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Dossier : Climat |
Système et facteurs climatiques |
Effet de serre |
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Article écrit par :
 Chauffage de l'atmosphère et de la surface de la Terre. © CNRS/M.A. Mélières |
La
valeur de la température moyenne Tout objet maintenu à
une certaine température, perd constamment de l’énergie
sous forme de rayonnement. L’énergie rayonnée est
fixée par sa température. Quant l’objet est très
chaud, le rayonnement émis par sa surface devient lumineux (charbon
rougeoyant vers 500°C, métal chauffé à blanc
vers 1000°C…); quand il est à la température
ordinaire, le rayonnement émis est invisible à l’œil. D’où vient cette énergie ? Elle vient pour l’essentiel du Soleil : la quantité d’énergie qui provient de la chaleur interne de la Terre (flux géothermique) ne représente environ que le dix millième de l’énergie solaire. Quant à celle qui vient du reste de l’univers (rayonnement cosmique, lumière des étoiles...), elle est de l’ordre du millionième. L’énergie solaire L’énergie solaire arrive sous forme de rayonnement solaire. L’œil en perçoit la partie visible, ce qui représente 40% de cette énergie. Le reste se distribue dans l’infrarouge proche (50%) et dans l’ultraviolet (10%). Moyennée sur l’année et sur l’ensemble de la Terre, l’énergie solaire qui arrive est de 342 watts par m2 (terme A sur les schémas). Toute cette énergie ne “chauffe” pas la Terre, c’est-à-dire n’est pas absorbée par la Terre (atmosphère, océans, continents).. Environ 30% (c’est-à-dire 107 watts par m2, terme B) est renvoyé (ou réfléchi) dans l’espace par l’atmosphère, les océans et les continents. C’est à cause de cette lumière réfléchie que la Terre est visible de l’espace et que les planètes apparaissent brillantes la nuit dans le ciel. Il en reste donc 235 watts par m2 (terme C) qui vont “chauffer” la Terre. La température à la surface de la Terre La température sur la surface de la Terre (continents et océans) est le résultat d’un équilibre entre toute l’énergie qui chauffe la surface de la Terre (deux origines, on va le voir plus loin), ce qui représente 492 watts par m2, et toute l’énergie que perd cette même surface (trois origines, on va également le voir plus loin), ce qui représente également 492 watts par m2. Il est intéressant de comprendre l’origine de chacun de ces termes car un changement dans chacune de ces origines, qu’il soit naturel ou lié à l’homme, entraînera un nouvel équilibre de l’énergie, et par conséquent modifiera la température moyenne sur Terre et se répercutera sur le climat. Par quels mécanismes la surface se refroidit-elle? Trois mécanismes différents interviennent pour refroidir la surface de la Terre.
Par quoi est assuré le chauffage de la surface de la Terre ? Deux origines à ce chauffage :
Quelle est la cause de ce rayonnement émis par l’atmosphère, d’où vient son énergie ? C’est toujours la même histoire : quand un corps a une température d’équilibre (ici l’atmosphère) cela résulte du fait que l’énergie absorbée par le corps est égale à l’énergie émise, ou encore perdue, par le corps. L’énergie rayonnée par l’atmosphère, 519 watts par m2, qui représente l’énergie totale perdue par l’atmosphère, doit être compensée par un apport égal d’énergie à l’atmosphère. Cet apport se fait sous quatre formes différentes :
Peu de constituants atmosphériques
sont capables d’absorber ce rayonnement infrarouge. Il y en a principalement
trois, les autres jouant un rôle secondaire. Ce sont :
Les autres constituants, dont
le rôle dans la nature est plus faible, sont l’ozone, le méthane,
etc.. C’est ici qu’intervient
la difficulté d’évaluer les rôles respectifs
de ces différents constituants (gaz, nuages, ...) dans l’effet
de serre, car ces rôles peuvent se superposer les uns aux autres.
