Près de la surface de la Terre, les concentrations croissantes de dioxyde de carbone dans l’atmosphère entraînent une augmentation des températures. Mais à partir d’environ 60 kilomètres (37 miles), dans les couches les plus externes de l’atmosphère appelées mésosphère et basse thermosphère (MLT), le dioxyde de carbone refroidit en fait l’atmosphère, la faisant rétrécir et se contracter. Ce processus de refroidissement et de contraction est supposé depuis plus de trois décennies. Aujourd’hui, de nouvelles recherches révèlent la première preuve qu’à l’échelle mondiale, le rétrécissement de la haute atmosphère a commencé.
Une nouvelle étude utilise des données de pression et de température dérivées de satellites pour montrer que le MLT s’est contracté de plus de 1,3 kilomètre (0,8 mile) entre 2002 et 2019. Environ 340 mètres (1 115 pieds) de ce rétrécissement sont dus au dioxyde de carbone, et cette contraction est probablement permanent, selon les chercheurs.
Le reste de la contraction est dû à une baisse de l’activité solaire pendant cette période. L’étude a été publiée dans le Journal of Geophysical Research: Atmosphèresqui publie des recherches faisant progresser la compréhension de l’atmosphère terrestre et de son interaction avec d’autres composants du système terrestre.
Un MLT refroidissant et rétrécissant entraînera une augmentation de la longévité des débris spatiaux à des altitudes plus élevées, y compris la thermosphère supérieure, ce qui présente des risques pour la Station spatiale internationale et d’autres objets spatiaux en orbite terrestre basse. Des dizaines de milliers de morceaux connus de débris spatiaux, des météoroïdes naturels aux déchets technologiques fabriqués par l’homme, sont actuellement en orbite autour de la Terre.
Au fil du temps, la plupart des débris descendent et tombent hors de leur orbite. Modèles dans un article publié plus tôt dans Lettres de recherche géophysique le refroidissement prévu dans la thermosphère entraînerait une diminution d’environ 33% de la traînée et une durée de vie 30% plus longue pour les débris spatiaux d’ici 2070.
« L’une des conséquences est que les satellites resteront en place plus longtemps, ce qui est formidable, car les gens veulent que leurs satellites restent en place. Mais les débris resteront également en place plus longtemps et augmenteront probablement la probabilité que les satellites et autres objets spatiaux précieux devront ajuster leur trajectoire pour éviter collisions », a déclaré Martin Mlynczak, l’auteur principal de la Journal of Geophysical Research: Atmosphères étude et scientifique géospatiale au Langley Research Center de la NASA. Des débris plus durables pourraient augmenter les coûts de l’assurance spatiale et constituer une considération majeure dans les futures décisions en matière de législation et de politique spatiales, a-t-il ajouté.
La thermosphère est la couche la plus élevée de l’atmosphère avant ce que beaucoup de gens pensent probablement comme « l’espace » ou l’exosphère. Elle est définie par la pression atmosphérique, mais s’étend généralement d’altitudes d’environ 80 à 90 kilomètres (50 à 60 milles) à entre 500 et 1 000 kilomètres (300 à 600 milles).
Contrairement à l’atmosphère proche de la surface de la Terre, la thermosphère est composée principalement d’oxygène et d’azote. La majeure partie du rayonnement UV entrant du Soleil est absorbée par l’oxygène, réchauffant la thermosphère et provoquant son expansion. Le chauffage varie d’un cycle solaire à l’autre et joue un rôle important dans le réglage de la température de la thermosphère et son rétrécissement ou gonflement.
Le refroidissement provoque une contraction dans la haute atmosphère
À basse altitude dans l’atmosphère, le dioxyde de carbone absorbe de l’énergie et l’émet vers le bas, réchauffant l’atmosphère. Mais dans la mésosphère et la basse thermosphère, où l’atmosphère est des millions de fois plus mince, les molécules de dioxyde de carbone absorbent l’énergie entrante et émettent un rayonnement infrarouge dans l’espace, aidant à refroidir la haute atmosphère. Des concentrations plus élevées de dioxyde de carbone dans le MLT renvoient alors plus d’énergie dans l’espace. Ce refroidissement radiatif, associé aux fluctuations de l’activité solaire, entraîne la contraction.
Les concentrations de dioxyde de carbone dans la mésosphère et la thermosphère ont augmenté parallèlement aux concentrations à la surface de la Terre. Les scientifiques ont prédit dans les années 1980 que le refroidissement et la contraction se produiraient, mais la nouvelle étude est la première à démontrer des observations globales de la contraction.
« Il y a eu beaucoup d’intérêt à voir si nous pouvons réellement observer cet effet de refroidissement et de rétrécissement sur l’atmosphère », a déclaré Mlynczak. « Nous présentons enfin ces observations dans cet article. Nous sommes les premiers à montrer le rétrécissement de l’atmosphère comme celui-ci, à l’échelle mondiale. »
Au fur et à mesure que la thermosphère se refroidit, elle se contracte et se traduit par une densité plus faible. Pour cette raison, un satellite à une altitude donnée dans la thermosphère connaît maintenant un air relativement moins dense, et donc moins de traînée, qu’avant l’ajout de dioxyde de carbone supplémentaire.
Le nouveau JGR : Atmosphères L’étude a utilisé les données de température et de pression du satellite TIMED de la NASA (à la 21e année de ce qui était à l’origine une mission de deux ans) pour rechercher les schémas de refroidissement et de contraction prévus. Les chercheurs ont découvert que l’altitude la plus élevée de la mésosphère et de la thermosphère inférieure s’était refroidie jusqu’à 1,7 degrés Celsius (35 degrés Fahrenheit) et s’était contractée de plus d’un kilomètre entre 2002 et 2019.
Le dernier cycle solaire a été faible, permettant aux chercheurs de séparer les effets du dioxyde de carbone et du rayonnement solaire sur les températures atmosphériques. Aux altitudes les plus élevées du MLT, le cycle solaire plus faible au cours des 20 dernières années est responsable de la majeure partie du refroidissement observé, s’ajoutant au refroidissement dû à l’augmentation du dioxyde de carbone.
« A chaque altitude, il y a un refroidissement et une contraction que nous attribuons en partie à l’augmentation du dioxyde de carbone », a déclaré Mlynczak. « Tant que le dioxyde de carbone augmente à peu près au même rythme, nous pouvons nous attendre à ce que ces taux de changement de température restent également à peu près constants, à environ un demi-degré Kelvin. [of cooling] par décennie. »
Plus d’information:
Martin G. Mlynczak et al, Refroidissement et contraction de la mésosphère et de la basse thermosphère de 2002 à 2021, Journal of Geophysical Research: Atmosphères (2022). DOI : 10.1029/2022JD036767
I. Cnossen, Une projection réaliste du changement climatique dans la haute atmosphère au 21e siècle, Lettres de recherche géophysique (2022). DOI : 10.1029/2022GL100693