21 septembre 2020

Cyclones, Ouragans et Activité solaire

Les deux articles que je commente ci-dessous, s'inscrivent dans la longue lignée des publications qui établissent un lien entre le climat et les taches solaires.

Il s'agit, cette fois-ci, de la corrélation observée entre les événements cycloniques et le cycle de Schwabe (d'environ 11 ans) des éruptions solaires.

Le premier article, paru dans GRL en 2008, rend compte des résultats d'une analyse statistique des événements cycloniques survenus essentiellement dans la zone des Caraïbes et du golfe du Mexique. Il suggère une explication de la corrélation [taches solaires/cyclones] observée à partir de la modélisation théorique actuelle des cyclones. Le second article, publié tout récemment par la même équipe dans GRL (2010), approfondit et vérifie le modèle théorique de ces corrélations [activité solaire/ouragans] basé sur le réchauffement de la basse stratosphère induit par les UV émis en grande quantité pendant les éruptions solaires.

Les auteurs de ces travaux font partie de la FSU (Florida State University) à laquelle appartient également Ryan Maue qui gère les bases de données sur l'activité cyclonique locale et mondiale et que j'ai déja cité dans cette même page.

Comme à l'accoutumé, j'indique d'abord les références précises des articles en question, puis je donne le résumé original en anglais suivi d'une traduction en français.
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1) "United States and Caribbean tropical cyclone activity related to the solar cycle".
Soit
"L'activité cyclonique tropicale aux Etats-Unis et dans les Caraïbes en relation avec le cycle solaire".

Elsner, J. B., and T. H. Jagger (2008) (Département de Géographie de l'Université d'Etat de Floride, USA)

elsner


Geophys. Res. Lett., 35, L18705, doi:10.1029/2008GL034431

Abstract : The authors report on a finding that annual U.S hurricane counts are significantly related to solar activity. The relationship results from fewer intense tropical cyclones over the Caribbean and Gulf of Mexico when sunspot numbers are high. The finding is in accord with the heatengine theory of hurricanes that predicts a reduction in the maximum potential intensity with a warming in the layer near the top of the hurricane. An active sun warms the lower stratosphere and upper troposphere through ozone absorption of additional ultraviolet (UV) radiation. Since the dissipation of the hurricane’s energy occurs through ocean mixing and atmospheric transport, tropical cyclones can act to amplify the effect of relatively small changes in the sun’s output thereby appreciably altering the climate. Results have implications for life and property throughout the Caribbean, Mexico, and portions of the United States.

Résumé " Les auteurs rapportent sur la découverte que les fréquences des ouragans annuels aux USA sont corrélées de manière significative avec l'activité solaire. Cette corrélation résulte du fait que les cyclones tropicaux intenses sont plus rares au dessus des Caraïbes et du Golfe du Mexique quand le nombre de taches solaires est élevé. Cette observation est en accord avec la théorie du moteur de chaleur des ouragans qui prédit une diminution de l'intensité potentielle maximale avec un réchauffement de la couche proche du sommet de l'ouragan. Un soleil actif chauffe la basse stratosphère et la haute troposphère par le biais de l'absorption de radiations ultraviolettes (UV) supplémentaires par l'ozone. Comme la dissipation de l'énergie des ouragans s'effectue par le mélange océanique et le transport atmosphérique, les cyclones tropicaux peuvent agir en amplifiant l'effet de variations relativement faibles de l'irradiance solaire, provoquant ainsi une modification appréciable du climat. Ces résultats ont des implications pour la vie et les biens, aussi bien dans l'ensemble des Caraïbes, qu'au Mexique et dans des parties des Etats-Unis."

Le graphique maître de cette publication est représenté ci-dessous. La partie a) précise les zones où ont été effectuées les mesures. La partie b) donne un graphique démontrant les corrélations existantes entre l'activité solaire et la vitesse des vents lors des événements cycloniques. Les légendes en français figurant à gauche des graphiques sont les traductions des légendes originelles.

