Le climat, une machine qui nécessite de l’énergie

Le climat, une machine qui nécessite de l’énergie

Pas d’étude de l’évolution énergétique mondiale sans un intérêt marqué pour son incidence climatique. Mais le climat a aussi besoin d’énergie. Pour expliquer l’équilibre énergétique à la surface de la Terre, à partir de la source qu’est le soleil, les auteures décrivent trois cas de figures : l’absence d’atmosphère totalement absorbante ; cette même absence en partie réfléchissante ; une Terre sans atmosphère.


Surtout depuis le signal d’alarme tiré par les successifs rapports du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat -GIEC (Intergovernmental Panel on Climate Change -IPCC), impossible de s’interroger sur l’avenir de l’approvisionnement du monde en énergie sans référence à ses effets sur l’évolution du climat. La nécessaire compréhension de ce dernier passe par une série d’articles focalisés sur : – l’estimation de l’énergie nécessaire au fonctionnement du climat actuel (I), – les paramètre qui déterminent l’équilibre énergétique à la surface de la Terre (II), – les principaux facteurs responsables de l’évolution de l’énergie disponible pour le climat, cause de changements climatiques (III) , – l’exemple  des climats passés (IV),  – l’impact de l’homme et de sa consommation d’énergie sur l’évolution récente du climat (V),  et sur l‘évolution future du climat (VI).

Le climat est le principal acteur qui détermine la chaleur et l’eau nécessaire à la vie, permettant à la flore et la faune de coloniser diverses régions du globe. Il conditionne actuellement les différentes ressources agricoles qui assurent principalement la nutrition de l’humanité. Une évolution de l’ensemble des climats sur Terre, c’est-à-dire une évolution à l’échelle de la planète des climats actuels, se répercute donc non seulement sur la vie qui peuple notre planète, mais également, de manière plus prosaïque, sur la ressource alimentaire mondiale. Ces perspectives soulignent l’intérêt de bien cerner les causes et les impacts d’un changement climatique.

L’évolution du climat est actuellement un sujet de préoccupation qui se décline à l’échelle mondiale, qu’il se rapporte à l’évolution récente observée, ou à l’évolution à venir envisagée.  Les questionnements qui s’y rapportent sont multiples : Un réchauffement récent est-il réellement en cours ? Dans ce cas, pourquoi ? Comment le climat futur évoluera-t-il ? Quels sont les ordres de grandeur des changements climatiques observés par le passé sur les dernières décennies ? Les derniers siècles/millénaires ? Les derniers millions d’années ? Comment les évolutions climatiques futures, en large partie attribuées à l’activité anthropique, se situent-elles dans le grand schéma de l’évolution naturelle du climat ? Car une chose est sûre, le climat a toujours évolué et évoluera toujours… Alors pourquoi les scientifiques poussent-ils un cri d’alarme ? C’est au travers d’un ensemble de plusieurs textes, dont voici le premier, que seront cernées les réponses apportées à ces questions.

Quelle est la place de l’énergie dans le fonctionnement du climat ?

L’ensemble des climats qui s’établissent est déterminé principalement par l’énergie qui est disponible à la surface de la planète. Ce facteur clé, le flux d’énergie qui alimente la surface terrestre, varie en fonction des latitudes mais aussi à différentes échelles de temps, allant de l’année à la dizaine de millions d’années, entraînant sa cohorte de changements climatiques. C’est dans cette optique que sera abordée la relation climat-énergie : en regardant ce que représente ce flux d’énergie, et comment il peut se modifier. Cette approche permettra de situer l’évolution en cours du climat par rapport aux grands (et petits) changements climatiques que l’histoire passée du climat nous a révélés. Elle permettra également de se projeter dans l’avenir.

 

1. Le climat : par quels paramètres le caractériser ?

Fig. 1 : Carte de répartition des différents climats définis selon la classification de Köpen-Geiger. - Source : M. Kottek et al. (2006). Reproduced by permission of F. Rubel/Institute for Veterinary Public Health, Vienna, Austria, in « Climats - Passé, présent, futur », M-A. Mélières et C. Maréchal, Ed.Belin 2015. http://koeppen-geiger.vu-wien.ac.at/present.htm

De l’équateur aux pôles, les grandes zones climatiques qui règnent sur Terre sont multiples et variées, se répartissant entre des climats chauds et froids, secs et humides (Figure 1). Comment caractériser l’ensemble de cette multitude de climats en la ramenant à un climat moyen caractéristique de l’ensemble de la planète ? Les températures s’échelonnent en effet de l’ordre de  -80°C dans les zones polaires à la soixantaine de degrés dans les déserts chauds. Les pluies, quant à elles, peuvent atteindre près de 20 mètres de hauteur d’eau cumulée en un an dans certaines régions, tandis que d’autres ne voient pas une seule goutte d’eau pendant plusieurs années. De plus, en un même lieu, la température et les pluies peuvent varier fortement selon la saison. Il y a ainsi une variété spatiale et temporelle extrêmement grande et le concept de climat défini à l’échelle mondiale (global en anglais) n’est pas intuitif. Ce concept entraine la notion d’une température moyenne sur la surface de la planète ainsi qu’un volume (ou hauteur) de précipitation moyenne annuelle. Il est particulièrement important pour caractériser l’évolution du climat en fonction du temps, sur l’ensemble du globe, telle que nous la mesurons sur les dernières décennies ou telle que nous la reconstituons sur de plus longues échelles de temps dans le passé.  Il sera abordé par le rôle que joue l’énergie.  Partant d’un climat régional, l’analyse convergera vers la notion de climat global.

