Huge spread in CMIP6 diffuse radiation impairs carbon budget estimates

La lumière du soleil qui atteint la surface de la Terre n'est pas un faisceau unique et uniforme. Elle arrive sous deux formes distinctes : des rayons directs qui voyagent directement depuis le soleil, et une lumière diffusée qui a rebondi sur les nuages, la poussière et les molécules de gaz dans l'atmosphère. Cette lumière diffusée, connue sous le nom de rayonnement diffus, se comporte différemment de la lumière directe du soleil. Alors que les faisceaux directs ont tendance à briller intensément sur les couches supérieures d'une canopée forestière, laissant souvent les feuilles en dessous dans une ombre profonde, la lumière diffuse se propage dans toutes les directions. Elle pénètre plus profondément dans la végétation, illuminant les feuilles ombragées qui resteraient autrement sombres. Cette illumination supplémentaire permet aux plantes de photosynthétiser plus efficacement, transformant de fait toute la forêt en un moteur plus productif pour absorber le dioxyde de carbone de l'air. Puisque ce processus lie directement l'atmosphère, ses nuages et ses particules à la santé des forêts du monde, comprendre quelle quantité de cette lumière diffusée atteint le sol est essentiel pour calculer la quantité de carbone que les terres émergées de la Terre peuvent stocker.

Un chercheur du Pacific Northwest National Laboratory a récemment étudié la capacité des modèles climatiques modernes à capturer ce type spécifique de lumière solaire. Il a examiné les données de seize modèles climatiques mondiaux différents, qui sont des simulations informatiques complexes utilisées par les scientifiques pour projeter les changements climatiques futurs et comprendre les changements environnementaux passés. Ces modèles sont les principaux outils pour estimer le budget carbone mondial — l'équilibre entre le carbone libéré dans l'atmosphère et le carbone absorbé par les plantes et les océans. Le chercheur s'est concentré sur la période historique allant de 2000 à 2014, comparant ce que les modèles prédisaient par rapport aux mesures réelles prises par des stations météorologiques à travers le monde. Son objectif était de voir si les modèles étaient en accord les uns avec les autres et avec la réalité concernant la quantité de rayonnement diffus atteignant la surface.

Les résultats ont révélé un manque d'accord frappant entre les modèles. Lorsque le chercheur a examiné la moyenne mondiale, les estimations du rayonnement diffus variaient de près de trois fois. Certains modèles prédisaient des quantités très faibles de lumière diffusée, tandis que d'autres prédisaient des quantités presque trois fois supérieures. Cette divergence était encore plus prononcée sur les terres, où la différence entre les estimations les plus hautes et les plus basses atteignait un facteur de trois. Le problème n'était pas seulement que les modèles étaient en désaccord entre eux ; ils étaient également en désaccord avec les observations du monde réel. Lorsque l'équipe a comparé la moyenne de tous les modèles par rapport à des milliers de mesures au sol, elle a constaté que les modèles sous-estimaient systématiquement la quantité de lumière diffuse, particulièrement pendant la saison de croissance, lorsque les plantes sont les plus actives. Dans l'hémisphère Nord, par exemple, les modèles ont manqué de peu la quantité maximale de lumière diffusée pendant les mois d'été, suggérant une erreur systématique dans la façon dont ces simulations gèrent l'interaction entre l'atmosphère et la surface.

Cette divergence est importante car la quantité de lumière diffusée influence directement la quantité de carbone que les plantes peuvent absorber. Le chercheur a calculé que la large variation des estimations des modèles concernant le rayonnement diffus pourrait se traduire par des incertitudes massives dans les prédictions de la croissance des plantes. Si les modèles se trompent sur la quantité de lumière diffusée qui atteint les forêts, ils sont probablement erronés sur la quantité de carbone que ces forêts stockent. L'étude suggère que cette incertitude pourrait s'élever à plusieurs milliards de tonnes de carbone par an, un chiffre suffisamment élevé pour rivaliser avec la quantité totale de carbone actuellement absorbée par les écosystèmes terrestux du monde. Dans les régions tropicales, où l'écart entre les estimations des modèles est particulièrement large, l'incertitude sur l'absorption du carbone pourrait dépasser treize pour cent de la captation totale. Cela signifie que les projections actuelles des puits de carbone futurs, qui sont critiques pour les politiques climatiques, pourraient être bâties sur des fondations fragiles concernant la façon dont les plantes réagissent à la lumière du soleil.

La racine du problème semble résider dans la manière dont ces modèles sont construits. La façon dont ils calculent la répartition entre la lumière directe et la lumière diffusée repose sur des formules complexes pour les nuages et les particules atmosphériques, qui ne sont pas encore pleinement comprises ou représentées avec précision. De plus, de nombreux modèles terrestres utilisés au sein de ces systèmes simplifient la façon dont la lumière se déplace à travers une forêt, traitant souvent la canopée comme une couche unique plutôt que comme une structure complexe composée de feuilles ensoleillées et ombragées. Cette simplification échoue à capturer l'« effet de fertilisation » de la lumière diffuse, où l'illumination supplémentaire booste la productivité de l'ensemble de la communauté végétale. Le chercheur a noté que même des modèles construits par les mêmes institutions, utilisant des composants atmosphériques de base similaires, produisaient des résultats très différents pour une même région, soulignant que le problème n'est pas seulement une question de données différentes, mais de différences fondamentales dans la manière dont la physique est simulée.

L'étude conclut que pour améliorer notre compréhension du cycle du carbone terrestre, les scientifiques doivent donner la priorité à la représentation correcte du rayonnement diffus. Cela implique de meilleures observations de la lumière diffusée, en particulier dans les forêts tropicales reculées où les données sont actuellement rares, ainsi que des méthodes plus sophistiquées pour modéliser l'interaction entre la lumière et la végétation. Alors que la communauté scientifique prépare la prochaine génération de modèles climatiques, l'auteur soutient que la standardisation de la façon dont ces modèles enregistrent et évaluent le rayonnement diffus n'est plus optionnelle. Sans corriger cet angle mort, l'incertitude sur les budgets mondiaux de carbone restera trop grande pour fournir les orientations fiables nécessaires à l'action climatique. La voie à suivre exige un effort coordonné pour garantir que la prochaine génération de simulations puisse refléter fidèlement le rôle subtil mais puissant de la lumière solaire diffusée dans le maintien de la vie sur la planète.