La distance Terre-Soleil modifie considérablement les saisons dans le Pacifique équatorial selon un cycle de 22 000 ans


Les modélisateurs météorologiques et climatiques comprennent assez bien comment les vents saisonniers et les courants océaniques affectent les schémas d’El Niño dans l’est de l’océan Pacifique équatorial, affectant les conditions météorologiques aux États-Unis et parfois dans le monde entier.

Mais de nouvelles simulations informatiques montrent qu’un moteur des cycles météorologiques annuels dans cette région — en particulier, une langue froide d’eaux de surface s’étendant vers l’ouest le long de l’équateur depuis la côte de l’Amérique du Sud — est passé inaperçu : la distance changeante entre la Terre et le Soleil.

La langue froide, à son tour, influence l’El Niño-Oscillation australe (ENSO), qui a un impact sur les conditions météorologiques en Californie, dans une grande partie de l’Amérique du Nord et souvent dans le monde.

La distance Terre-Soleil varie lentement au cours de l’année car l’orbite terrestre est légèrement elliptique. Actuellement, à son approche la plus proche – le périhélie – la Terre est à environ 3 millions de kilomètres plus proche du soleil qu’à son point le plus éloigné, ou aphélie. En conséquence, la lumière du soleil est environ 7% plus intense au périhélie qu’à l’aphélie.

Des recherches menées par l’Université de Californie à Berkeley démontrent que le léger changement annuel de notre distance au soleil peut avoir un effet important sur le cycle annuel de la langue froide. Ceci est distinct de l’effet de l’inclinaison axiale de la Terre sur les saisons, qui est actuellement comprise comme étant à l’origine du cycle annuel de la langue froide.

Étant donné que la période du cycle annuel résultant des effets d’inclinaison et de distance est légèrement différente, leurs effets combinés varient dans le temps, a déclaré le chercheur principal John Chiang, professeur de géographie à l’UC Berkeley.

« La chose curieuse est que le cycle annuel de l’effet de distance est légèrement plus long que celui de l’inclinaison – environ 25 minutes, actuellement – donc sur une période d’environ 11 000 ans, les deux cycles annuels passent d’être en phase à hors phase, et la saisonnalité nette subit un changement remarquable, en conséquence », a déclaré Chiang.

Chiang a noté que l’effet de distance est déjà intégré dans les modèles climatiques – bien que son effet sur le Pacifique équatorial n’ait pas été reconnu jusqu’à présent – et ses découvertes ne modifieront pas les prévisions météorologiques ou les projections climatiques. Mais le cycle de phases de 22 000 ans peut avoir eu des effets historiques à long terme. La précession orbitale de la Terre est connue pour avoir affecté le moment des périodes glaciaires, par exemple.

L’effet de distance – et sa variation sur 22 000 ans – peut également affecter d’autres systèmes météorologiques sur Terre. L’ENSO, également originaire du Pacifique équatorial, est probablement affecté car son fonctionnement est étroitement lié au cycle saisonnier de la langue froide.

« La théorie nous dit que le cycle saisonnier de la langue froide joue un rôle clé dans le développement et la fin des événements ENSO », a déclaré Alyssa Atwood, une ancienne boursière postdoctorale de l’UC Berkeley qui est maintenant professeure adjointe à la Florida State University à Tallahassee. « Pour cette raison, de nombreuses caractéristiques clés d’ENSO sont synchronisées avec le cycle saisonnier. »

Par exemple, les événements ENSO ont tendance à culminer pendant les hivers de l’hémisphère nord, a-t-elle déclaré, et ils ne persistent généralement pas au-delà des mois de printemps nordiques ou boréaux, que les scientifiques appellent la « barrière de prévisibilité printanière ». En raison de ces liens, il est raisonnable de s’attendre à ce que l’effet de distance puisse également avoir un impact majeur sur ENSO – ce qui devrait être examiné dans de futures études.

