Le climat, un système impliquant de nombreux acteurs.

Les 4 enveloppes terrestres

En 1896, Svante Arrhenius écrit ceci:

"Comme ce serait merveilleux si les émissions humaines de gaz carbonique vers l'atmosphère pouvaient augmenter d'autant le climat de la Terre. Nous en serions heureux en Suède".

Un doublement du CO2 s'accompagne d'une élévation de la température moyenne de 6°C.

Urgelli, 2005

Comment peut-on expliquer qu'il existe encore des climatosceptiques?

Plan de ce cours:

  1. Quelle différence y a-t-il entre climatologie et météorologie?
  2. Comment explique-t-on l'augmentation rapide des moyennes annuelles de température?
  3. Quels seront les impacts à long terme de l'augmentation des températures moyennes annuelles?

 

1-Quelle différence y a-t-il entre climatologie et météorologie?

Activités:

  • A l'aide des documents fournis, j'explique la différence entre météorologie et climatologie.
  • Identifier des tendances d’évolution de la température sur plusieurs échelles de temps à partir de graphiques.
  • Identifier des traces géologiques de variations climatiques passées: pollens, glaciers.

 

METEO France

METEO FRANCE - Retrouvez les prévisions METEO France de Météo-France à 15 jours, les prévisions météos locales gratuites, complètes et détaillées à 15 jours.



Carte de la météo du jour à gauche et des climats à droite

Capture d’écran 2020-11-16 à 08

http://svt80.over-blog.com/2017/10/meteorologie-et-climatologie.html

 

Le système climatique mondial

L'étude des changements climatiques nécessite de définir le système climatique, un ensemble complexe constitué de cinq composantes principales : l'atmosphère ; les surfaces continentales ; l'hydrosphère (océans, lacs, rivières, nappes d'eau souterraines...) ; la cryosphère (glaces terrestres ou marines, manteau neigeux) ; la biosphère (tous les organismes vivants dans l'air, sur terre et dans les océans).


 

 Différence entre météo et climat

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La répartition des climats mondiaux

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Graphique de l'anomalie de la température moyenne annuelle de l'air, en surface, en France, par rapport à la normale de référence

Capture d’écran 2020-11-23 à 09

L'indicateur est constitué de la moyenne des températures de 30 stations météorologiques.

Le zéro correspond à la moyenne de l'indicateur sur la période 1961-1990, soit 11,8 °C.

 

Graphique de l'anomalie de la température moyenne annuelle de l'air, en surface, pour le globe, par rapport à la normale de référence.

Capture d’écran 2020-11-23 à 08

Données du Climatic Research Unit, University of East Anglia.

Le zéro correspond à la moyenne de l'indicateur sur la période 1961-1990, soit 14,0 °C.

capture

 Données d'après:

http://www.meteofrance.fr/climat-passe-et-futur/le-rechauffement-observe-a-l-echelle-du-globe-et-en-france

Pergélisol, le piège climatique

Typique des régions arctiques, le pergélisol, le sol gelé depuis des milliers d'années, dégèle peu à peu sous l'effet du réchauffement climatique. Ce faisant, il libère de puissants gaz à effet de serre. " CNRS Le journal " s'est rendu au Nunavik, dans l'Arctique canadien, pour mieux comprendre ce phénomène largement sous-estimé par les modèles climatiques.

https://lejournal.cnrs.fr

 

A retenir:

  • Un climat est défini par un ensemble de moyennes de grandeurs atmosphériques observées dans une région donnée pendant une période donnée.
  • Ces grandeurs sont principalement: la température, la pression, le degré d’hygrométrie, la pluviométrie, la nébulosité, la vitesse et la direction des vents.
  • La climatologie étudie les variations du climat local ou global à moyen ou long terme (années, siècles, millénaires...).
  • La température moyenne de la Terre, calculée à partir de mesures in situ et depuis l’espace par des satellites, est l’un des indicateurs du climat global.
  • Il existe d’autres indicateurs comme : le volume des océans, l'entendue des glaces et des glaciers.
  • La météorologie étudie les phénomènes atmosphériques qu’elle prévoit à court terme : jours, et semaines.

 

2-Comment explique-t-on l'augmentation rapide des moyennes annuelles de température?

Avtivités:

  • Déterminer la capacité d’un gaz à influencer l’effet de serre atmosphérique à partir de son spectre d’absorption des ondes électromagnétiques.

 

  • Interpréter des documents donnant la variation d’un indicateur climatique en fonction du temps: date de vendanges, niveau de la mer, extension d’un glacier.

