Section 19 Système Terre : enveloppes superficielles

III. Grandes avancées scientifiques

La communauté scientifique de la section 19 a pour objectif d'améliorer notre compréhension et notre capacité de prédire l'évolution du fonctionnement de l'océan, de l'atmosphère et de la cryosphère et de leurs interactions. Elle a aussi dans son périmètre la partie des sciences planétaires ayant trait à l'atmosphère, au climat et de plus en plus aux mers et océans des autres corps. À toutes les échelles de temps, ces systèmes, individuellement ou pris ensemble, jouent un rôle déterminant dans le climat des atmosphères terrestre et planétaires. Les travaux participent aux grands projets internationaux portés notamment par le WCRP ou IGBP/Future Earth. Les grandes infrastructures de recherche nécessaires aux campagnes en mer ou aéroportées, aux forages polaires marins et terrestres, à l'observation satellitaire ou au calcul intensif offrent le support technique et les capacités d'innovation scientifiques indispensables aux aspects multidisciplinaires du domaine. Les principaux résultats des dernières années ont été relayés dans le 5e rapport du GIEC auquel plusieurs chercheurs de la section ont participé en tant qu'auteurs ou contributeurs. Il faut souligner de manière plus générale que plusieurs chercheurs de la section jouent un rôle majeur à l'échelle nationale ou internationale dans la structuration des grandes campagnes d'observations que ce soit à partir de mesures in situ (campagnes de terrain ou réseaux d'observations) ou d'observations satellitaires.

De nombreuses recherches s'appuient sur les services d'observation et l'effort de surveillance de l'environnement commence à fournir des séries de données longues et homogènes indispensables aux avancées scientifiques. La modélisation de plus en plus présente couvre des aspects allant de la représentation des processus individuels à leur intégration dans des modèles couplant les différents compartiments du système climatique (océan, atmosphère, glace de mer, surfaces continentales) sous leurs aspects physiques, chimiques et géochimiques, voir écosystémiques. Au-delà du développement de modèles et faisant écho à la théorie, l'expérimentation numérique s'est fortement développée pour étudier les variations et les changements de climat. Les moyens de calcul, de stockage et la capacité à traiter les gros jeux de données en conditionnent les avancées. L'expérimentation en laboratoire est toujours aussi importante pour l'étude de la réponse des organismes marins à différents facteurs (lumière, température, salinité, carbone...), ou pour l'étude de la formation des aérosols, par exemple. On peut noter qu'elle est aussi utilisée pour mettre au point des capteurs physiques ou biogéochimiques.

Plusieurs domaines abordés par la section 19 ont été marqués par des évolutions rapides voire des ruptures sur les quatre dernières années. Une inflexion majeure dans tous les sujets concerne l'étude des processus et des interactions d'échelle. Cette évolution résulte de nouvelles méthodes de travail qui, en combinant plusieurs sources d'information (multi-capteurs pour les données satellites, multi-échelles, multi-proxies pour l'étude des paléoclimats...), offrent des visions plus intégrées des systèmes et une exploitation optimale des sources d'information individuelles. Ainsi, l'étude de la sous-mésoéchelle de surface et subsurface de l'océan révolutionne la vision que l'on a de l'océan en montrant le rôle qu'elle joue dans les transports de chaleur, sur les écosystèmes ou les flux biogéochimiques associés. Les progrès en océanographie bénéficient aussi de l'intégration des outils issus de la biologie (génomique par exemple) dans les études écosystémiques et biogéochimiques. De nouvelles problématiques ayant trait à l'acidification des océans, aux changements d'oxygénation ou aux co-limitations de la biosphère marine se sont développées pour comprendre les changements observés. En glaciologie, le pendant est une nouvelle vision et compréhension ayant émergé de l'étude de l'évolution des systèmes à partir des processus à fine échelle faisant intervenir les interactions lit rocheux-glace ou les couplages glace-océan. Les missions spatiales comme Megha-Tropiques ou A-Train offrent une forte synergie de différents moyens de télédétection. Ces mesures associées à de nouvelles capacités analytiques donnent une vision plus complète des aérosols (concernant notamment les aérosols organiques) et améliorent la compréhension des interactions entre l'aérosol, les nuages et le rayonnement. En modélisation des progrès notoires dans les paramétrisations sont issus d'approches faisant l'aller-retour entre les observations (cas d'étude issus de campagnes) et des simulations LES (« Large eddy simulations ») ou CRM (« cloud resolving models »). Ce type d'approches a aussi été déployé pour étudier les variations climatiques et les processus de plus fine échelle (cycle diurne, mousson africaine, couplage nuages-circulation de grande échelle, rétroactions nuageuses). Le chantier Méditerranée a été l'un des cadres dans lesquels se sont développées de fortes synergies entre l'étude des différents milieux. Il permet d'aborder le fonctionnement et le devenir de systèmes marins fortement anthropisés et soumis à des pressions très variées, ainsi que des pollutions régionales atmosphériques spécifiques.