Adoptant une démarche simplificatrice, le climat d’une région peut être caractérisé  par trois variables :

– la température, exprimée en degrés,

– les précipitations (pluie et neige), exprimées en volume (ou hauteur) d’eau,

– les vents, exprimés par leur vitesse et leur direction.

Ces trois grandeurs peuvent être estimées par leur moyenne sur différentes durées, pouvant allant de la journée … à plusieurs millénaires ! Les moyennes saisonnières ou annuelles fluctuent légèrement d’une année à l’autre et c’est leur moyenne sur une trentaine d’années qui est choisie en général pour représenter le climat existant. Le climat global sur Terre résulte de l’ensemble des climats existants, région par région.

 

2. L’énergie nécessaire au fonctionnement de la machine climatique

Maintenir stable le climat sur Terre, c’est-à-dire maintenir constante au cours des années la moyenne de chacune de ces trois variables nécessite de disposer d’un flux d’énergie constant à la surface de la Terre. Quelle est la valeur de ce flux et quelle en est sa source ? C’est sur ces deux questions que doit maintenant se fixer l’attention. Pour illustrer les réponses, on peut prendre comme exemple le climat actuel dont les caractéristiques chiffrées sont présentées dans l’Intergouvernemental Panel on Climate change publié en  2014[1].

2.1. Température

Fig. 2 : Répartition de la température annuelle à la surface de la Terre, moyennée sur la période 1961-1990. Cette carte a été obtenue en combinant les données continentales (Mark et al. 2000) avec les données maritimes (Reynolds et al. 2002) et les données de la réanalyse 2.5°CNCEP/NCAR version1 (Kalnay et al. 1996). - Source : Image created by Robert A. Rohde/Global Warming Art/CC-BY-SA-3.0/GFDL. L’évolution mois par mois de la température de surface de l’air, moyennée sur la période 1959-1997, est présentée sur le site http://geog.uoregon.edu/envchange/clim_animations/flash/tmp2m.html

La carte présentée (Figure 2) montre la répartition de la température de surface moyennée sur l’année: globalement plus élevée dans les régions équatoriales où le flux solaire est élevé, elle décroît vers les régions polaires qui, en plein hiver, ne sont pas éclairées. Pour chaque région de la planète maintenir la moyenne annuelle de la température de surface nécessite constamment un certain flux d’énergie, sinon cette surface va se refroidir inexorablement. En effet, une surface, dont la température est T, rayonne de l’énergie. Ce rayonnement thermique est fixé par T. Puisqu’il est émis par la surface, celle-ci perd constamment de l’énergie (Encadré 1 relatif aux lois physiques du rayonnement thermique).


Encadré 1 : Le rayonnement thermique

Fig. 3 : Flux d’énergie rayonné par le corps noir en fonction de la longueur d’onde, à différentes températures, de 213 K (-60°C) à 333 K (+60°C). Le domaine spectral d’émission s’étend dans la région infrarouge (3-100 μm). Lorsque la température augmente, le maximum d’émission augmente en intensité et se décale vers les courtes longueurs d’onde.

Une surface à une température T rayonne un flux d’énergie (flux radiatif) sous forme de rayonnement électromagnétique, encore appelé rayonnement thermique. Aux températures rencontrées à la surface de la Terre, ce rayonnement se trouve dans le domaine de l’infrarouge, et n’est donc pas perceptible par l’œil humain. C’est ce rayonnement qui, émis par un feu de bois, nous réchauffe : notre face devient brûlante lorsque nous regardons le feu car elle reçoit ce rayonnement mais notre dos, qui ne le reçoit pas, ne ressent aucune chaleur et reste… bien frais ! L’énergie rayonnée par 1 mètre carré de la surface terrestre à la température T est très proche de celle du « corps noir », un corps théorique qui, par définition, absorbe tous les rayonnements qu’il reçoit quelle que soit leur longueur d’onde. Le flux d’énergie rayonné, E (exprimé en Watt par mètre carré, W.m-2), est donné par la loi : E=σ.T4 où σ est une constante (5,67.10-8W.m-2.K-4), et T la température absolue de la surface, exprimée en degré Kelvin (K) soit la température en degré Celsius (°C) à laquelle on ajoute 273,15 degrés) (loi de Stefan). Ainsi, par exemple, une surface à +15°C rayonne 390 W.m-2. Le domaine de longueur d’onde, λ, dans lequel ce rayonnement est émis, est fixé par la température T (loi de Wien). Un exemple du flux d’énergie émis en fonction de λ, E(λ), est donné (Figure 3) pour des températures allant de -60°C à +60°C, qui sont les températures régnant en général à la surface de la Terre (océan/continent) et dans l’atmosphère. Ce flux se situe dans l’infrarouge, non détectable par l’œil, entre 3 et 100 micromètres (mm). La valeur totale du flux émis (c’est-à-dire incluant l’ensemble des longueurs d’ondes émises) est donnée par l’expression σ.T4 mentionnée ci-dessus : cette valeur correspond à la surface sous la courbe E(λ).