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Figure 1 : Cartes régionales et quantiles de rang élevés de l'intensité des cyclones regroupée par les nombres de taches solaires quotidiennes.
(a) Les encadrements en traits continus délimitent les régions concernées par la modélisation des intensités quotidiennes des cyclones tropicaux. La région encadrée en tiretés délimite la région sur laquelle est réalisée la moyenne de la Température de Surface des Océans (SST) considérée comme un indice du contenu thermique des océans pour le modèle saisonnier de l'activité cyclonique tropicale.
(b) Valeurs par quantile et droites utilisant l'intensité cyclonique tropicale quotidienne dans le bassin Ouest (Western basin) comme réponse et le nombre de taches solaires (SSN) comme covariant. La couleur noire correspond au 50ème quantile (médian), la couleur rouge au 75ème quantile, la couleur verte au 90ème quantile, la couleur bleue au 95ème quantile ,et la couleur cyan au 99ème quantile. Les nombres indiqués au dessus de l'axe des abscisses représentent les tailles des échantillons (nombre de jours avec tache solaire pendant l'intervalle).
(c) Même conventions que dans la figure 1 (b) pour le bassin de l'Atlantique Est.

Une brève note explicative : Les quantiles correspondent aux valeurs pointées en divisant en un certain nombre de portions égales, l'axe des abscisses d'une courbe représentant une distribution aléatoire. Si on divise la distribution en cent parties égales, comme ci-dessus, on utilise parfois le mot percentile ou centile. Comparer les valeurs pour différents quantiles est une méthode commode pour tester la robustesse d'une corrélation entre plusieurs distributions (plus ou moins) aléatoires. Dans le cas présent, cette méthode est utilisée pour comparer les distributions des relevés quotidiens des taches solaires et les distributions des intensités des ouragans (mesurées par les vitesses des vents en noeuds, kt). La corrélation entre les points médians des distributions est représentée par les droites noires. Celle à l'extrémité des ailes des distributions est représentée par les droites cyan. Sur les graphes précédents, les notations du type [75, 100] indiquent que le Sunspot Number (c'est une quantité définie par des conventions rigoureuses) est compris, ce jour-là, entre 75 et 100. Il y a eu 194 échantillons de ce type pour construire la portion [75,100] de ce graphe.

Dans l'introduction de cet article, et certainement pour échapper aux critiques de ceux qui pourraient objecter que la fréquence et l'intensité des cyclones sont deux choses différentes (Ainsi, certains modèles du GIEC prévoient que c'est l'intensité des cyclones qui devrait augmenter mais pas la fréquence – même si ce n'est pas ce qui est observé-), les auteurs nous expliquent à partir d'un raisonnement simple que :" Ainsi, il est raisonnable de supposer qu'un processus qui influe sur l'intensité des cyclones tropicaux aura aussi une influence sur la fréquence d'une collection de cyclones d'une intensité donnée…[..] Suivant ce raisonnement, cela a du sens de considérer la fréquence des cyclones US même si notre principal sujet d'intérêt est l'intensité.".
En effet, le but de cet article est de montrer que la fréquence (et/ou l'intensité) des cyclones dépend de l'activité solaire. Ce qui, bien entendu, a été complètement omis dans les modèles du GIEC.

Le paragraphe 6 de cet article, intitulé "Résumé et Discussion" nous donne quelques détails supplémentaires. En voici quelques extraits significatifs :

"Dans cet article nous démontrons un modèle statistiquement significatif pour la fréquence saisonnière des cyclones tropicaux à l'échelle de tout un bassin. Nous complétons ensuite avec le nombre de taches solaires (SSN) comme covariant du même modèle appliqué à la fréquence des ouragans aux USA et nous obtenons une amélioration significative, observée par une baisse de la déviance et un test de l'adéquation globale du modèle. En fait, le covariant des taches solaires (SSN) est plus significatif que le covariant SST (température de surface des océans)."[…]

(NDT : Ce qui porte un rude coup aux théories en vigueur basées fondamentalement sur l'accroissement supposé des températures océaniques. Caractères engraissés de l'auteur du site.)