« Très peu d’attention a été accordée au cycle saisonnier de la langue froide parce que la plupart des gens pensent qu’il est résolu. Il n’y a rien d’intéressant là-dedans », a déclaré Chiang. « Ce que cette recherche montre, c’est que ce n’est pas résolu. Il y a toujours un mystère. Notre résultat soulève également la question de savoir si d’autres régions de la Terre peuvent également avoir une contribution significative de l’effet de distance à leur cycle saisonnier. »

« Nous apprenons dans les cours de sciences dès l’école primaire que les saisons sont causées par l’inclinaison de l’axe de la Terre », a ajouté le co-auteur Anthony Broccoli de l’Université Rutgers. « Cela est certainement vrai et a été bien compris depuis des siècles. Bien que l’effet de la distance Terre-Soleil ait également été reconnu, notre étude indique que cet « effet de distance » peut être un effet plus important sur le climat que ce qui avait été reconnu auparavant. « 

Chiang, Atwood et Broccoli et leurs collègues ont rapporté leurs découvertes aujourd’hui dans le journal La nature.

Deux cycles annuels distincts affectent la langue froide du Pacifique

Le principal moteur des changements climatiques mondiaux est le changement saisonnier. L’équateur terrestre est incliné par rapport à son orbite autour du soleil, de sorte que les hémisphères nord et sud sont éclairés différemment. Lorsque le soleil brille directement au nord, il fait plus chaud au nord et plus froid au sud, et vice versa.

Ces changements annuels ont des effets majeurs sur les alizés équatoriaux du Pacifique, qui soufflent du sud-est au nord-ouest à travers le Pacifique sud et équatorial et poussent les eaux de surface vers l’ouest, provoquant une remontée d’eau froide le long de l’équateur qui crée une langue d’eau de surface froide qui s’étend de L’Équateur de l’autre côté du Pacifique — près d’un quart de la circonférence de la planète.

Les changements hémisphériques annuels de la température saisonnière modifient la force des métiers et provoquent ainsi un cycle annuel de la température de la langue froide. Ceci, à son tour, a une influence majeure sur l’ENSO, qui culmine généralement pendant l’hiver de l’hémisphère nord.

La survenue d’El Niño – ou de son contraire, La Niña – aide à déterminer si la Californie et la côte ouest auront un hiver humide ou sec, mais aussi si le Midwest et certaines parties de l’Asie auront de la pluie ou de la sécheresse.

« En étudiant les climats passés, beaucoup d’efforts ont été consacrés à essayer de comprendre si la variabilité dans l’océan Pacifique tropical – c’est-à-dire le cycle El Niño/La Niña – a changé dans le passé », a déclaré Broccoli. « Nous avons plutôt choisi de nous concentrer sur le cycle annuel des températures océaniques dans la langue froide du Pacifique oriental. Notre étude a révélé que le moment du périhélie – c’est-à-dire le point auquel la Terre est la plus proche du soleil – a une influence importante. sur le climat dans le Pacifique tropical. »

En 2015, Broccoli, codirecteur du Rutgers Climate Institute, avec son étudiant Michael Erb, alors diplômé, a utilisé un modèle climatique informatique pour montrer que les changements de distance causés par l’orbite elliptique de la Terre modifiaient considérablement le cycle annuel de la langue froide. Mais les modélisateurs climatiques ont pour la plupart ignoré le résultat, a déclaré Chiang.

« Notre domaine se concentre sur El Niño, et nous pensions que le cycle saisonnier était résolu. Mais nous avons ensuite réalisé que le résultat d’Erb et Broccoli remettait en question cette hypothèse », a-t-il déclaré.

Chiang et ses collègues, dont Broccoli et Atwood, ont examiné des simulations similaires en utilisant quatre modèles climatiques différents et ont confirmé le résultat. Mais l’équipe est allée plus loin pour montrer comment fonctionne l’effet de distance.