 


La surface terrestre, en première approximation, rayonne comme un corps noir et les lois énoncées ci-dessus peuvent dont être utilisées pour une approche didactique du bilan d’énergie. Les mesures montrent que l’ensemble de la surface de la Terre (océans et continents) rayonne vers l’atmosphère un flux radiatif, dans l’infrarouge, dont la valeur, moyennée sur l’année et ramené à un mètre carré, a été estimée dans le Rapport IPCC 2007 à 390 W.m-2. Cette valeur correspond au flux que rayonnerait une surface à la température de +15°C.  À cette dernière température est associé le concept de température globale de la surface de la Terre : cette température est définie à partir du flux d’énergie nécessaire pour maintenir l’ensemble des températures existantes à la surface de la Terre. Les évaluations récentes montrent que ce flux radiatif moyen émis par l’ensemble de la surface est actuellement estimé à 398 W.m-2. Cette valeur est présentée dans le bilan d’énergie global publié par IPCC[2] où les différents flux ont été ajustés, compte tenu des incertitudes, pour que ce bilan soit équilibré. Suite aux incertitudes cette valeur est comprise entre 394 W.m-2 et 400 W.m-2. Un flux rayonné de 398 W.m-2 correspond à ce que perdrait une surface à une température de ~ ≈ +16°C : cette dernière valeur représente l’estimation de la température globale moyenne actuelle de la surface de la planète. Pour que la température de surface reste constante en moyenne annuelle, il faut donc que le poste « température » puisse être approvisionné sur une année par un flux d’énergie qui, moyenné sur l’ensemble de la planète, est de 398 W.m-2.

2.2. Pluies et chutes de neige

Fig. 4 : Moyenne annuelle des précipitations observées (en cm), d’après le CMAP (Climate Prediction Centre Merged Analysis of Precipitation). Cette moyenne est basée sur la climatologie correspondant à la période 1980-1999. Il n’existe pas de données disponibles dans les régions en grisé. - Source : IPCC 2007. Climate Change 2007 : The Physical Science Basis. Working Group I Contribution to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Fig. 8.5. Cambridge University Press.L’évolution mois par mois des précipitations, moyennées sur la période 1959-1997, est présentée sur le site http://geog.uoregon.edu/envchange/clim_animations/flash/prate.html

Les précipitations (nom donné aux pluies et aux chutes de neige qui tombent sur la surface de la Terre) varient très fortement d’un lieu à l’autre de la planète. Elles sont déterminées par le cycle de l’eau qui répond à la fois aux variations de la température et aux variations de la circulation atmosphérique. En un lieu, ces précipitations sont caractérisées à l’échelle d’une année par la hauteur d’eau totale reçue. La Figure 4 montre la répartition de cette moyenne annuelle à la surface de la Terre. Moyennée sur l’ensemble de la surface terrestre, l’eau reçue en une année représente une lame d’eau d’une hauteur de l’ordre du mètre, soit un volume de 1 mètre cube d’eau par mètre carré de surface. Ce volume a été évaporé de la surface terrestre au cours du cycle de l’eau, puis s’est condensé dans l’atmosphère, formant ainsi les nuages dont l’eau, que ce soit sous forme de pluie ou de neige, retombe finalement sur Terre. Une telle évaporation nécessite de l’énergie qui est fournie par la surface et transférée à l’atmosphère sous forme de chaleur latente. La surface terrestre perd ainsi en un an en moyenne 84 W/m2 pour assurer l’évaporation de cette lame d’eau, ce qui représente le flux d’énergie nécessaire pour évaporer en un an un mètre cube d’eau[3]. Pour maintenir le poste « évaporation », il faut donc fournir à la surface terrestre en permanence un flux qui, moyenné sur l’ensemble de la planète, est de 84 W/m2.

2.3. Vents

Fig. 5 : Répartition moyenne des vents à l’altitude 1500 m au dessus du niveau de la mer (850 hPa) d’après la reconstitution d l’ « European Centre for Medium-Range Weather Forecasts ». Haut : moyenne sur décembre, janvier, février. Bas : moyenne sur juin, juillet, août. - Source : Reproduced by permission of ECMWF in « Climats - Passé, présent, futur », M-A. Mélières et C. Maréchal, Ed. Belin 2015.

Enfin, le dernier acteur du climat : le vent. La surface terrestre, qui est en moyenne plus chaude que l’atmosphère, perd de l’énergie en chauffant par conduction les masses d’air qui se trouvent à son contact. Les masses d’air ainsi chauffées deviennent plus légères et s’élèvent, entrainant les vents ascendants. Ces vents alimentent la circulation atmosphérique générale dont les vents horizontaux varient fortement en fonction des latitudes (Figure 5). Moyennée sur la surface de la planète et sur l’année, le flux d’énergie perdu par la surface pour maintenir les vents ascendants est de 20 W/m2 selon l’IPCC[4]. L’énergie est transférée de la surface à l’atmosphère sous forme de chaleur sensible. Pour maintenir le poste « vent », il faut donc fournir à la surface terrestre en permanence un flux qui, moyenné sur l’ensemble de la planète est de 20 W.m-2.

Le rôle joué par les trois postes d’énergie (température, précipitation, vent) dans l’équilibre énergétique gouvernant le climat peuvent être illustrés au travers de l’image de l’équilibre thermique du bol de soupe présenté  dans l’Encadré 2, paragraphe 5.

2.4. En résumé

Fig. 6 : Coût énergétique des trois postes du climat. Le maintien du climat moyen actuel nécessite de disposer en permanence de 502 W.m-2 en moyenne à la surface de la Terre. Ce flux d’énergie est utilisé pour (i) le maintien de la température moyenne de surface (+ 16 °C), (ii) le maintien du cycle de l’eau (évaporation d’un mètre d’eau par an), et (iii) le chauffage des masses d’air par conduction à partir de la surface, responsable des mouvements ascendants de l’air (vents). - Source : « Climats - Passé, présent, futur », M-A. Mélières et C. Maréchal, Ed. Belin 2015 ; modifié.

