Refroidissement de la stratosphère : la signature du CO2

En 1967, deux chercheurs font tourner un modèle radiatif-convectif et y doublent progressivement le CO2 atmosphérique, de 150 à 300 puis à 600 ppm. Le résultat de Manabe et Wetherald tient en deux mouvements opposés : la troposphère se réchauffe, la stratosphère se refroidit, et ce refroidissement s'amplifie à mesure que l'on s'élève au-dessus de la tropopause. Les sondeurs satellitaires capables de le vérifier ne livreront leurs premiers relevés qu'à partir de 1979. Un demi-siècle plus tard, une étude publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences est allée chercher cette double signature dans les enregistrements satellite. Elle y est.

Réponse directe : le refroidissement de la stratosphère est la contrepartie en altitude du réchauffement de surface. Entre 25 et 50 km, les satellites mesurent une baisse de 1 à 2 °C sur la période 1986-2022, pendant que la troposphère se réchauffe. Une variation de l'activité solaire réchaufferait les deux couches à la fois : seul un forçage par gaz à effet de serre produit ce contraste vertical.

C'est le point où la plupart des explications s'arrêtent, faute de place. Le CO2 se comporte comme le gaz à effet de serre dominant près du sol, où il piège le rayonnement infrarouge sortant. Plus haut, dans un air raréfié, la même molécule devient surtout un émetteur : elle rayonne vers l'espace davantage d'énergie qu'elle n'en reçoit d'en dessous, et la couche se refroidit.

Le mécanisme radiatif fin de ce basculement a fait l'objet d'une étude de Cohen, Pincus et Polvani parue dans Nature Geoscience en mai 2026. Selon la présentation qui en a été relayée par phys.org, l'explication tient à une « zone Goldilocks » de longueurs d'onde infrarouges qui s'élargit à mesure que le CO2 augmente, ce qui rend compte du double effet du même gaz : réchauffement de la surface, refroidissement de la stratosphère. Le résultat est récent et vient ici d'un relais, pas de la lecture de l'article primaire : je le donne pour ce qu'il est, une explication attribuée à ses auteurs.

L'ordre de grandeur du forçage, lui, n'a rien de marginal. La concentration de CO2 dépassait 416 ppm en 2021, soit environ 50 % de plus qu'en 1750, selon le NOAA CSL. Le relevé de référence de Mauna Loa donnait 427,55 ppm en août 2026, dans la continuité de la courbe de Keeling suivie mois après mois.

L'étude PNAS ne travaille pas sur « la » température de l'atmosphère mais sur six couches distinctes, chacune associée à un instrument et à une altitude où sa fonction de poids culmine. C'est la précision qui rend l'argument opposable : on ne compare pas deux moyennes floues, on compare six étages.

Les données sont fournies par trois groupes indépendants, RSS, STAR et UAH. Le relevé SSU couvre la période qui débute en 1979, avec des lacunes sur certains canaux avant 1986, et il a été fusionné avec les données AMSU-A pour prolonger la série au-delà de 2006. J'ai reporté ces six altitudes sur un axe vertical avant d'écrire, et c'est l'exercice qui m'a convaincu : entre le pic de TLT à 3,1 km et celui du canal 3 à 45 km, on ne parle plus du tout du même objet physique.

Les valeurs, maintenant. Dans la couche des 25-50 km, le refroidissement atteint 1 à 2 °C sur 1986-2022 selon l'étude PNAS. À l'échelle globale, la moyenne et la haute stratosphère continuent de se refroidir au rythme d'environ -0,6 K par décennie, d'après le chapitre 5 de l'évaluation scientifique NOAA et OMM sur l'appauvrissement de l'ozone publiée en 2022. Une valeur de refroidissement n'a de sens qu'avec son altitude et sa période : la stratosphère basse, autour de 19 km, ne montre plus de tendance significative depuis la fin des années 1990, alors que les étages au-dessus, eux, continuent de plonger.