Le Glacier du Rhone en Suisse

campbell20200826 copie

Ce glaicier est bordé par 4 dépôts morainiques successifs visibles sur cette aquarelle de Henru Hogard datée de 1848 (à gauche). Le dépôt le plus ancien, à gauche, date de 1602, le second de 1818, le troisième de 1826 et le quatrième de 1848. La photo de droite représente le glacier en 1970.

Glacier en Alaska

campbell20200826

Au pied de ce glaicier le sol est strié et jonché de moraines, la végétation n'a pas eu le temps de pousser, signe que le retrait est récent. L'amincissement du permafrost nous indique que nous sommes en période de réchauffement.

Activité:

  • Analyser la variation au cours du temps de certaines grandeurs telles que l’augmentation de la teneur atmosphérique en CO2, la variation de température moyenne, des indicateurs de l’activité économique mondiale.

 Photos de climatologues étudiant la glace révélant la vaiarition du climat terrestre sur 100 000 ans.

carottes de glace et températures copie

On mesure les concentrations relatives en O16 et O18 piégées dans la glace; sachant que l'orsqu'il fait plus froid, il y a moins d'O18, on peut alors déduire des écart de températures par rapport à une moyenne.

carottes de glace et températures

Graphiques de la variation de température et de la constante solaire

 Capture d’écran 2020-11-23 à 10

La constante solaire est une moyenne, pour la terre et sur un an, du flux total d'énergie électromagnétique reçue par le soleil aux limites de l'atmosphère.

 Différents graphiques sur des données depuis 1850

augmentation de la température et des gaz à effet de serre  augmentation de la température et des gaz à effet de serre copie

D'après Pour le Science, Hors série l'Atmosphère, 1006.

 

carottes de glace et températures

Les gaz atmosphériques ayant un effet de serre

molécules atmosphériques et IR

A retenir:

Le climat de la Terre présente une variabilité naturelle sur différentes échelles de temps.

Toutefois, depuis plusieurs centaines de milliers d’années, jamais la concentration du CO2 atmosphérique n’a augmenté aussi rapidement qu’actuellement.

Depuis un siècle et demi, on mesure un réchauffement climatique global (environ +1°C).

Celui-ci est la réponse du système climatique à l’augmentation du forçage radiatif (différence entre l'énergie radiative reçue et l'énergie radiative émise) due aux émissions de gaz à effet de serre (GES) dans l’atmosphère : CO2, CH4, N2O et vapeur d’eau principalement.

Lorsque la concentration des GES augmente, l’atmosphère absorbe davantage le rayonnement thermique infrarouge émis par la surface de la Terre.

En retour, il en résulte une augmentation de la puissance radiative reçue par le sol de la part de l’atmosphère. Cette puissance additionnelle entraine une perturbation de l’équilibre radiatif qui existait à l’ère préindustrielle.

L’énergie supplémentaire associée est essentiellement stockée par les océans, mais également par l’air et les sols, ce qui se traduit par une augmentation de la température moyenne à la surface de la Terre et la montée du niveau des océans.

 

3-Quels seront les impacts à long terme de l'augmentation des températures moyennes annuelles?

Activités:

  • Identifier les relations de causalité (actions et rétroactions) qui sous- tendent la dynamique d’un système.
  • Réaliser et interpréter une expérience simple, mettant en évidence la différence d’impact entre la fusion des glaces continentales et des glaces de mer.
  • Estimer la variation du volume de l’océan associée à une variation de température donnée, en supposant cette variation limitée à une couche superficielle d’épaisseur donnée.

 

A retenir:

L’évolution de la température terrestre moyenne résulte de plusieurs effets amplificateurs (rétroaction positive), dont :

  • L’augmentation de la concentration en vapeur d’eau (gaz à effet de serre) dans l’atmosphère ;
  • La décroissance de la surface couverte par les glaces et diminution de l’albédo terrestre ;
  • Le dégel partiel du permafrost provoquant une libération de GES dans l’atmosphère.

L’océan a un rôle amortisseur en absorbant à sa surface une fraction importante de l’apport additionnel d’énergie. Cela conduit à une élévation du niveau de la mer causée par la dilatation thermique de l'eau. À celle-ci s’ajoute la fusion des glaces continentales. Cette accumulation d’énergie dans les océans rend le changement climatique irréversible à des échelles de temps de plusieurs siècles. À court terme, un accroissement de la végétalisation constitue un puits de CO2 et a donc un effet de rétroaction négative (stabilisatrice).