La somme de ces trois flux d’énergie représente 502 W.m-2(Figure 6). Ainsi, maintenir un climat tel que celui qui règne actuellement à la surface de la Terre (i.e. maintenir la moyenne annuelle de la température, des hauteurs de précipitations annuelles et des vitesses des vents, constante) nécessite d’alimenter en permanence la surface terrestre par un flux d’énergie qui, moyenné sur la surface de la Terre, est de 502 W.m-2. Ceci signifie, concrètement, que le flux d’énergie consommé par seconde par la surface terrestre pour maintenir le climat actuel est de :

(502 W.m-2) x (surface de la Terre en m2) soit 2,57.1017 Watt

D’où provient ce flux d’énergie moyen de 502 W.m-2 qui alimente en permanence le climat ? La réponse à cette question est donnée plus loin.

 

3. La température, variable énergétique

L’approche ci-dessus permet de souligner l’importance physique fondamentale du paramètre température.

Dans les trois postes précédemment décrits qui caractérisent le flux d’énergie nécessaire au fonctionnement du climat sur Terre, une variable tient un rôle clé : la température. En effet, les deux autres postes (évaporation et chauffage des masses d’air) en dépendent fortement.

•  l’évaporation, qui gouverne la quantité de vapeur d’eau évaporée injectée dans l’atmosphère, et qui fixe aussi la quantité d’eau retombant sur la surface terrestre lors du cycle de l’eau, est dépendante de la température de la surface. La relation n’est pas simple mais, plus cette dernière est élevée, plus, en moyenne, la quantité de vapeur d’eau présente dans l’atmosphère est élevée.

• De même, le flux d’énergie communiqué aux basses couches de l’atmosphère par conduction/convection, mécanisme responsable des vents ascendants, est également dépendant de la température de la surface. Plus celle-ci est élevée, plus les masses d’air sont chauffées : plus le flux d’énergie sensible communiqué à l’atmosphère et perdu par la surface est important.

Il en résulte que, de fait, en première approximation, la température de surface est la principale variable qui conditionne l’énergie disponible à la machine climatique. Sa valeur finale résulte de l’équilibre entre le flux d’énergie absorbée et le flux d’énergie émis par la surface, c’est-à-dire de l’équilibre du bilan énergétique à cette surface.

Le bilan énergétique à la surface de la planète n’est qu’une étape d’un bilan plus vaste entre le flux d’énergie absorbé par la planète (flux absorbé) et le flux d’énergie émis par cette dernière vers l’espace (flux perdu). Ce dernier bilan implique le transfert d’énergie surface/atmosphère/espace et son équilibre conduit, in fine, à fixer l’énergie disponible qui alimente le climat sur Terre. Ce point, essentiel pour comprendre quels paramètres influent sur le climat moyen de la planète, est développé dans un prochain article. Avant d’aborder ce bilan d’énergie, se posent les questions suivantes : d’où vient l’énergie qui alimente la surface de la planète ?  Quelles sont les composantes de l’équilibre énergétique qui conduit à la température moyenne de surface T ?

 

4. Le pourvoyeur d’énergie : le Soleil

Fig. 7 : Le flux d’énergie solaire arrivant sur Terre est près de 10 000 fois supérieur au flux géothermique (flux de chaleur provenant de l’intérieur de la planète). Alors que le flux d’énergie solaire est d’en moyenne 340 W.m-2, le flux géothermique est de l’ordre de 50 mW.m-2 sous les océans et de 10 mW.m-2 sous les continents.

Deux sources d’énergie alimentent principalement la surface de la Terre : le rayonnement solaire et le flux géothermique qui provient de l’intérieur de la Terre. Ce dernier résulte du refroidissement progressif de la planète ainsi que de l’énergie radioactive émise par la croûte continentale. Bien que le flux géothermique soit particulièrement important dans les régions volcaniques, on trouve qu’il est ~ ≈ 10 000 fois inférieur au flux d’énergie solaire reçu par la Terre lorsqu’on le moyenne sur la surface de la Terre : il est de l’ordre de 0,05 W.m-2sous les océans et de 0,01 W/m2 sous les continents, alors que le flux solaire moyen reçu est de 340 W.m-2 (Figure 7). Quant à l’énergie qui vient du reste de l’univers (rayonnement cosmique, lumière des étoiles…), elle est de l’ordre du millionième de l’énergie solaire. C’est donc le flux solaire qui est à l’origine des grandes lignes de notre climat.

Fig. 8 : Le flux solaire incident arrivant à l’extérieur de la Terre, sur une surface perpendiculaire à ce flux, est de 1361 W.m2. L’énergie interceptée par la sphère terrestre est celle captée par un disque de surface πR2. Cette énergie est répartie sur l’ensemble de la surface terrestre de surface 4πR2, une surface 4 fois plus grande que la surface de réception : le flux moyen disponible par mètre carré sur la surface de la planète est quatre fois plus faible, soit 340 W.m-2.