"La relation entre SSN (Sunspots Number) et la fréquence des ouragans est négative ce qui indique qu'un soleil inactif accroît la probabilité d'un ouragan US […] En se basant sur la théorie en vigueur de l'intensité des cyclones tropicaux, toutes choses étant égales par ailleurs, l'intensité des ouragans devraient croître quand la température de l'air en haut de la colonne, décroît. Nous citons plusieurs études qui montrent qu'un accroissement de l'activité solaire augmente la température de la zone haute troposphère-basse stratosphère. Notre propre analyse de la température de cette couche de l'atmosphère où les cyclones s'intensifient, montre une relation positive statistiquement significative avec le SSN (Sunspots Number). Enfin, nous analysons les données quotidiennes et montrons que l'activité tempétueuse tend à être plus intense quand les taches solaires sont plus rares ce qui est consistant avec notre modèle saisonnier et renforce notre argument d'un signal solaire dans l'activité cyclonique US et Caraïbes." […]

"Afin de mieux comprendre et prédire comment le réchauffement climatique pourrait affecter les ouragans, il est nécessaire de prendre en compte la totalité des facteurs naturels responsables des variations de l'activité cyclonique." […]

NB : Les auteurs utilisent les vocables : "ouragans" ou "cyclones" ? Quelle est la différence ? voir la note suivante..

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2) Dans un article publié tout récemment et dans le prolongement direct du précédent, Elsner et Jagger, assistés de Hodges, se sont penchés sur une modélisation théorique des observations précédentes en se focalisant sur l'intensité cyclonique. Voici les références de ce nouvel article :

Daily tropical cyclone intensity response to solar ultraviolet radiation, soit "Réponse quotidienne de l'intensité des cyclones tropicaux aux radiations ultraviolettes."

Elsner, J. B., T. H. Jagger, and R. E. Hodges (2010)

Geophys. Res. Lett., 37, L09701, doi:10.1029/2010GL043091.

Abstract : "An inverse relationship between hurricane activity over the Caribbean and the number of sunspots has recently been identified. Here we investigate this relationship using daily observations and find support for the hypothesis that changes in ultraviolet (UV) radiation rather than changes in other concomitant solar and cosmic variations are the
cause. The relationship is statistically significant after accounting for annual variation in ocean heat and the El Niño cycle. A warming response in the upper troposphere to increased solar UV forcing as measured by the Mg II index (core‐to‐wing ratio) decreases the atmosphere’s convective available potential energy leading to a weaker
cyclone. The response amplitude at a cyclone intensity of 44 m s−1 is 6.7 ± 2.56 m s−1 per 0.01 Mg II units (s.d.), which compares with 4.6 m s−1 estimated from the heatengine theory using a temperature trend derived from observations. The increasing hurricane response sensitivity with increasing strength is found in the observations and in an application of the theory."

Résumé :" Une relation inverse entre l'activité des ouragans sur les Caraïbes et le nombre de taches solaires a été récemment identifiée. Ici nous analysons cette relation et trouvons des éléments en faveur de l'hypothèse que les variations de l'irradiation ultraviolette (UV) plutôt que d'autres changements concomitants solaires ou cosmiques, sont en cause. La relation est statistiquement significative pour la variation annuelle de la chaleur des océans et du cycle El Niño. Un réchauffement de la haute troposphère en réponse à une augmentation du forçage solaire UV, mesuré par l'indice Mg II (rapport du centre aux ailes) provoque la décroissance de l'énergie potentielle convective disponible de l'atmosphère conduisant à un cyclone plus faible. L'amplitude de la réponse à un cyclone d'intensité 44m/s est de 6.7 ± 2.56 m/s par 0.01 unités de Mg II (s.d.) qui se compare avec les 4,6 m/s estimés à partir de la théorie du moteur de chaleur utilisant une tendance de température dérivée des observations. L'augmentation de la sensibilité de la réponse des ouragans avec l'augmentation de la force est trouvée dans les observations et dans l'application de la théorie."

Elsner, Jagger et Hodges commencent par nous montrer le graphe donnant l'irradiance ultraviolette du soleil pendant les trois derniers cycles solaires.

Elsner1

Figure 1. Séries temporelles de l'indice Mg II quotidien du soleil. La série commence le 7 Nov 1978 et se termine le 14 octobre 2007 (10.578 jours). Les valeurs sont représenteées par des points.. Les nombres indiquées en dessous du pic d'activité sont les numéros des cycles solaires ( 21, 22, 23. L'axe horizontal est gradué à partir du 1er Juillet de l'année. Le graphique en insert montre les valeurs de l'indice Mg II comme donnée temporelle pendant la saison cyclonique de 1989. Les valeurs sont connectées par des éléments de courbe. Les blancs correspondent aux valeurs manquantes. Il y 1131 valeurs manquandtes (12,6% des jours).