Deux causes se superposent dans cette couche, et elles n'ont pas dominé aux mêmes époques. L'appauvrissement de l'ozone apporte une contribution relativement forte au refroidissement de la moyenne et haute stratosphère pendant la période des pertes d'ozone les plus marquées, de 1975 à 1995. Les tendances modélisées pour l'avenir, elles, sont dominées par les gaz à effet de serre, le refroidissement simulé étant directement lié au scénario d'émissions retenu.

Le second jeu de données va dans le même sens. En découpant les enregistrements SSU et MSU de 1986-2022 en fenêtres de vingt-cinq ans, l'étude PNAS observe que le refroidissement de la couche 25-50 km attendu sur 2025-2049, principalement dû au CO2, dépasse celui de 1975-1999, qui combinait ozone et CO2. Depuis le début de la reconstitution de la couche d'ozone sous l'effet du protocole de Montréal, la contribution de l'ozone recule ; celle des gaz à effet de serre, non.

Attention au glissement facile ici, celui qui ferait de l'ozone un acteur climatique de premier plan. Sur le bilan radiatif global, l'appauvrissement de l'ozone stratosphérique pèse -0,02 W/m2 entre 1750 et 2019, avec une incertitude qui va de -0,15 à +0,11 W/m2, quand le forçage du CO2 et des autres gaz à effet de serre est largement positif et dominant. Deux rôles différents : l'ozone compte beaucoup pour la température de la stratosphère, très peu pour l'énergie retenue par la planète entière.

L'ozone a en revanche un effet propre sur la circulation. Le refroidissement sévère de la basse stratosphère polaire au printemps austral, lié à l'appauvrissement de l'ozone, décale vers le pôle la cellule de Hadley et le jet-stream des moyennes latitudes en été austral, et ce depuis le début des années 1980. Une réorganisation de grande échelle du même ordre que celle qu'on surveille côté océan avec le ralentissement de la circulation atlantique.

Voilà le cœur du dossier. Le réchauffement de la troposphère accompagné du refroidissement de la stratosphère, à toutes les latitudes, signe le forçage par gaz à effet de serre, et lui seul. Si le réchauffement de la troposphère était dû à la seule activité solaire, on attendrait un réchauffement de la haute stratosphère, et non un refroidissement. Le Soleil chauffe l'atmosphère par le haut, le CO2 la refroidit par le haut : les deux hypothèses ne produisent pas la même forme verticale, et c'est cette forme qu'on mesure. L'argument est nettement plus difficile à contourner que la comparaison des courbes solaires et des courbes de CO2, qui laisse toujours prise à la discussion sur les décalages temporels.

Le gain statistique est chiffré : inclure la couche 25-50 km dans l'empreinte recherchée multiplie par cinq le rapport signal sur bruit, par rapport à une empreinte limitée à la troposphère et à la stratosphère basse. Monter plus haut rend donc la détection nettement plus franche, parce que le signal y est fort et le bruit naturel faible. C'est aussi ce qui distingue cette démarche d'une simple projection : on ne demande pas ici aux modèles climatiques de dire l'avenir, on leur demande quelle empreinte laisser chercher dans des mesures déjà prises.

Une question de jugement, sur laquelle je ne suis pas complètement tranché : faut-il mettre cet argument en avant dans le débat public plutôt que les courbes de température de surface ? Je penche pour le premier, parce qu'il ferme une porte au lieu d'ajouter une décimale, mais il demande un effort de lecture que la courbe de surface n'exige pas, et cet arbitrage reste discutable.

Le refroidissement des couches hautes a un effet mécanique inattendu : un air froid se contracte. Selon une étude de la NASA parue dans le Journal of Geophysical Research: Atmospheres (Mlynczak et al., 2022) et relayée par phys.org, la mésosphère et la basse thermosphère se sont contractées de 1,3 km entre 2002 et 2019, dont environ 340 m attribuables au CO2. La valeur vient d'un relais, pas de la lecture de l'article primaire, et je l'attribue en conséquence.

Cette contraction raréfie l'air aux altitudes des satellites, donc réduit la traînée qui les freine. Une étude distincte, celle de I. Cnossen parue dans Geophysical Research Letters en 2022 et relayée par la même source, chiffre par modélisation une baisse de traînée d'environ 33 % et un allongement d'environ 30 % de la durée de vie orbitale des débris spatiaux d'ici 2070. Un débris qui retombait tout seul reste donc en service actif de nuisance plus longtemps.