Pourquoi 340 W/m? Le flux solaire moyen incident qui arrive à l’extérieur de l’atmosphère sur une surface orientée perpendiculairement aux rayons solaires est actuellement évalué à 1361 W.m-2avec une précision de 1 W.m-2 (IPCC 2014). Il se répartit sur façon inhomogène sur la sphère terrestre car sa valeur diminue plus les rayons solaires sont inclinés par rapport à la surface, et donc diminue de l’équateur aux pôles. Ce flux, ramené à sa valeur moyenne par mètre carré reçu sur l’ensemble de la surface de la Terre, vaut le quart de 1361 W.m-2 soit 340 W.m-2 (voir légende Figure 8). Une partie de ce flux étant réfléchie par l’atmosphère et la surface de la Terre (les continents et les océans), seuls 240 W.m-2 sont absorbés.

Fig. 9 : Flux du rayonnement solaire incident en fonction de la longueur d’onde, reçu au sommet de l’atmosphère puis au niveau de l’océan, exprimé en W.m-2.nm-1 (traits noir). L’écart entre ces deux courbes est dû à la réflexion du rayonnement solaire par l’atmosphère (principalement due la diffusion par l’air et à la réflexion par les nuages) et à l’absorption par certains composés. L’atmosphère laisse passer la plus grande partie de ce rayonnement qui est centré sur 0,5 μm. Seuls la vapeur d’eau (bleu) et l’ozone (vert) l’absorbent de façon non négligeable. En pointillé est indiqué le flux rayonné par le corps noir à la température de 5900 K, une température proche de celle de la surface du Soleil.

De quoi ce flux d’énergie solaire est-il constitué ? D’un rayonnement électromagnétique dont l’œil détecte la partie visible (41 % de l’énergie solaire, entre 0,4 µm et 0,7 µm) mais qui, pour plus de la moitié, est constitué par un rayonnement que l’œil humain ne peut déceler (8 % de l’énergie solaire est émise dans l’ultraviolet, entre 0,2 et 0,4 µm, et 51 % dans le proche infrarouge, de 0,7 à 3,0 µm) (Figure 9). Ce flux correspond au rayonnement thermique émis par la surface du Soleil, atténué par la distance Terre – Soleil.

Comment, disposant d’un flux d’énergie incident qui, moyenné à l’extérieur de l’atmosphère sur la surface de la Terre est de de 340 W.m-2, arrive-t-on à obtenir au niveau de la surface continents-océans un flux moyen incident de 502 W.m-2 ? C’est une histoire compliquée dans laquelle plusieurs mécanismes interviennent et où l’un d’entre eux, l’effet de serre, l’emporte sur les autres. Sont dressées ci-dessous les différentes étapes qualitatives du raisonnement qui conduit à la température d’équilibre à la surface de la Terre. Les mécanismes intervenant seront détaillés dans un article suivant.

 

5. Un aperçu de l’équilibre énergétique à la surface de la Terre

En trois étapes successives va être évoqué ce que serait la température moyenne d’une Terre hypothétique, en partant de conditions très simplifiées. Seront ensuite ajoutées des conditions supplémentaires pour converger vers la situation réelle. L’hypothèse de départ, essentielle, est que cette Terre n’a pas de source d’énergie propre et que le chauffage de sa surface est assuré par l’énergie solaire qu’elle reçoit. Les cas décrits ci-dessous s’appuieront toujours sur les valeurs des paramètres publiés dans IPCC 2014 :

– le flux solaire reçu à l’extérieur de l’atmosphère et moyenné sur toute la surface de la planète est de 340 W.m-2,

– une partie de ce flux, 100 W.m-2, est réfléchie par la planète ; le reste, 240 W.m-2, est absorbé par la planète.

On notera que le raisonnement simplifié ci-dessous, qui permet de calculer la température moyenne de la planète à partir du flux d’énergie moyen disponible, comporte une approximation où la valeur moyenne de (T4) est assimilée à la valeur de la température moyenne à la puissance 4, (Tmoyen)4. Cette simplification est d’ordre didactique. Elle n’est bien sûr pas faite dans les modèles climatiques.

5.1. Cas 1 : une Terre sans atmosphère, totalement absorbante

Fig. 10 : Equilibre énergétique à la surface de la Terre dans le Cas 1. La Terre n’a pas d’atmosphère et absorbe totalement le flux solaire incident. A l’équilibre, le flux d’énergie rayonné par la surface est égal au flux absorbé (340 W.m-2) et la température moyenne de la surface est de +5°C. Le rayonnement solaire (0,2-3 μm) est représenté en jaune, le rayonnement tellurique (3-70 μm), en rouge. - Source : « Climats - Passé, présent, futur », M-A. Mélières et C. Maréchal, Ed. Belin 2015 ; modifié.

Tout d’abord deux simplifications, de taille certes, mais qui permettent d’asseoir le point de départ de l’équilibre énergétique : (1) la planète n’a pas d’atmosphère ; (2) aucun rayon solaire incident n’est réfléchi par la Terre, c’est-à-dire que le rayonnement solaire incident est entièrement absorbé par la surface et sert donc intégralement à la chauffer (Figure 10). On raisonne dans ce cas sur l’équilibre des flux d’énergie moyennés sur la surface (flux exprimés donc par mètre carré), équilibre qui sera transposé en équilibre de la température moyenne globale, T.

La surface, chauffée par le flux solaire, rayonne de l’énergie vers l’espace, en émettant un rayonnement thermique infrarouge, que nous appellerons rayonnement thermique terrestre. Son flux d’énergie, Et, est relié à la température de la surface, T, (Et  = σ.T4, voir Encadré 1). Plus la température est élevée, plus le flux d’énergie émis est élevé. L’équilibre est atteint lorsque le flux d’énergie rayonné par la surface devient égal au flux absorbé ; la température est alors stabilisée. La température moyenne globale de la surface augmente donc jusqu’à ce que le rayonnement tellurique émis atteigne 340 W.m-2. À cette valeur correspond une température T proche de 278 K (soit +5°C). Rappelons qu’à cette température le rayonnement thermique est dans le domaine de l’infrarouge, invisible à l’œil humain (Figure 3). Ce premier cas conduit donc à une température d’équilibre de la surface fixée directement par le flux solaire incident.