Bilan : Le système climatique et son évolution dans le temps résultent de plusieurs facteurs naturels et d’interactions entre océans, atmosphère, biosphère, lithosphère et cryosphère. Il est nécessaire de prendre en compte ces interactions à différentes échelles spatiales et temporelles, de l’année au million d’années voire davantage. Le système climatique présente une variabilité spontanée et réagit aux perturbations de son bilan d’énergie par des mécanismes appelés rétroactions. Les facteurs anthropiques ont des conséquences irréversibles à court terme.

 

Remarque: L’étude des paramètres orbitaux de la Terre et de leur influence sur le climat n’est pas au programme.

LEGOS, (Dieng et al., 2017)

Accélération de l'élévation du niveau de la mer : un effondrement de l'Antarctique n'est pas exclu

Alors que l'élévation du niveau de la mer s'accélère depuis 2004, affectant particulièrement les Outre-mers et les petits états insulaires du Pacifique ouest, de récents travaux indiquent qu'elle pourrait devenir beaucoup plus importante à cause de la fonte de l'Antarctique, avec un risque d'effondrement.


https://reseauactionclimat.org/acceleration-elevation-niveau-mer-effondrement-de-lantarctique-pas-exclu/

Greenland is melting at an historically unprecedented rate

If it all melted, Greenland's ice would raise sea level by seven meters. Greenland was losing ice four times faster in 2012 than it was in 2003, new research has found. The study's lead author, Michael Bevis, says global warming is to blame. We spoke to Bevis, a professor of geodynamics at The...

 

 

Pergélisol, le piège climatique

Typique des régions arctiques, le pergélisol, le sol gelé depuis des milliers d'années, dégèle peu à peu sous l'effet du réchauffement climatique. Ce faisant, il libère de puissants gaz à effet de serre. " CNRS Le journal " s'est rendu au Nunavik, dans l'Arctique canadien, pour mieux comprendre ce phénomène largement sous-estimé par les modèles climatiques.

 

https://www.fondation-lamap.org/sites/default/files/upload/media/minisites/projet_climat/animations/PaysagesEtClimats.swf

 

 

Capture d’écran 2020-09-19 à 07

https://planet-terre.ens-lyon.fr/article/fonte-banquise-2005-10-06.xml

 

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Spectre solaire

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 Temératures solaires et spectre solaire

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Notion d'albédo

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 Absorption atmosphérique des rayonnements solaires

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Ressources:

https://cache.media.eduscol.education.fr/file/SVT/94/7/RA20_Lycee_G_T_SVT_Theme2_ClimatsTerre_1307947.pdf

https://cache.media.eduscol.education.fr/file/Pluridisciplinaire/02/5/RA19_Lycee_G_1er_ES_Schemas_flux_radiatifs_1220025.pdf

 

ANIMATION SATELLITE sur la France et l'Europe par Météo-France

METEO FRANCE : retrouvez les animations satellites (compositions colorées) pour les 12 dernières heures sur la France et l'Europe.

 

 

Résumé :

La planète Terre est une planète singulière puisque c’est à ce jour la seule où la vie s’est développée, c’est bien qu’il doit exister des conditions favorables au développement de celle-ci. L’atmosphère, par le biais d’un effet de serre naturel, est responsable d’une condition essentielle à l’apparition de la vie : que de l’eau soit liquide. Cet effet de serre naturel s’explique par la présence de certains gaz qui captent les rayons infrarouges que la Terre émet lorsqu’elle est chauffée par les rayons incidents du soleil. Une partie de l’énergie absorbée par la surface est renvoyée, c’est l’albédo. Mais l’énergie renvoyée n’est pas la même que l’énergie reçue, qui elle se situe dans le spectre visible. Les infrarouges renvoyés sont captés par les gaz à effet de serre qui en renvoient d’autres vers la surface terrestre. Ainsi, la Terre présente une température moyenne plus importante que celle qu’elle devrait avoir si cet effet de serre n’existait pas. Malheureusement, l’Homme modifie cet équilibre en ajoutant des gaz à effet de serre dans l’atmosphère.

 

Introduction

La Terre est une planète où s’exercent, à sa surface, les influences de milieux aux caractéristiques différentes.

Les enveloppes externes, atmosphère, hydrosphère sont plus ou moins continues ; elles interagissent les unes avec les autres ; elles sont le siège de circulations et elles permettent la régulation du climat.

Or, la Terre est la seule planète du système solaire avec une telle hydrosphère dans laquelle la vie est apparue.