Conséquence chiffrée sur la capacité d'accueil en orbite basse, d'après Parker, Brown et Linares dans Nature Sustainability en 2025, dans le scénario d'émissions le plus défavorable (SSP5-8.5) et à l'horizon 2100 :

L'enchaînement se suit de bout en bout sans rupture. Une molécule dont on discute l'effet sur les récoltes et les littoraux finit par décider du nombre de satellites que l'orbite basse peut supporter en 2100. Le même forçage traverse des systèmes qui n'ont, en apparence, rien à voir entre eux, et c'est exactement ce que décrivent les boucles de rétroaction du système climatique à une autre échelle. J'ai lu le chapitre 5 de l'évaluation NOAA et OMM de bout en bout en préparant ce texte, en cherchant des températures ; j'en suis ressorti avec une question de trafic spatial.

Pourquoi la stratosphère se refroidit-elle si la Terre se réchauffe ?#

Parce que le CO2 ne joue pas le même rôle aux deux altitudes. Près du sol, il retient le rayonnement infrarouge sortant et réchauffe. Dans la stratosphère, où l'air est raréfié, il rayonne vers l'espace davantage d'énergie qu'il n'en reçoit d'en dessous, et la couche perd de la chaleur. Manabe et Wetherald l'avaient prédit dès 1967.

De combien la stratosphère s'est-elle refroidie ?#

Selon l'étude PNAS de 2023, la couche située entre 25 et 50 km d'altitude s'est refroidie de 1 à 2 °C sur la période 1986-2022. À l'échelle globale, l'évaluation NOAA et OMM de 2022 donne un rythme d'environ -0,6 K par décennie pour la moyenne et la haute stratosphère. La stratosphère basse, vers 19 km, ne montre plus de tendance significative depuis la fin des années 1990.

En quoi cela prouve-t-il que le CO2 est en cause plutôt que le Soleil ?#

Le réchauffement de la troposphère accompagné du refroidissement de la stratosphère, à toutes les latitudes, est une empreinte propre au forçage par gaz à effet de serre. Si l'activité solaire expliquait seule le réchauffement de la troposphère, on attendrait un réchauffement de la haute stratosphère, et non le refroidissement mesuré.

Le trou dans la couche d'ozone joue-t-il un rôle ?#

Oui, mais à une époque et sur un plan précis. L'appauvrissement de l'ozone a fortement contribué au refroidissement de la moyenne et haute stratosphère pendant la période des pertes les plus marquées, de 1975 à 1995. Sur le bilan radiatif global, en revanche, il ne pèse que -0,02 W/m2 entre 1750 et 2019, avec une incertitude de -0,15 à +0,11 W/m2.

Quel rapport avec les satellites en orbite basse ?#

Un air plus froid se contracte et se raréfie aux altitudes orbitales, donc freine moins les objets qui y circulent. Parker, Brown et Linares chiffrent, dans le scénario SSP5-8.5 et d'ici 2100, une réduction de 50 à 66 % de la capacité d'accueil entre 200 et 1 000 km, et de 60 à 82 % dans la tranche 400-1 000 km selon la phase du cycle solaire.

• Santer et al. (2023), étude de fingerprinting satellite troposphère-stratosphère, PNAS, consulté le 16 septembre 2026
• Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2022, Chapitre 5, NOAA et OMM, consulté le 16 septembre 2026
• Twenty Questions and Answers About the Ozone Layer: 2022 Update, question 17, NOAA CSL, consulté le 16 septembre 2026
• Parker, Brown et Linares (2025), capacité d'accueil de l'orbite basse, Nature Sustainability, consulté le 16 septembre 2026
• Relevé du CO2 à Mauna Loa, NOAA Global Monitoring Laboratory, consulté le 16 septembre 2026
• Relais phys.org de l'étude Cohen, Pincus et Polvani (Nature Geoscience, 2026), consulté le 16 septembre 2026
• Relais phys.org des études Mlynczak et al. (2022) et Cnossen (2022), consulté le 16 septembre 2026