Une manière de le faire est de considérer que l’atmosphère
est remplacée par un seul de ces composés et d’estimer
la quantité du rayonnement infrarouge émis par la surface
qui est absorbée par lui seul. On trouve ainsi que :
Une manière d’aborder
simplement ces mécanismes afin de quantifier leur rôle dans
l’effet de serre est la suivante :
L’action de ces quatre
mécanismes de chauffage de l’atmosphère (E,
F, G, K)
fait que l’atmosphère absorbe, emmagasine, à chaque
seconde, 540 watts par m2. Comme elle est à l’équilibre
c’est-à-dire que l’énergie absorbée n’est
pas stockée, (sinon sa température augmenterait sans cesse)
elle ré-émet toute cette énergie. Elle la ré-émet
entièrement sous forme de rayonnement infrarouge : 195 watts
par m2 vers l’extérieur de la planète (cette
énergie sera donc rayonnée vers l’extérieur
de la Terre), et 324 watts par m2 vers la surface
qui sont totalement absorbés par cette dernière. Vue d’ensemble des mécanismes de chauffage La surface de la Terre (océans plus continents) est en équilibre : elle est chauffée en absorbant 492 watts par m2 (H+I) et elle se refroidit en perdant la même quantité d’énergie (E+F+D). La planète Terre est à l’équilibre : elle est chauffée en absorbant 235 watts par m2 (C), elle perd la même quantité d’énergie sous forme de rayonnement infrarouge vers l’espace (J+L). Effet de serre Il est relatif au mécanisme suivant : la surface de la Terre se refroidit en émettant un rayonnement infrarouge, l’atmosphère est capable d’absorber une partie de ce rayonnement, (par ses Gaz à Effet de Serre) et d’en réémettre une partie vers la surface, réchauffant donc cette dernière. Actuellement l’effet de serre est globalement évalué de la façon suivante : la surface de la Terre perd 390 watts par m2 par rayonnement infrarouge, or l’ensemble de la planète en gagne (énergie solaire absorbée) et en perd (énergie infrarouge rayonnée vers l’espace) 235 watts par m2. A une émission de 390 watts par m2 correspond une température de +15°C, ce qui fait dire que la température moyenne à la surface de la Terre est de +15°C. A une émission de 235 watts par m2 de la Terre vers l'espace, correspond une température moyenne de -19°C. La différence représente l’action globale de l’effet de serre : 155 watts par m2 de chauffage de la surface (dont environ 100 Watts liés au rôle de la vapeur d’eau et de 50 watts à celui du CO2). Ce chauffage représente environ 30°C, il est d’origine naturelle et est essentiellement dû à la vapeur d’eau et au CO2, la vapeur d’eau introduisant un réchauffement de l'ordre de 20°C et le CO2 de 10°C. Impact de l’activité humaine Les scénarii économiques relatifs à l’évolution de la composition de l’atmosphère sur le siècle prochain conduisent à des prévisions très différentes selon qu’on se place dans une hypothèse basse ou haute de la consommation. Un scénario classique proposé aux scientifiques est celui qui conduit, à l’échelon de quelques décennies à une situation qui équivaut à un doublement de la quantité de CO2, tous les autres gaz à effet de serre restant constants. C’est le scénario 2 X CO2. L’ensemble des modèles montre que cette situation conduirait à une augmentation de 4 watts par m2 de chauffage supplémentaire. Si l'ensemble des autres paramètres restait fixe, excepté bien sûr le CO2 qui aurait doublé, ce chauffage supplémentaire conduirait à une augmentation de la température moyenne d'environ 1°C. En fait, suite à ce réchauffement, les différents termes mis en jeu dans l'équilibre climatique peuvent changer et le réchauffement final atteint, lorsque le nouvel équilibre énergétique se sera établi, peut être soit supérieur (rétroaction positive), soit inférieur (rétroaction négative) au +1°C initial; mais, de toute façon, il y a réchauffement. L’estimation de l'ensemble des rétroactions est délicate et varie selon les différents modèles. Le réchauffement final calculé par l'ensemble des modèles se trouve dans une fourchette allant de 1°C à 4°C. Le doublement de CO2 ne se traduirait pas par un doublement des 50 Watts par m2 lié à l’effet de serre naturel introduit par le CO2, mais par une augmentation de cette quantité d’environ du dixième (4 watts par m2) parce que l’absorption par le CO2 est saturée et n’augmente donc plus de façon linéaire quand on augmente la quantité de CO2. Evolution climatique La température moyenne est l’un des paramètres de base du climat. Toutes les causes (naturelles ou anthropiques) qui font changer l’un quelconque des termes (de A à L) qui interviennent dans l’équilibre énergétique de la surface de la Terre impliquent un changement climatique. L’effet de serre est l’un d’eux, relatif aux termes K et I. |
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