CLIMATOLOGIE

Les mécanismes de contrôle du climat terrestre

Le bilan radiatif contrôle la température de la Terre

La Terre, située à environ 150 millions de kilomètres du Soleil, intercepte une petite fraction du rayonnement, égale à 1 370 W.m^–2 (c'est la fameuse constante solaire qui n'en est pas une, découverte par le physicien français Pouillet en 1838). En raison du rapport géométrique entre la surface du disque terrestre (surface d'interception du rayonnement solaire) et la surface de la sphère terrestre, le rayonnement solaire au sommet de l'atmosphère est de 342 W.m^–2. Dans l'atmosphère, une partie de ce rayonnement solaire (107 W.m^–2) est réfléchie par les nuages, par les particules présentes dans l'air, puis par la surface terrestre. Le rapport entre le rayonnement réfléchi et le rayonnement solaire incident définit l'albédo planétaire α. La fraction restante est absorbée par la surface terrestre (continent/océan). À l'équilibre radiatif, le rayonnement solaire reçu est compensé par une perte d'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde dominante est fonction de la température de la planète. La Terre, dont la température globale moyenne est de 15 ⁰C, émet un rayonnement infrarouge dont la puissance est égale à ST_e⁴, où T_e est la température d'équilibre du système Terre et σ une constante. Une partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre est absorbée par l'atmosphère et est réémise vers le sol, ce qui a pour conséquence de réchauffer la surface. Cette boucle constitue l'effet de serre (ES). En l'absence d'effet de serre (ES = 0), la température d'équilibre de la Terre est de 255 K (soit — 18 ⁰C). Avec l'effet de serre, la température moyenne de surface est de 15 ⁰C. L'effet de serre est donc avant tout un phénomène naturel réchauffant la surface de la Terre de près de 33 ⁰C. La température de la Terre T_e peut être déduite d'un simple calcul d'équilibre radiatif :

avec T_e (température d'équilibre), S (constante solaire) = 1 370 W/m², σ (constante de Stefan-Boltzmann) = 5,67 × 10^–8 W.m^–2.K^–4, α (albédo planétaire) = 0,31, ES (effet de serre actuel) = 0,4.

L'effet de serre

À la température moyenne actuelle de la Terre, le maximum de perte d'énergie se produit dans le domaine du spectre infrarouge (de 0,7 μm à 100 μm). A contrario, le gain d'énergie pour la Terre est lié au rayonnement solaire dont le maximum d'émission se situe dans le domaine visible (de 0,4 à 0,7 μm). Cette dichotomie a une grande importance, car l'atmosphère est quasi transparente dans le spectre visible, et forme ce qu'on appelle une fenêtre spectrale, alors qu'elle absorbe la majorité du rayonnement infrarouge. L'atmosphère se comporte donc de manière semi-opaque. Pour cette raison, la très grande majorité du rayonnement solaire va atteindre la surface terrestre, alors qu'une grande partie du rayonnement infrarouge émis par la surface de la Terre est absorbée par l'atmosphère. L'opacité de l'atmosphère aux différentes longueurs d'onde dépend de sa composition chimique. L'absorption du rayonnement infrarouge est liée à la présence dans l'atmosphère terrestre de molécules de vapeur d'eau, de dioxyde de carbone (CO₂), de méthane (CH₄) et d'autres constituants mineurs (oxyde nitreux, par exemple). Ces gaz appartiennent à la famille des gaz à effet de serre (G.E.S.). Les molécules diatomiques symétriques O₂ et N₂, soit près de 99 p. 100 de l'atmosphère, n'interviennent pas. Les 33 ⁰C de réchauffement engendré par l'effet de serre sont liés majoritairement à la vapeur d'eau (60 p. 100 de l'effet de serre) au dioxyde de carbone (28 p. 100), deux constituants dont la concentration dans l'atmosphère n'excède pas respectivement 0,1 p. 100 et 0,038 p. 100. Ainsi, une faible variation des gaz à effet de serre est susceptible d'intensifier l'effet de serre. On estime qu'un doublement de la charge atmosphérique de CO₂ augmenterait la température globale de 1 ⁰C à 2 ⁰C selon que l'on considère ou pas la rétroaction de la vapeur d'eau.

L'importance de l'albédo

Une particularité de la Terre, au sein du système solaire, est la présence de l’eau sous ses trois formes. La vapeur d'eau influence l'effet de serre, alors que l'eau [...]

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Variations du climat depuis 1 milliard d'années
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Climat terrestre et fonction de la teneur en CO2
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Terre boule de neige
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Albédo terrestre en fonction de la température de la Terre
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