En quoi le fonctionnement de ces deux enveloppes est-il aujourd’hui influencé par l’Homme ?

 

I.Le Bilan énergétique de la Terre

A.Caractéristiques de l’énergie de la Terre

L’énergie à la surface de la Terre a une double origine :

  • Interne : lachaleur initiale (choc des petits corps rocheux lors de la formation de la Terre), la radioactivité́, la différenciation des assises en croûte, manteau, noyau, et les mouvements différentiels de ces assises qui génèrent de l’énergie.
  • Externe : l’énergie solaire.

L’énergie solaire reçue par la Terre 5500 fois plus importante que l’énergie liée au chauffage interne.

L’énergie reçue par la Terre provient du rayonnement solaire.

 

B.Le Soleil : source d’énergie principale de la surface terrestre

1.Température du Soleil

D’où vient l’énergie du Soleil ?

  • Le Soleil est une sphère de gaz, composée principalement d’Hydrogène.
  • Au centre, la température avoisine les 15.106 °C.
  • C’est un réacteur thermonucléaire qui dégage de la lumière.
  • La fusion de l’Hydrogène en Hélium libère une énergie sous forme de photons (réactions thermonucléaires)

4 noyaux de protons H => 1 noyau d’Hélium, des électrons et des photons lumineux qui portent de l’énergie.

Attention : Ce sont des noyaux qui fusionnent et non des atomes, d’où le nom de réactions thermonucléaires.

Le soleil induit 3 types de rayonnement :

  • Les rayons visibles à l’œil humain
  • Les rayons IR (infra-rouge)
  • Les rayons UV (ultra-violets)

Le spectre solaire est centré sur les rayons visibles, avec comme valeur de longueur d’onde pour laquelle l’intensité lumineuse est maximale : λmax= 0.5 μm

Le Soleil peut-être assimilé à un corps noir

Un corps noir est un corps idéal qui absorbe totalement les rayonnements électromagnétiques sur l’ensemble du spectre, et donc toute la lumière visible, du coup, il est noir.

Cette absorption se traduit par une agitation thermique :

Cette agitation thermique provoque l’émission d’un rayonnement électromagnétique dont le spectre ne dépend que de la température, c’est la loi de Planck, qui du coup permet de déduire la température du Soleil.

Lien entre rayonnement d’un corps noir et longueur d’onde : Plus la température est élevée, + le maximum de la courbe se situe à une longueur d’onde faible

Pour déterminer la température du Soleil, on utilise la Loi de Wien

La longueur d’onde à laquelle un corps noir émet le plus de flux de lumière énergétique est inversement proportionnelle à sa température.

  • La loi de Wien se déduit de la loi de Planck du rayonnement du corps noir : à une température T donnée, l’énergie W(λ) passe par un maximum (Wmax) pour une longueur d’onde λmax

Loi de Wien : λ­­­­max = (2,898.10-3) /T

Si le soleil émet un maximum de lumière dans le visible alors λ­­­­ max = 0,5 μm alors la température du soleil est T= 5796K

 La loi de Wien relie donc la longueur d’onde maximale émise par le soleil, ici 500 nm soit 0,5 μm, à la température du corps.

 

2.  Flux d’énergie rayonné par le Soleil:

La Loi de Stefan-Boltzmann donne la densité de flux d’énergie qui ne dépend que de la température de l’objet selon la formule :

Loi de Stefan-Boltzmann : Esoleil = σ x T4

Cette loi signifie que l’énergie totale rayonnée par unité de surface d’un corps noir sur toutes les longueurs d’onde par unité de temps est proportionnelle à la quatrième puissance de la température du corps noir.

Si σ =5,6703.10-8 W.m-2. K-4 et T=5778K

Alors l’énergie totale produite par le soleil :  Esoleil = 63,20.106 W.m-2

Notez que le flux d’énergie s’exprime en W.m-2 ou en J/s.m2

 

Quelle fraction de cette énergie parvient-elle sur Terre ?

3.  Notion de Constante solaire

Elle exprime la quantité d’énergie solaire que recevrait une surface (S) de 1m2 situées à une distance de 1 UA (Unité Astronomique, distance moyenne Terre- Soleil) exposée perpendiculairement aux rayons du Soleil en l’absence d’atmosphère.

  • Pour la Terre, cela correspond à la densité́ de flux énergétique reçue au sommet de l’atmosphère.

