Pour évaluer les risques à long terme pour les aliments, l'eau, l'énergie et d'autres ressources naturelles critiques, les décideurs s'appuient souvent sur des modèles du système terrestre capables de produire des projections fiables des changements environnementaux régionaux et mondiaux s'étalant sur des décennies.

Un élément clé de ces modèles est la représentation de la chimie atmosphérique. Les simulations atmosphériques utilisant des mécanismes chimiques complexes de pointe promettent les simulations les plus précises de la chimie atmosphérique. Malheureusement leur taille, complexité, et les exigences de calcul ont eu tendance à limiter ces simulations à de courtes périodes et à un petit nombre de scénarios pour tenir compte de l'incertitude.

Aujourd'hui, une équipe de chercheurs dirigée par le programme conjoint du MIT sur la science et la politique du changement global a conçu une stratégie pour incorporer des mécanismes chimiques simplifiés dans les simulations atmosphériques qui peuvent correspondre aux résultats produits par des mécanismes plus complexes pour la plupart des régions et des périodes. S'il est implémenté dans un modèle tridimensionnel du système Terre, la nouvelle stratégie de modélisation pourrait permettre aux scientifiques et aux décideurs d'effectuer à faible coût, des simulations rapides de chimie atmosphérique qui couvrent de longues périodes dans un large éventail de scénarios. Cette nouvelle capacité pourrait à la fois améliorer la compréhension des scientifiques de la chimie atmosphérique et fournir aux décideurs un puissant outil d'évaluation des risques.

Dans une nouvelle étude publiée dans la revue de l'Union européenne des géosciences, Geoscientific Model Development, l'équipe de recherche a mené trois simulations sur 25 ans de la chimie de l'ozone troposphérique en utilisant des mécanismes chimiques de différents niveaux de complexité dans le cadre de modélisation CESM CAM-chem largement utilisé, et ont comparé leurs résultats aux observations. Ils ont étudié les conditions dans lesquelles ces mécanismes simplifiés correspondaient à la sortie du mécanisme le plus complexe, ainsi que lorsqu'ils ont divergé. Les chercheurs ont montré que, pour la plupart des régions et des périodes, les différences dans la chimie de l'ozone simulé entre ces trois mécanismes sont plus faibles que les différences d'observation du modèle elles-mêmes. Ils ont trouvé des résultats similaires pour les simulations de monoxyde de carbone et d'oxyde nitreux.

"Le mécanisme le plus simplifié que nous ayons testé, appelé Super-Rapide, a couru trois fois plus vite que le plus complexe (MOZART-4) tout en produisant en grande partie les mêmes résultats, " dit Benjamin Brown-Steiner, l'auteur principal de l'étude et un ancien post-doctorant au MIT Joint Program and Department of Earth, Sciences de l'atmosphère et des planètes (EAPS). « Ce niveau d'efficacité pourrait, par exemple, permettre aux scientifiques d'étudier un aspect de la chimie atmosphérique au cours du XXIe siècle, faire fonctionner le modèle simplifié pendant 100 ans, et vérifier sa précision en exécutant le modèle complexe au début, milieu et fin du siècle."

Brown-Steiner et ses collaborateurs ont également exploré comment l'utilisation simultanée de mécanismes chimiques de différentes complexités peut approfondir notre compréhension de la chimie atmosphérique à différentes échelles. Ils ont déterminé que les scientifiques pouvaient rationaliser les enquêtes sur la chimie atmosphérique en développant des simulations qui incluent à la fois des mécanismes chimiques complexes et simplifiés. Dans de telles simulations, des mécanismes complexes fourniraient une représentation plus complète de la chimie atmosphérique complexe, et des mécanismes simples simuleraient efficacement des périodes plus longues pour mieux comprendre les rôles de la variabilité météorologique et d'autres sources d'incertitude.

"En notant où les résultats produits par des mécanismes simples et complexes divergent dans des régions particulières, saisons ou périodes, vous pouvez déterminer où et quand les simulations nécessitent une chimie plus complexe, et augmenter la complexité de la modélisation selon les besoins, ", dit Brown-Steiner.

Il s'agit d'une stratégie de modélisation qui promet d'améliorer à la fois la compréhension des scientifiques de l'atmosphère terrestre et la capacité des décideurs à évaluer les politiques environnementales, disent les chercheurs.

« Notre étude montre que des modèles plus complexes ne sont pas toujours plus utiles à la prise de décision, " dit Noëlle Selin, un co-auteur de l'étude, professeur associé au sein de l'Institute for Data du MIT, Systèmes et Société et EAPS, et membre du corps professoral du programme conjoint. « Les chercheurs doivent réfléchir de manière critique à la question de savoir si des approches simples et efficaces comme celle-ci peuvent être tout aussi informatives à moindre coût. »

Finalement, l'étude pourrait conduire à l'inclusion de mécanismes de chimie atmosphérique simplifiés dans les cadres de modélisation tridimensionnelle du système terrestre. Cette capacité permettrait aux scientifiques et aux décideurs de mener à long terme, simulations en 3D de l'atmosphère terrestre sur un large ensemble (couvrant plusieurs scénarios pour représenter une gamme d'incertitudes dans les paramètres de modélisation clés) dans une période raisonnable de temps d'horloge.

"Nous représentons actuellement l'ozone, aérosols sulfatés, et d'autres contributeurs clés au forçage radiatif dans le système Terre dans des modèles bidimensionnels qui ne fournissent pas le niveau de précision que nous souhaitons, " dit Ronald Prinn, Professeur EAPS et co-directeur du Programme commun, qui est co-auteur de l'étude.

"À cette fin, nous aimerions les représenter dans des modèles tridimensionnels et exécuter des ensembles [scénarios multiples], mais une fois que nous avons mis dans un package chimique 3D complet, le temps informatique devient inabordable, " ajoute Prinn. " Cette étude montre que pour les calculs de forçage radiatif, l'incorporation d'un package chimique rapide dans un système de modélisation peut obtenir un accord crédible entre des mécanismes et des observations chimiques simples et complexes. »

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.