5.2. Cas 2 : une Terre sans atmosphère, en partie réfléchissante

Fig. 11 : Equilibre énergétique à la surface de la Terre dans le Cas 2. La Terre n’a pas d’atmosphère et n’absorbe qu’une partie du flux solaire reçu (240 W.m-2), le reste étant réfléchi. La température d’équilibre est de -18°C. Le rayonnement solaire (0,2-3 μm) est représenté en jaune, le rayonnement tellurique (3-70 μm) en rouge. - Source : « Climats - Passé, présent, futur », M-A Mélières et C. Maréchal, Ed. Belin 2015 ; modifié.

En compliquant un peu : la planète n’a toujours pas d’atmosphère mais sa surface absorbe maintenant seulement une partie du rayonnement solaire reçu, W.m-2, le reste, 100W.m-2, étant réfléchi par la surface de la planète (continents et océans) (Figure 11). La surface se met donc à une température d’équilibre en émettant un rayonnement thermique moyen de 240W.m-2. Comme précédemment, les lois du rayonnement thermique nous permettent de calculer cette température, qui est alors de 255 K (soit -18°C), À cette température, le rayonnement thermique émis vers l’espace est dans le domaine de l’infrarouge.

5.3. Cas 3 : une Terre avec atmosphère

La planète possède maintenant une atmosphère et absorbe une partie du rayonnement solaire incident, 240 W.m-2, le reste, 100 W.m-2, est renvoyé dans l’espace par l’atmosphère (air, nuages, aérosols), et par la surface (continents et océans).

Fig. 12 : Equilibre énergétique à la surface de la Terre dans le Cas 3. La Terre possède une atmosphère et n’absorbe qu’une partie du flux solaire reçu, soit 240 W.m-2. Comme dans le Cas 2, la Terre atteint un équilibre où elle rayonne vers l’espace un flux de 240 W.m-2, sous forme de rayonnement infrarouge ; la température d’équilibre de la planète correspond à -18°C. Le transfert des différentes d’énergies (radiative, latente et sensible) à travers l’atmosphère aboutit à un équilibre où la surface de la Terre absorbe un flux total de 502 W.m-2 et perd la même quantité sous forme de flux de différentes natures. Parmi ces flux, le flux radiatif qui est fixé par la température d’équilibre de la surface, est de 398 W.m-2, correspondant à une température de +16°C. Le rayonnement solaire (0,2-3 µm) est représenté en jaune, le rayonnement tellurique (3-70 µm) en rouge. - Source : « Climats - Passé, présent, futur », M-A. Mélières et C. Maréchal, Ed. Belin 2015 ; modifié.

L’absorption du rayonnement solaire a lieu en partie par l’atmosphère, et en partie par la surface terrestre. Ainsi la planète (atmosphère/océans/continents), chauffée par un flux moyen de 240 W.m-2 (Figure 12), atteint l’équilibre lorsqu’elle émet un rayonnement thermique moyen de 240 W.m-2, ce qui correspond à l’émission d’une surface à la température de -18°C. Le flux moyen d’énergie rayonnée par l’ensemble de la planète est caractérisé par cette température et peut être appelé température externe : elle est associée au flux du rayonnement thermique moyen qui quitte la surface terrestre (dans l’infrarouge), flux que peut observer un satellite positionné à l’extérieur de l’atmosphère.

Mais qu’en est-il à la surface de la planète, sous la couche d’atmosphère ?

La traversée de cette atmosphère conjointement par le rayonnement solaire incident et par le rayonnement thermique émis par la surface continents/océans va entraîner une redistribution de l’énergie selon trois types de transfert d’énergie :

• un transfert d’énergie radiative, lié des ondes électromagnétiques, assuré d’une part par le rayonnement solaire (dans les longueurs d’onde de 0.2 mm  à 3 mm), d’autre part par le rayonnement thermique terrestre(dans l’infrarouge proche, entre 3 mm  et 100 mm) émis à la fois par la surface et par l’atmosphère ;

• un transfert d’énergie sous forme de chaleur latente, lié à la matière et assuré par le changement d’état de l’eau (glace /liquide /vapeur) lors de ses allers/retours entre la surface de la Terre (continents, océans) et l’atmosphère ;

• un transfert d’énergie sous forme de chaleur sensible, également lié à la matière, mais assuré cette fois-ci par le chauffage des masses d’air en contact avec la surface.

Fig. 13 : Bilan énergétique global à la surface de la Terre (continents, océans, atmosphère) dans les conditions climatiques actuelles. Le flux solaire incident absorbé par la planète est quasiment équilibrée par le flux infrarouge émis par la planète. Par simplification graphique, la réflexion du rayonnement solaire, qui se fait à la fois lors de la traversée de l’atmosphère et au niveau de la surface, a été tracée au-dessus de l’atmosphère. Dans les cases bleu foncé, les valeurs proviennent du bilan d’énergie publié dans le rapport IPCC 2014. Dans les cases bleu clair, les valeurs ont été estimées par Mélières et Maréchal à partir du flux tellurique directement transmis au travers de l’atmosphère (terme L,20 W.m-2, Costa & Shine 2012). Le bilan n’est actuellement pas équilibré car l’océan accumule près d’1 W.m2, un flux qui ne contribue pas au réchauffement de la surface mais pénètre dans les profondeurs des masses d’eau. - Source : « Climats - Passé, présents, futur », M-A Mélières et C. Maréchal, Ed.