 

 

 

Note explicative : Je rappelle que l'analyse de l'indice Mg II (soit de la forme du doublet du Mg à 280nm, dans l'utraviolet), est un moyen pratique pour mesurer l'intensité du flux Ultraviolet émis par le soleil. "Core-to-wings ratio" signifie qu'on mesure le rapport entre l'irradiance du doublet au centre de la raie et l'irradiance sur les ailes du doublet. Ce rapport est appelle" indice Mg II". Cette méthode a été mise au point par Donald Heath et Barry Schlesinger en 1986 (JGR, 91, 8672-8682, 1986). La Figure 1 donne donc une image de l'irradiance ultraviolette du soleil de 1979 à 2007. En effet, selon les auteurs de cet article, c'est cette lumière ultraviolette qui, absorbée par l'ozone, réchauffe l'atmosphère à l'extrémité la plus élevée des cyclones/ouragans. Une irradiance UV élevée et donc un réchauffement important de cette zone de l'atmosphère, tend à diminuer la probabilité de la formation d'un cyclone (selon la théorie du moteur de chaleur en vigueur). Comme cela a été observé dans l'article précédent : plus d'activité solaire => Moins d'ouragans.

Cet article mériterait d'être exposé in extenso. Il est malheureusement très difficile d'en simplifier le contenu pour le rendre accessible. Je me contenterai de rapporter le dernier graphe qui montre le bon accord entre l'observation et la théorie basée sur l'hypothèse que ce sont bien les UV émis lors des éruptions solaires qui, réchauffant la température de la basse stratosphère/haute troposphère, induisent une affaiblissement de l'intensité des cyclones tropicaux, au moins dans la zone étudiée.

Comparaison théorie-observations :

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Figure 2b. Comparaison des réponses théoriques et observées, de l'intensité des cyclones tropicaux aux variations de l'irradiation UV solaire (Indice Mg II).

En abscisse, l'intensité des cyclones tropicaux (mesurée par la vitesse des vents en mètre/seconde). L'équivalent en percentiles de la courbe de distribution est indiqué en bas du graphique.

En ordonnée : La réponse observée est un changement dans un percentile de la vitesse du vent des cyclones tropicaux pour toutes les valeurs de l'indice Mg II.
La réponse théorique est le changement dans un percentile de la vitesse du vent pour un jeu de réponses en température à des valeurs de l'indice Mg II excédant un percentile donné de l'indice Mg II
.

Ce qui précède est la traduction de la légende du graphe en question. C'est évidemment assez obscur pour celui qui n'a pas suivi le calcul décrit dans l'article.

La réponse théorique est indiquée par des carrés noirs. La réponse observée est indiquée par des ronds noirs liés.



Ce qu'il faut retenir c'est que compte tenu des estimations des incertitudes (en grisé sur le dessin), le modèle et l'observation se recoupent de manière relativement satisfaisante. Il semble donc que le modèle invoqué, c'est à dire l'influence de l'activité solaire via l'irradiation UV et le réchauffement de l'air situé dans la partie la plus élevée du cyclone, soit cohérent avec les observations.

La conclusion de l'article apporte quelques informations supplémentaires. En voici la traduction :

"Dans cet article nous donnons une indication convaincante que la relation entre l'activité des ouragans et l'activité solaire, à une échelle journalière, est physiquement liée au changement de température atmosphérique à proximité du sommet du cyclone induit par l'irradiation UV. Cette découverte éclaire d'un jour nouveau le problème de la prédiction de l'intensification des ouragans. La plus grande sensibilité de la réponse généralement observée dans les données du vent des cyclones tropicaux pourrait résulter du fait que les cyclones, eux-mêmes, accroissent la température en altitude et ainsi atténuent la relation UV-température [Swanson 2008]. On fait observer que les résultats théoriques rendent compte de la variation du maximum de l'intensité potentielle d'un cyclone particulier tandis que le résultat de l'observation concerne le changement dans la vitesse maximale quotidienne de tous les cyclones tropicaux de la région. Comme un cyclone tropical joue un rôle dans l'humidification de la stratosphère [Romps et Kuang 2009] et puisque le dissipation de l'énergie cyclonique se fait par le mélange océanique et le transport atmosphérique, un cyclone tropical peut agir comme un amplificateur de variations relativement faibles de l'irradiance solaire. Pour ce qui est des échelles de temps plus lointaines, on doit noter qu'une fraction de la variation de la SST, température de surface des océans, (0,08 ± 0.2 K), est en retard sur le cycle de Schwabe de 1 à 3 ans, ce qui est, en gros, le temps nécessaire pour que la couche supérieure des 100 premiers mètres de l'océan atteigne l'équilibre radiatif (White et al, 1997)."