Les hémisphères « marin » et « continental » de la Terre

La principale distinction est que les changements de distance entre le soleil et la Terre n’affectent pas différemment les hémisphères nord et sud, ce qui donne lieu à l’effet saisonnier dû à l’inclinaison axiale de la Terre. Au lieu de cela, ils réchauffent « l’hémisphère continental » oriental dominé par les masses continentales nord et sud-américaines, africaines et eurasiennes, plus qu’il ne réchauffe l’hémisphère occidental – ce qu’il appelle l’hémisphère marin, car il est dominé par l’océan Pacifique.

« La façon traditionnelle de penser aux moussons est que l’hémisphère nord se réchauffe par rapport à l’hémisphère sud, générant des vents sur la terre qui apportent des pluies de mousson », a déclaré Chiang. « Mais ici, nous parlons en fait de différences de température est-ouest, et non nord-sud, qui causent les vents. L’effet de distance opère par le même mécanisme que les pluies de mousson saisonnières, mais les changements de vent viennent de cet est – la mousson d’ouest. »

Les vents générés par ce réchauffement différentiel des hémisphères marin et continental modifient la variation annuelle des alizés d’est dans le Pacifique équatorial occidental, et donc la langue froide.

« Lorsque la Terre est la plus proche du soleil, ces vents sont forts. Pendant l’intersaison, lorsque le soleil est le plus éloigné, ces vents deviennent faibles », a déclaré Chiang. « Ces changements de vent se propagent ensuite dans le Pacifique oriental à travers la thermocline, et fondamentalement, cela entraîne un cycle annuel de la langue froide. »

Aujourd’hui, a déclaré Chiang, l’effet de distance sur la langue froide est d’environ un tiers de la force de l’effet d’inclinaison, et ils se renforcent mutuellement, conduisant à un cycle annuel fort de la langue froide. Il y a environ 6 000 ans, ils se sont annulés, produisant un cycle annuel en sourdine de la langue froide. Dans le passé, lorsque l’orbite terrestre était plus elliptique, l’effet de distance sur la langue froide aurait été plus important et aurait pu conduire à une annulation plus complète en cas de déphasage.

Bien que Chiang et ses collègues n’aient pas examiné l’effet d’une telle annulation, cela aurait potentiellement eu un effet mondial sur les conditions météorologiques.

Chiang a souligné que l’effet de distance sur le climat, bien que clair dans les simulations de modèles climatiques, ne serait pas évident à partir des observations car il ne peut pas être facilement distingué de l’effet d’inclinaison.

« Cette étude est purement basée sur un modèle. Il s’agit donc d’une prédiction », a-t-il déclaré. « Mais ce comportement est reproduit par un certain nombre de modèles différents, au moins quatre. Et ce que nous avons fait dans cette étude est d’expliquer pourquoi cela se produit. Et dans le processus, nous avons découvert un autre cycle annuel de la langue froide qui est entraîné par L’excentricité de la Terre. »

Atwood a noté que, contrairement aux changements robustes du cycle saisonnier de la langue froide, les changements d’ENSO ont tendance à dépendre du modèle.

« Alors que l’ENSO reste un défi pour les modèles climatiques, nous pouvons regarder au-delà des simulations de modèles climatiques vers les enregistrements paléoclimatiques pour étudier le lien entre les changements du cycle annuel de la langue froide et l’ENSO dans le passé », a-t-elle déclaré. « À ce jour, les enregistrements paléoclimatiques du Pacifique tropical ont été largement interprétés en termes de changements passés de l’ENSO, mais notre étude souligne la nécessité de séparer les changements du cycle annuel de la langue froide des changements de l’ENSO. »

Les collègues de Chiang, en plus de Broccoli et Atwood, sont Daniel Vimont de l’Université du Wisconsin à Madison ; l’ancien étudiant de premier cycle de l’UC Berkeley, Paul Nicknish, maintenant étudiant diplômé au Massachusetts Institute of Technology ; William Roberts de l’Université de Northumbria à Newcastle-upon-Tyne au Royaume-Uni ; et Clay Tabor de l’Université du Connecticut à Storrs. Chiang a mené une partie de la recherche pendant son congé sabbatique à l’Institut de recherche sur les changements environnementaux de l’Academia Sinica à Taipei, Taiwan.

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