Cette redistribution aboutit au final à ce que la surface de la Terre (continents et océans) dispose en permanence de l’arrivée d’un flux d’énergie qui moyenné sur la surface est de 502 W/m2 (IPCC 2014). C’est cette quantité qui fixe le flux d’énergie dont dispose le climat moyen ; ce flux est employé en permanence à maintenir le climat sur Terre. La composition de ce flux est schématisée Figure 13. Ce flux se répartit entre un flux radiatif de 398 W.m-2qui correspond à une température d’équilibre de la surface de +16°C, un flux de chaleur latente de 84 W.m-2, et un flux de chaleur sensible de 20 W.m-2(IPCC 2014).

Le Cas 3 représente la réalité et fait intervenir l’ensemble des mécanismes impliqués dans l’équilibre climatique sur Terre. Il est illustré par l’analogie du bol de soupe (Encadré 2).

Ce Cas 3 souligne aussi l’importance du rôle de l’atmosphère: grâce aux mécanismes qui s’y déroulent en son sein, le flux d’énergie solaire absorbé par la planète (qui, une fois moyenné sur toute la surface, est de 240 W.m-2) est amplifié au niveau de la surface où il atteint 502 W.m-2, augmentant ainsi de plusieurs dizaines de degrés la température moyenne de surface. Le processus principal responsable de cette amplification d’énergie à la surface est l’effet de serre : son importance, en particulier à l’heure actuelle où l’activité humaine le renforce, conduira à approfondir ce mécanisme dans l’article suivant.

 


Encadré 2  – L’équilibre thermique : l’image du bol de soupe

Par analogie, on peut illustrer  les différents mécanismes par lesquels la surface de la Terre échange de l’énergie avec l’atmosphère et l’espace interplanétaire à partir de l’exemple d’un bol de soupe. Le bol de soupe est chaud (+50°C). Sa température est nettement supérieure à la température ambiante de la pièce (+25°C). Disposant de plus d’énergie que ce qui l’entoure (puisqu’il est plus chaud), il communique progressivement le surplus de son énergie à son entourage…et se refroidit. Pour cela, il dispose de trois mécanismes :

1. Conduction et convection –  La soupe exporte de la chaleur en chauffant la matière qui l’entoure : ainsi l’air, qui s’est chauffé au contact de sa surface, s’élève dans la pièce et est remplacé par de l’air plus froid. Il y a convection de l’air au-dessus de la soupe chaude, celle-ci ayant transmis une part de son énergie sous forme d’énergie « sensible ». Cette appellation résulte du fait que le transfert d’énergie qui a entraîné une modification de la masse d’air (celle-ci s’est réchauffée) est détectable par nos sens.

Analogie avec la planète Terre – Le même mécanisme entraîne le transfert de chaleur par conduction/convection entre la surface et les masses d’air. La surface terrestre, en moyenne plus chaude que l’atmosphère, perd de la chaleur par conduction en chauffant les basses couches de l’atmosphère. La chaleur est ensuite communiquée par convection aux différentes masses d’air. Ce mécanisme refroidit la surface des sols et des océans en transférant une partie de leur énergie vers l’atmosphère. Moyenné sur l’année et sur toute la surface de la Terre, le réchauffement des masses d’air représente un flux d’énergie vers l’atmosphère de 20 W.m-2 (IPCC 2014, valeur comprise 15 W/m2 et 25 W/m2 suite aux incertitudes), c’est-à-dire une perte d’énergie de la surface terrestre de 20 W/m2. Dans le Cas 3 du § 4.2, ceci correspond au « transfert d’énergie sensible ».

2. Évaporation – L’eau de la soupe s’évapore, passant de l’état liquide à l’état vapeur. L’évaporation nécessite de l’énergie afin de casser les liaisons qui maintiennent les molécules proches les unes des autres dans la phase compacte du liquide. Cette énergie est prise au liquide, qui se refroidit. Cela se matérialise visuellement par la fumée blanchâtre qui s’élève au-dessus du bol et donne le signal d’alarme que l’on peut se brûler en buvant la soupe. Mais, pourquoi, alors que ces molécules d’eau se sont échappées sous forme de gaz (le phénomène est invisible), voit-on ce panache blanchâtre s’élever ? C’est simple : la température de l’air est plus basse que celle du bol, et à cette température-là, l’air devient saturé en vapeur d’eau; la vapeur d’eau redevient rapidement liquide se condensant sous forme de gouttelettes très fines, tout comme un nuage qui se forme.

La chaleur transférée lors de l’évaporation à la phase d’eau gazeuse est appelée chaleur latente, car l’énergie gagnée par cette phase gazeuse n’est pas décelable par nos sens ; elle réside dans cette masse de gaz de façon cachée, prête à se révéler à nos sens lorsque la condensation prendra place, la libérant ainsi sous forme de chaleur.