La distance moyenne de la Terre au Soleil est d’une Unité Astronomique soit environ 150 millions de km

Rayon du Soleil :

Le diamètre moyen du Soleil est : 1 392 000 km soit un rayon de 6,96.105 km

Rayon de l’orbite terrestre :

Orbite terrestre = orbite de la Terre autour du Soleil

  • Mouvement périodique
  • Suit la forme d’une ellipse presque circulaire
  • Valeur moyenne : R orbite terrestre : 149,6.106 km

Calcul de la constante solaire : S = Esoleil x (rayon du soleil/rayon orbite terrestre)2

S = 63,2.106 x (6,96.105 / 149,6.106)2

Soit un Flux solaire moyen atteignant la Terre de 1 368 W.m-2

La constante solaire correspond à l’énergie incidente, reçue par unité de temps, par un disque placé perpendiculairement au rayonnement solaire, à la distance moyenne Terre-Soleil.

Or, la Terre n’est pas plate, du coup le disque doit être transformé en une sphère, ainsi nous pourrons calculer l’énergie frappant réellement la surface de la Terre. C’est ce que l’on appelle le flux solaire incident.

4.  Flux solaire incident

C’est la base pour le calcul de l’effet de serre.

Compte tenu du rapport des surface entre un disque (πr2) et une sphère (4πr2), le flux moyen susceptible d’être disponible par unité de surface terrestre est alors de 342 W. m-2

  

II.Le Bilan radiatif de la Terre

Bilan radiatif = c’est la différence entre rayonnement absorbé par la Terre et le rayonnement renvoyé vers l’espace.

La terre échange de l’énergie avec l’espace jusqu’à atteindre un équilibre entre perte et gain d’énergie.

Le bilan radiatif de la Terre

Comprendre le climat de la Terre c’est analyser son bilan énergétique moyen.

La presque totalité du rayonnement solaire, 342 W.m-2, entre dans le système terrestre, mais la totalité du flux solaire incident n’est pas absorbée car la surface terrestre et l’atmosphère possèdent un pouvoir réflecteur appelé albédo de l’ordre de 30%.

Donc environ 107 W.m-2 sont réfléchis vers l’espace

 

A.L’albédo

Influence de la nature de la surface

L’Albédo est une grandeur sans dimension car c’est le rapport de l’énergie solaire réfléchie par une surface par rapport à l'énergie solaire incidente

Les régions polaires réfléchissent la plus grande partie des rayons lumineux qui les atteignent déjà difficilement. Il y a donc un phénomène auto-entretenu des conditions froides.

Sur Terre, en moyenne : 30% de l’énergie est réfléchie, 70% de l’énergie est absorbée

Du coup, l’Albédo moyen de la Terre = 0.3

L’albédo varie avec la saison.

Le bilan radiatif de la Terre :

Les 70% restants sont absorbés par l’ozone dans la stratosphère, par la vapeur d’eau, les nuages et les aérosols de la troposphère (pour 67 W.m-2) et par la surface terrestre (pour 168 W.m-2).

Calcul de la température d’équilibre sans effet de serre :

Quelle est l’énergie reçue à la surface de la Terre en prenant en compte l’albédo ?

Ereçue = Rayonnement solaire incident moyen x proportion d’énergie reçue

Soit = 342 x 0.7 ~ 240 W.m-2 reçus à la surface en tenant compte de l’albédo

 

Notion de Température d’équilibre à la surface d’une planète :

  • C’est la Température théorique d’une planète considérée comme un corps noir et dont la seule source de chaleur serait l’étoile parente
  •  Dans ce modèle, la présence ou l’absence d’une atmosphère n’est pas considérée et l’on remplace la surface de la planète par une surface idéalisée

 

Quelle est la température d’équilibre sans effet de serre ?

Loi de Stefan-Boltzmann est la loi qui permet de calculer la température que devrait avoir la terre en fonction de ce qu’elle reçoit sans tenir compte de l’effet de serre soit :

ETerre= σ x T4

Avec σ =5,6703.10-8 W.m-2.K-4   mais ETerre : énergie réellement reçue par la Terre soit 240 W.m-2

Soit T= (ETerre/ σ)1/4

 Sachant que T = 255 K et 0°K = - 273.15°C

 Soit T= (240/5,6703.10-8) ¼ soit T = 255K donc T= -18°C

 

Sans atmosphère donc sans l’effet de serre, la température d’équilibre de la Terre serait de -18°C

 

B.L’atmosphère

Structure verticale de l’atmosphère en différentes couches : troposphère, stratosphère, mésosphère, thermosphère dont les caractéristiques chimiques, physiques et températures sont différentes.

Comment le transport d’énergie s’effectue-t-il dans l’atmosphère ?

