Srinivas Bettadpur, Byron D. Tapley, Bernard Foulon, Maria Z. Hakuba, Graeme L. Stephens, Frank Webb, Bruno Christophe, Alfred Nash, Colorado State University [Fort Collins] (CSU), Jet Propulsion Laboratory (JPL), NASA-California Institute of Technology (CALTECH), DPHY, ONERA, Université Paris Saclay (COmUE) [Châtillon], ONERA-Université Paris Saclay (COmUE), Center for Space Research [Austin] (CSR), and University of Texas at Austin [Austin]
International audience; The direct measurement of Earth's energy imbalance (EEI) is one of the greatest challenges in climate research. The global mean EEI represents the integrated value of global warming and is tightly linked to changes in hydrological cycle and the habitability of our planet. Current space-born radiometers measure the individual radiative components of the energy balance with unprecedented stability, but with calibration errors too large to determine the absolute magnitude of global mean EEI as the components' residual. Best estimates of long-term EEI are currently derived from temporal changes in ocean heat content at ~0.7 Wm-2. To monitor EEI directly from space, we propose an independent approach based on accelerometry that measures non-gravitational forces, such as radiation pressure, acting on Earth orbiting spacecrafts. The concept of deriving EEI from radiation pressure has been considered in the past, and we provide analysis that shows today's capabilities are sufficiently accurate to answer the question: At what rate is our planet warming? To measure global mean EEI to within at least ±0.3 Wm-2 requires spacecraft(s) of near-spherical shape and well-characterized surface properties to reduce confounding effects. The proposed concept may provide the basis for a data record of global and zonal mean EEI on annual and potentially monthly time scales. It is not meant to replace existing concepts designed to measure energy balance components or ocean heat storage, but to complement these by providing an independent estimate of EEI for comparison and to anchor data products and climate models that lack energy balance closure.; La mesure directe du bilan énergétique de la Terre (EEI : Earth's Energy Imbalance) est l'un des plus grands défis de la recherche climatique. L'EEI moyen mondial représente la valeur intégrée du réchauffement climatique; sa variabilité spatiale et temporelle reflète la nature des transport de chaleur à travers le système climatique et les modes climatiques internes tels que l'ENSO. Ces transports de chaleur contrôlent les circulations atmosphériques et océaniques, et désormais le cycle de l'eau et l'habitabilité de notre planète. Les systèmes spatiaux actuels mesurent les composantes radiatives individuelles du bilan énergétique avec une précision et une stabilité sans précédent, mais les limites d'erreur sont trop grossières pour déterminer l'amplitude absolue de l'EEI moyen global ainsi que les résidus des contributeurs. Les meilleures estimations de l'IEE à long terme sont actuellement dérivées des changements de la teneur en chaleur des océans telle que mesurée in situ, mais sont affectées par des erreurs d'échantillonnage. Des méthodes alternatives sont nécessaires pour éviter l'imprécision de l'étalonnage radiométrique et l'échantillonnage incomplet in situ de l'océan. Pour suivre la valeur intégrée de l'EEI à partir de l'espace, nous proposons une approche basée sur l'accélérométrie qui mesure les forces non gravitationnelles, telles que la pression de radiation, agissant sur les satellites en orbite autour de la Terre. Le concept pour déduire l'EEI de la pression de radiation a été considéré dans le passé, et nous fournissons une analyse qui montre que les instruments d'aujourd'hui sont suffisamment précises pour enfin répondre à la question: à quel rythme notre planète se réchauffe-t-elle? Le concept proposé ne vise pas à remplacer les concepts existants conçus pour mesurer les composantes du bilan énergétique, mais à les compléter en fournissant une mesure directe de l'EEI responsable des changements climatiques de notre planète.