(caractère engraissés par l'auteur du site).
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3) Conclusion et quelques remarques :

Je suis conscient que ce billet est un peu plus difficile à lire que beaucoup d'autres. En effet, ce sujet qui fait encore débat parmi les spécialistes de la question, est particulièrement délicat.
Néanmoins, ces observations importantes qui montrent que l'activité éruptive solaire (et non pas seulement l'irradiance solaire) joue un rôle important dans le développement des cyclones tropicaux, viennent compléter le très grand nombre d'observations, de diverses nature, que nous avons déja rapportées dans cette page.

C'est ainsi que l'on a retrouvé la signature de l'activité éruptive solaire (les sunspots) dans les températures globales ou locales de la planète, dans le débit des fleuves et le niveau des grands lacs, dans les cernes des arbres, dans la pluviométrie et les sécheresses comme dans les moussons, tout cela sur de très grandes échelles temporelles et dans de très nombreuses situations géographiques. De même, des corrélations [activité solaire/ indices océaniques] ont été démontrées. Sans oublier bien entendu, les observations et les modèles de l'équipe Svensmark, ou encore de Nir Shaviv.

La plupart des articles théoriques concernant ce sujet (brûlant), sont à la recherche de l'effet amplificateur (voir Nir Shaviv, par exemple) qui fait qu'une très faible variation de l'irradiance solaire (environ 0,1%) peut conduire à des variations climatiques très importantes. L'article décrit ci-dessus, propose un mécanisme crédible invoquant le réchauffement de la couche supérieure de l'atmosphère par les UV émis, en plus grandes quantités, lors des éruptions solaires. De ce point de vue, l'esprit de cet article est proche de celui de l'article de Lockwood et al que j'ai commenté tout récemment.

Un point important à ne pas oublier :
Certaines observations et certains modèles font intervenir le champ magnétique concomitant avec les éruptions solaires.Dans ce cas et compte-tenu du fait que le champ magnétique solaire s'inverse lors du passage d'un cycle de Schwabe au suivant (tous les onze ans), on s'attend à voir des phénomènes plus ou moins synchronisés sur le cycle magnétique de Hale (22 ans). Par contre, lorsque les effets des éruptions solaires se font sentir (comme dans l'article commenté ici) via un effet optique, on s'attend à détecter des phénomènes synchronisés sur le cycle de 11 ans de Schwabe.

De fait, en fonction des événements observés, les deux occurrences ont été observées. Il est ainsi probable que l'activité solaire agisse aussi bien par l'intermédiaire du cycle de Schwabe que par des effets magnétiques du cycle de Hale et aussi, par les effets des cycles de plus longue durée.

Au vu du très grand nombre d'articles qui ont mis clairement en évidence les effets des éruptions solaires sur le climat, on peut s'étonner que les rapports successifs du GIEC et de ses participants persistent, encore aujourd'hui, à affirmer que le soleil n'est pas pertinent pour expliquer les variations climatiques de notre époque, au prétexte que son irradiance totale (visible, UV, et IR) ne varie que d'un tout petit et "négligeable" 0,1%.

Faut-il leur répéter, une fois de plus, que le soleil fait bien autre chose que de nous envoyer des rayons lumineux dans le spectre visible et infra rouge comme cet article vient de nous le montrer, après beaucoup d'autres. L'activité éruptive solaire gère les UV, l'héliosphère, la champ magnétique, le vent solaire etc.


Et pour ce qui est des articles démontrant le lien [activité solaire/ climat], ce n'est pas fini : D'autres arrivent...

Restez à l'écoute !
Dans le même esprit, si vous ne l'avez déjà fait, je vous invite à lire attentivement cette page. C'est étonnant.

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