Les trois formes de transport d’énergie dans l’Atmosphère sont :

  • Énergie thermique = élévation de T°
  • Énergie potentielle = élévation d’altitude
  • Énergie latente = absorption vapeur / condensation

Important : ce que la Terre renvoie elle le renvoie sous une autre forme

Ce qui signifie que pour maintenir la balance énergétique, le système terrestre réémet à son tour vers l’espace des radiations de plus grandes longueurs d’onde, dans l’infrarouge proche.

Sur les 390 W.m-2 qui rayonnent depuis la surface terrestre :

  • 40 W.m-2 traversent l’atmosphère
  • Et sur les 350 W.m-2 absorbés par l’atmosphère, 324 W. m-2 sont réémis vers la Terre (effet de serre).

L’atmosphère réémet également vers l’espace environ 195 W. m-2.

L’effet de serre :

  • Le bilan énergétique détermine la température moyenne à la surface du globe : 13°C, température d’équilibre entre la surface terrestre et l’atmosphère
  • Le système Terre-Atmosphère en équilibre avec l’espace serait à une température de - 18°C mesurée par un observateur extérieur
  • La différence de 31°C provient de l’effet de serre ce qui signifie que l’atmosphère est transparente au « rayonnement visible » solaire et opaque au « rayonnement infrarouge » terrestre.

 

C.L’effet de serre

 

Apprendre ce document par cœur car tout y est résumé

 

Source : Emmanuel, Rafélis et Pasco, 2007

Historique :

Horace Bénédict de Saussure en 1780.

Le naturaliste suisse avait construit un appareil constitué de cinq caisses de verre emboitées les unes dans les autres, munies de thermomètres, pour montrer que, plus l'on va vers le centre, plus la température s'élève, jusqu'à obtenir une température d'équilibre (jusqu'à 109°C !).

Ce phénomène tire son nom de ce qui se passe dans la serre du jardinier : comme dans la vitre d’une serre, l’atmosphère laisse passer les rayons visibles du Soleil, mais emprisonne partiellement la chaleur

Attention, l’effet mécanique qui stoppe la convection dans la serre (par la présence des vitres) n’est pas présent dans l’atmosphère.

Svante Arrhenius, 1896

Un doublement du CO2 s'accompagne d'une élévation de la température moyenne de 6°C.

"Comme ce serait merveilleux si les émissions humaines de gaz carbonique vers l'atmosphère pouvaient augmenter d'autant le climat de la Terre. Nous en serions heureux en Suède".

Urgelli, 2005

 

Des déséquilibres énergétiques et régionaux

Au cours de l’année, le bilan radiatif, en un point géographique précis, est généralement diffèrent de zéro, créant ainsi des déséquilibres énergétiques régionaux.

L’intensité de l’insolation et le pourcentage d’absorption du rayonnement solaire dépendent principalement de l’angle suivant lequel les rayons solaires atteignent la surface terrestre.

Ainsi la distribution des températures à la surface du globe varie en fonction de la latitude et des saisons :

  • Ceci est responsable des circulations atmosphériques et océaniques ;
  • De la redistribution de l’énergie, en transférant l’excèdent des régions de basses latitudes vers les pôles.

 

L’effet de serre

Ce phénomène est responsable du réchauffement de la basse atmosphère de la planète par absorption du rayonnement infrarouge.

Ce piégeage est effectué par certains gaz : la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4)
et les chlorofluorocarbures (CFC).

L’abondance de ces gaz, parfois d’origine anthropique, dans les basses couches de l’atmosphère est la cause principale du réchauffement car le rayonnement infrarouge absorbé par les gaz est réémis vers la Terre.

 

Le rôle des Chlorofluorocarbures (CFC)

  • Dérivés chlorés et fluorés du méthane ;
  • Utilisés comme propulseurs aérosols et réfrigérants ;
  • Ils sont stables dans la troposphère ;
  • Une durée de vie de 60 à 200 ans ;
  • Le seul puits est stratosphérique ;
  • La photolyse libère des atomes de Chlore.

 

Caractéristiques des gaz à effet de serre

Composants gazeux de l’atmosphère qui absorbent le rayonnement IR émis par la surface terrestre

  • L'absorption du rayonnement infrarouge dépend de la structure de la molécule :
    Les molécules biatomiques et symétriques (O2, N2, H2...) sont très peu absorbantes (pas de capacité à vibrer)
  • Les molécules triatomiques ou non symétriques (H2O, CO2, CH4, CO.…) sont beaucoup plus absorbantes.