Afin de mieux appréhender le rôle des perturbations anthropiques sur le climat et les cycles biogéochimiques, l'étude de la variabilité naturelle du climat et des interactions fondamentales entre les différents phénomènes et milieux reste une forte priorité. De nouveaux indicateurs paléoclimatiques et l'analyse à haute résolution des archives climatiques ont permis de caractériser les séquences entre l'évolution des glaces, du cycle du carbone et des températures lors de grandes transitions climatiques. Les nouvelles variables comme la salinité observée depuis l'espace ou le lancement du programme d'envergure de flotteurs dérivants ARGO améliorent la compréhension du rôle de l'océan dans le cycle hydrologique. Le développement de simulateurs d'observations spatiales permet une meilleure utilisation des données satellitales pour l'évaluation des modèles. L'assimilation de données, traditionnellement utilisées pour retracer les variations des variables climatiques et océaniques, a fortement évolué grâce aux collaborations avec les mathématiques appliquées. La période est marquée par la diffusion des méthodes d'assimilation de données en dehors des disciplines pionnières pour l'étude du cycle de carbone, de la chimie atmosphérique, ou encore la glaciologie et la biosphère marine. Cette évolution est liée à la généralisation des approches en régimes de temps et des méthodes d'analyse statistiques dédiées aux extrêmes.

En ce qui concerne les changements climatiques, un fort accent a été porté sur la sensibilité climatique, les événements extrêmes ou les couplages entre le climat, la biosphère et le cycle du carbone. L'évolution des moyens de calcul et de stockage permet une plus forte diffusion des méthodes d'ensembles, mais cette évolution rapide impose également de fortes contraintes sur la refonte des gros codes de calcul et leur environnement qui induit la nécessité d'une bonne structuration de la communauté dans tous les domaines. Les chercheurs de la section 19 ont aussi contribué aux progrès rapides de l'étude de l'acidification et de la désoxygénation de l'océan, l'étude des couplages entre les Océans Indien et Pacifique et leur effet sur les différentes formes du phénomène El Niño et de l'Oscillation Australe ou des couplages océan-atmosphère sur les cyclones. Les résultats alimentent de nombreuses études multidisciplinaires et les nouvelles questions concernant les impacts du changement climatique ou l'adaptation au changement climatique. Le développement du concept de services climatiques renforce cette tendance.

Concernant les sciences planétaires, les missions en cours comme Mars-Express, Venus-Express, Cassini, ainsi que le rover MSL, sont de grands succès dans lesquels la communauté française a joué un rôle moteur. Notons que la communauté française occupe le deuxième rang mondial après les États-Unis (http://www.cnes.fr/web/CNES-fr/9481-gp-le-succes-de-la-planetologie-fran...) et assez loin devant le Royaume Uni et l'Allemagne.

Quelques points saillants peuvent être retenus des résultats récents : la caractérisation et l'étude de l'habitabilité du cratère Gale sur Mars (détection d'argiles révélant la présence d'eau pérenne dans le passé), l'étude approfondie du climat de Saturne et Titan et les changements rapides après le passage de l'équinoxe (août 2009), la découverte des geysers d'eau salée d'Encelade dus à un océan interne en contact avec un cœur silicaté. Le futur sera sans nul doute marqué par la mission JUICE (systèmes jovien et de Ganymède) et la poursuite des missions martiennes (Exomars). Enfin notons la thématique exoplanète en plein essor grâce aux observations de plus en plus détaillées (spectres atmosphériques, propriétés physiques), et la découverte de planètes aux caractéristiques analogues à celles de la terre (taille, éloignement à l'étoile). L'étude des exoplanètes est de plus en plus abordée avec les outils classiques de la planétologie et de la physique de l'atmosphère terrestre (transfert radiatif, modèles couplés, GCM).