climatique et les prévisions météorologiques modernes

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Cette histoire est parue à l'origine sur The Conversation

En tant que climatologue moi-mêmej'étais ravi d'apprendre que Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann et Giorgio Parisi ont reçu le prix Nobel de physique 2021. J'ai rencontré Manabe pour la première fois lorsque j'étais étudiant diplômé au début des années 1970, j'étais donc particulièrement heureux que le prix reconnaisse l'importance profonde des travaux de plusieurs décennies de Manabe sur la création de modèles climatiquesainsi que l'application de ces modèles pour comprendre comment les niveaux croissants de gaz à effet de serre ont conduit au réchauffement climatique.

À quel point le système météorologique et climatique est-il compliqué ?

La météo est ce que vous voyez d'heure en heure et de jour en jour. La météo n'implique que l'atmosphère. Le climat est le temps moyen sur des décennies et est influencé par les océans et les surfaces terrestres.

Le temps et le climat sont compliqués car ils impliquent de nombreux processus physiques différents – du mouvement de l'air au flux de rayonnement électromagnétique, comme la lumière du soleil, à la condensation de la vapeur d'eau – à travers une large gamme d'échelles spatiales et temporelles.

Le système est incroyablement complexe et interconnecté. Par exemple, un groupe de petits orages peut influencer un système météorologique qui s'étend sur un continent.

Avant environ 1955, les prévisionnistes météorologiques extrapolaient les conditions météorologiques futures à partir des changements survenus au cours des jours précédents. Ils ont utilisé des méthodes simples mais à forte intensité de main-d'œuvre qui étaient en partie quantitatives et en partie basées sur l'expérience.

La ​​naissance des modèles climatiques

À la fin des années 1950, il est devenu possible de faire des prévisions en exécutant des modèles météorologiques sur des ordinateurs numériques émergents mais qui s'améliorent rapidement. Un modèle météorologique est un système d'équations qui exprime les lois physiques qui régissent le temps. « Exécuter » un modèle météorologique signifie résoudre les équations sur un ordinateur, en utilisant les données météorologiques d'aujourd'hui pour prédire la météo de demain.

En partie à cause des limitations informatiques, les premiers modèles météorologiques ne pouvaient couvrir que des portions de la Terre – comme l'Amérique du Nord, par exemple. Mais au début des années 1960, des ordinateurs plus rapides ont permis de créer des modèles représentant l'ensemble de l'atmosphère mondiale.

Manabe a dirigé le développement d'un tel modèle, construisant un réseau interconnecté de milliers d'équations qui pourraient simuler le climat et le changement climatique.

Avec ce modèle, Manabe et ses collègues ont pu produire assez simulations réalistes de phénomènes tels que les courants-jets et les moussons. Alors que les modèles modernes de prévision météorologique et climatique mondiaux sont beaucoup plus puissants, ils peuvent être considérés comme les descendants du premier modèle de Manabe.

Lorsque Manabe a commencé ses travaux au début des années 1960, certains scientifiques avaient déjà souligné la possibilité que l'augmentation du dioxyde de carbone atmosphérique pourrait conduire au réchauffement climatique. En 1967, Manabe et son collègue Richard Wetherald ont utilisé une version simplifiée de leur modèle climatique pour effectuer la première étude quantitative des effets de l'augmentation du dioxyde de carbone dans l'atmosphère. En plus de confirmer que le dioxyde de carbone augmente les températures mondiales, ils ont également découvert que l'augmentation de la teneur en vapeur d'eau dans l'air plus chaud amplifie le réchauffement global car la vapeur d'eau elle-même est un gaz à effet de serre.

Faire des prédictions

Bengt Nyman/WIkimedia CommonsCC BY

Le climat implique à la fois les océans et l'atmosphère, mais les premiers modèles n'avait pas uni les deux. En 1969, Manabe et son collègue océanographe Kirk Bryan ont construit le premier modèle climatique pour inclure à la fois les océans et l'atmosphère .

S'appuyant sur ces progrès, Manabe et Wetherald ont publié en 1975 les résultats d'une simulation du réchauffement global à l'aide d'un modèle climatique global. Dans cette simulation, ils ont doublé la fraction molaire de dioxyde de carbone dans l'atmosphère de 300 parties par million de volume à 600 parties par million de volume et ont laissé le modèle calculer les chiffres.

Il y a près de 50 ans, ils ont prédit le réchauffement global de la surface de la Terre, un réchauffement beaucoup plus important dans l'Arctique, une diminution de la couverture de glace et de neige, une augmentation du taux global moyen de précipitations et un refroidissement de la stratosphère. Au cours des années 1980, l'équipe de Manabe a également utilisé ses modèles pour identifier la possibilité d'une sécheresse accrue sur certaines régions continentales.

Toutes ces prédictions se sont maintenant réalisées.

Lier climat, météo et chaos

Le travail des autres lauréats du 2021 Le prix Nobel de physique, Hasselman et Parisi, a suivi les premières recherches de Manabe et montre comment les interactions à grande échelle à travers le monde donnent lieu au comportement chaotique et difficile à prévoir du système climatique au jour le jour Balance.

Parisi a étudié le rôle du chaos dans une grande variété de systèmes physiques et a montré que même les systèmes chaotiques se comportent de manière ordonnée. Ses théories mathématiques sont essentielles pour produire des représentations plus précises des systèmes climatiques chaotiques.

Hasselman a comblé une autre lacune en aidant à relier davantage le climat et la météo. Il a montré que le temps très variable et apparemment aléatoire de l'atmosphère est converti en signaux changeant beaucoup plus lentement dans l'océan . Ces changements lents et à grande échelle des océans modulent à leur tour le climat.

En combinaison, les travaux de Manabe, Hasselman et Parisi ont permis aux scientifiques de prédire comment le comportement chaotique et couplé de l'atmosphère, des océans et des surfaces terrestres changera avec le temps. Bien que des prévisions météorologiques détaillées à long terme ne soient pas possibles, la capacité de l'humanité à comprendre ce système compliqué est un exploit incroyable. À mon avis, Manabe, Hasselman et Parisi méritent amplement le prix Nobel de physique. Il a été écrit par : David RandallColorado State University.

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David Randall reçoit un financement de la National Science Foundation et de la National Oceanographic and Atmospheric Administration.