Les molécules doivent avoir des propriétés d'absorption (et donc de réémission) dans le domaine d'émission du système Terre-atmosphère considéré comme un corps noir autour de 260 à 280K. Ce domaine spectral correspond à l'infrarouge thermique entre 4 μm et 40 μm. Dans ce domaine, les molécules considérées absorbent un photon et passent d'un état fondamental à un état excité de vibration.

En résumé :

  • Le soleil éclaire dans le domaine de l’UV, du visible, du proche infra-rouge
  • Les molécules de l’atmosphère (gaz poly atomiques) n’absorbent pas ou peu dans la longueur d’onde du visible
  • La Terre (les enveloppes fluides) réémet dans le domaine de l’Infrarouge
  • Les molécules de l’atmosphère (gaz poly atomiques) absorbent en partie dans ce domaine spectral

Il existe donc un gain d’énergie appelé effet de serre et associé à la présence des GES.

 

Gaz à effet de serre : volume mineur mais rôle majeur !

Calcul de la température d’équilibre avec effet de serre

Loi de Stefan-Boltzmann est la loi qui permet de calculer la température que devrait avoir la terre en fonction de ce qu’elle reçoit sans tenir compte de l’effet de serre soit :

ETerre= σ x T4

Avec :

  • σ =5,6703.10-8 W.m-2.K-4
  •  ETerre : énergie émise par la Terre sous forme d’IR soit 390 W.m-2

T= (ETerre/ σ)1/4

Sachant que T = 255 K et 0°K = - 273.15°C alors T= (390/5,6703.10-8) ¼ soit T = 15°C

Température d’équilibre de la Terre : 15°C

 

Les activités humaines augmentent la concentration de gaz à effet de serre dans l’atmosphère, les infrarouges sont absorbés en plus grande quantité, la température de la planète augmente.

D.     Notion de forçage radiatif

On appelle forçage radiatif (W.m-2) du système climatique toute variation de l’énergie transmise à l’ensemble du système Terre-atmosphère, causée par des changements des facteurs de forçage.

Il s'agit donc de la différence entre l'énergie radiative reçue et l'énergie radiative émise par un système climatique donné :

  • Positif : plus d’énergie reçue qu’émise, il tend à réchauffer le système
  • Négatif : plus d'énergie émise que reçue, il tend vers un refroidissement

 L’homme par ses activités ajoute du CO2, CH4 et d’autres gaz à effet de serre dans l’atmosphère.

Quelle est la conséquence sur la température moyenne planétaire ?

  • Conclusion 3e groupe de travail du GIEC (1er octobre 2001) : aucun facteur naturel n’est susceptible d’avoir contribué significativement au réchauffement de 0.6°C observé sur les 30 dernières années.
  • Les variations de l’intensité solaire ont été négligeables et les volcans n’ont pu avoir qu’un effet global de refroidissement, limité dans le temps après les grandes éruptions.
  • Un faisceau d’éléments suggère qu’il y a une influence perceptible de l’homme sur le climat

 

Quels sont les gaz à effet de serre anthropiques ?

  • CO2 : depuis 1860 ➶30%, 3⁄4 combustions de charbon & pétrole, 1⁄4 feux de forêts des zones tropicales
  • CH4 : x2, agriculture, production et distribution pétrole, gaz, extraction charbon, décharges
  • N2O : agriculture (engrais), combustion biomasse, synthèses chimiques industrielles (acide nitrique)
  • Gaz fluorés (CFC, PFC, SF6) : 0 (1950) à 800 ppm (1990) systèmes de réfrigération, climatisation (automobile), aérosols.

Fabrication règlementée (action destructrice sur la couche d’ozone, Convention de Montréal, 1987)

  • H2O : vapeur d’eau générée principalement par les réacteurs des avions

 

Ordre d’importance des gaz à effet de serre générée par l’activité humaine-production d’énergie, procèdes industriels, transports, activités agricoles- :

  • 50% CO2,
  • 19% méthane,
  • 1.7% CFC,
  • 8% ozone de la troposphère,
  • 4% protoxyde d’azote,
  • 2% vapeur d’eau

 L'augmentation du forçage radiatif anthropique entre 1750 et 2011 est évalué à 2,29 (1,13 à 3,33) W.m-2 par le 5e rapport du GIEC

 

III.         Conséquences des effets anthropiques

A.      La modification du bilan radiatif de la Terre

- Les surfaces continentales et les couches superficielles des océans se réchauffent
- Le rayonnement thermique infrarouge s’échappant vers l’espace diminue
- On estime que cette diminution doit s’approcher de 1 W.m-2 même si elle est encore difficile à mesurer avec confiance (Trenberth et al., 2009)

B.      Trou d’ozone

Un trou dans la couche d’ozone (absorbe les UV) désigne une région de la couche d’ozone stratosphérique qui a été détruite à plus de 50 % et qui limite d'autant la protection qu'elle nous offre contre les rayonnements ultraviolets du Soleil.