Analogie avec la planète Terre – Le même mécanisme a lieu à la surface de la Terre (sols et continents) où un flux incessant de molécules d’eau sous forme de vapeur d’eau quitte la surface terrestre. C’est l’évaporation de l’eau liquide présente dans les sols, la végétation et les océans, qui est le premier maillon du cycle de l’eau. Cette évaporation, une fois moyennée sur toute la surface de la Terre et sur l’année, correspond à l’évaporation d’une lame d’eau de l’ordre d’un mètre de hauteur. Elle contribue à refroidir la surface de la Terre, emportant vers l’atmosphère une énergie de 84 W.m-2(IPCC 2014, valeur comprise 70 et 85 W.m-2 suite aux incertitudes). L’air chargé de vapeur d’eau, transparente, donc invisible, s’élève et se retrouve progressivement dans des zones plus froides de l’atmosphère. Là, l’eau vapeur condense et donne naissance aux nuages. Lors de la condensation, de l’énergie est libérée dans l’atmosphère qui se réchauffe : pourquoi ? Les molécules, en repassant en phase liquide, libèrent une quantité d’énergie équivalente à l’énergie de liaison du liquide. Dans le Cas 3 du § 4.2, ceci correspond au « transfert d’énergie latente ».

3. Rayonnement – Enfin le bol rayonne de la chaleur, tout comme un radiateur électrique, ou comme les charbons de bois d’un feu. À +50°C, le rayonnement thermique est émis est dans la région infrarouge centré sur ~10 µm. Cette température ne détermine pas seulement la plage de longueur d’onde du rayonnement émis mais aussi son flux d’énergie : ce rayonnement s’échappe continuellement du bol emportant avec lui un flux d’énergie qui, à +50°C, est de 617 W/m2. Bien sûr, le bol reçoit aussi un rayonnement thermique de tout ce qui l’entoure (la table, l’air, les murs, les habits du buveur de soupe, etc.). Mais, comme ces derniers sont plus froids que le bol, le flux d’énergie reçu est plus faible que le flux émis par le bol. Le bol perd de l’énergie par rayonnement et par conséquent se refroidit.

Analogie avec la planète Terre – De la même manière, la surface de la planète, qui est à une température moyenne de +16°C (289K) se refroidit en émettant vers le ciel un rayonnement infrarouge (dont la plage de longueur d’onde est centrée sur 10 µm), emportant un flux d’énergie de 398 W.m-2(IPCC 2014, valeur comprise entre 394 et 400 W.m-2suite aux incertitudes). Dans le Cas 3 du § 4.2, ceci correspond au « transfert d’énergie radiative ».

4. L’équilibre thermique. Comment le bol de soupe peut-il rester à une température constante ? À condition de recevoir autant d’énergie qu’il en perd. En général, dans une cuisine, ce n’est pas le cas, donc dans la vie quotidienne le bol se refroidit lentement … jusqu’à atteindre la température de la pièce.

Analogie avec la planète Terre – C’est pareil avec la surface de la Terre : la température moyenne de cette surface (océans et des continents) tend à s’équilibrer de façon à ce que le flux d’énergie total qui quitte cette surface, sous ses trois formes (chaleur sensible, chaleur latente, et flux radiatif), égalise celui qui l’approvisionne.

 


6. Conclusion

Toute variation d’une composante du bilan du flux d’énergie à la surface de la Terre entraine une évolution du climat et conduit à un nouvel équilibre climatique. Pour comprendre les changements climatiques, il est donc nécessaire de détailler les termes qui interviennent dans ce bilan de flux d’énergie et d’analyser comment ils évoluent au cours du temps. C’est le but des articles suivants.

 


Notes et références

[1]IPCC 2014, ou IPCC Fifth Report.Le résumé de ce cinquième rapport est publié en français.

[2]IPCC 2014, WG1, Chapitre 2.

[3]  Les 84 W/m2 donnés par l’IPCC 2014, sont une valeur comprise entre 70 W/m2 et 85 W/m2 suite aux incertitudes.

[4]IPCC 2014, valeur comprise entre 15 W/m2 et 25 W/m2 suite aux incertitudes.

 


Bibliographie complémentaire

Cet article s’appuie sur le livre  « Climate Change : Past, Present and Future » by M-A. Mélières et C. Maréchal, Ed. Wiley & Blackwell, 2015 – Traduit en Français : « Climats – Passé, présents, futur », M-A.Mélières et C. Maréchal, Ed. Belin 2015.

IPCC 2007 fait référence au 4ème rapport d’IPCC « IPCC 2007. Climate Change 2007 : The Physical Science Basis.Working Group I Contribution to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press ». IPCC 2014 fait référence au 5ème rapport, (Working group 1). Ces rapports sont disponibles sur le site

http://ipcc.ch/publications_and_data/publications_and_data_reports.shtml (consulté en mars 2017)

Le résumé en français du 5ième  rapport est disponible sur le site

https://www.ipcc.ch/home_languages_main_french.shtml (consulté en mars 2017)

 


L’Encyclopédie de l’Énergie est publiée par l’Association des Encyclopédies de l’Environnement et de l’Énergie (www.a3e.fr), contractuellement liée à l’université Grenoble Alpes et à Grenoble INP, et parrainée par l’Académie des sciences.

Pour citer cet article, merci de mentionner le nom de l’auteur, le titre de l’article et son URL sur le site de l’Encyclopédie de l’Énergie.

Les articles de l’Encyclopédie de l’Énergie sont mis à disposition selon les termes de la licence Creative Commons Attribution – Pas d’Utilisation Commerciale – Pas de Modification 4.0 International.

 


What do you want to do ?

New mail

D'autres articles de la même catégorie :

Toutes les rubriques de ce contenu.
Sommaire