Cet appauvrissement aurait été causé par d'importants apports de CFC (chlorofluorocarbures, durée de vie dans l’atmosphère : 50 à 100 ans) et d'autres gaz à base de chlore et de brome dans l‘atmosphère, où ils réagissent en dégradant de l'ozone. Ils ont été libérés en quantité par l'Homme par le passé, mais sont maintenant interdits.

 

C.     Fonte du pergélisol

Le pergélisol est une partie du sol et du sous-sol qui est toujours gelée, durant au moins deux années consécutives

Il se forme lorsque la surface sous le sol de la Terre reste gelée au-delà de la période hivernale, durant au moins deux ans.

Il en existe trois types :

  • Le pergélisol continu : 100 % du sol est gelé
  • Le pergélisol étendu : 50 % à 90 % du sol est gelé
  • Le pergélisol sporadique : 10 % à 50 % du sol est gelé

 

Fonte 70 ans plus tôt que prévu :

« Nous avons été sidérés en découvrant que le pergélisol avait réagi si rapidement aux températures élevées de l’air. En l’espace d’une dizaine d’années, nous avons vu le paysage se transformer. »

Températures estivales plus élevées + faibles niveaux de végétation isolante + présence de glace souterraine à proximité́ de la surface = fonte exceptionnellement rapide et profonde du pergélisol

 

D.     Le bilan radiatif de la Terre

Au total, le bilan thermique du système Terre/atmosphère est en équilibre.

  • Le flux réfléchi et réémis est de 342 W.m-2 (107 W.m-2 pour les courtes longueurs d’onde et 235W.m-2 pour les infrarouges).
  • En revanche les sous-systèmes ne sont pas à l’équilibre du point de vue radiatif.

La surface de la Terre reçoit plus de chaleur qu’elle n’en émet du fait de l’effet de serre, et, au contraire, l’atmosphère est déficitaire puisqu’elle émet 519 W.m-2 (195 W.m-2 vers l’espace et 234W.m-2vers la Terre) alors qu’elle ne reçoit que 417 W.m-2 (67W.m-2du rayonnement solaire incident et 350 W.m-2à partir de la Terre).

Ce déficit d’une centaine de W.m-2est comblé par des flux de chaleur non radiatifs correspondant à la conduction et surtout à la convection thermique (pour 24 W.m-2) et aux processus des changements de phase : évaporation et condensation (pour 78 W.m-2).

Ces flux de chaleur non radiatifs permettent alors de rétablir l’équilibre thermique entre les deux sous-systèmes

La convection est un des trois modes de transfert de chaleur :

Ce sont les transferts de chaleur se produisant entre une surface et un fluide en mouvement lorsque ceux-ci sont à des températures différentes.

IV.        Conclusion :

  • L’ensemble des processus de la géodynamique externe de la planète Terre est induit et piloté par l’énergie provenant du Soleil.
  • Ce flux d’énergie maintient à la surface de la Terre une température moyenne (autour de +15°C) permettant l’existence de l’eau sous différentes phases et contribue ainsi au développement de la vie.
  • Même si le bilan énergétique de la Terre est globalement à l’équilibre, dû à la présence d’une atmosphère qui joue un rôle de régulateur thermique, des déséquilibres locaux existent et sont à l’origine de transferts d’énergie qui se traduisent par le mouvement des fluides atmosphériques et océaniques.

 

Un effet de serre indispensable à la vie

Gain de 33° par rapport à la température terrestre théorique : effet bénéfique

Ce qui est dangereux n’est pas le phénomène lui-même, parfaitement naturel et essentiel à notre existence, mais sa modification rapide du fait de l’homme

 

A retenir :

Les différents calculs, les unités.

Les différentes longueurs d’ondes et leurs implications dans le système.

Le schéma du bilan thermique du système Terre/Atmosphère.

Les différents Gaz à effet de serre.

 

Savoir définir :

Gaz à effet de serre ; effet de serre ; atmosphère ; soleil ; constante solaire ; loi de Wien ; loi de Stefan-Boltzmann ; albédo.