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Le système climatique terrestre et l'effet de serre

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Introduction :

L’effet de serre et celui de l’augmentation des gaz à effet de serre dans l’atmosphère ont un impact sur le système climatique planétaire.
Nous verrons dans une première partie comment fonctionne l’effet de serre et l’impact qu’il a sur la planète. Dans une seconde partie, nous nous intéresserons aux facteurs influant sur l’effet de serre.

Le fonctionnement de l’effet de serre

Le principe de l’effet de serre

La Terre fonctionne comme une serre agricole où l’atmosphère serait le verre qui constitue la serre. Si l’on enregistre les entrées et les sorties d’énergie au niveau de la serre, on voit qu’elles sont égales.

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À retenir

La totalité du rayonnement perçu par la planète est réémis.

Comportement du rayonnement réémis par la planète : albédo Comportement du rayonnement réémis par la planète : albédo

Cependant, l’énorme quantité d’énergie solaire reçue par la Terre risquerait d’empêcher toute vie à sa surface si elle n’était pas réfléchie.

  • La Terre va donc évacuer l’énergie en réfléchissant un rayonnement : c’est l’albédo.
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Définition

Albédo :

Rapport entre l’énergie réfléchie et l’énergie dite incidente, c’est-à-dire reçue par la surface. L’albédo caractérise donc la température d’un corps.

L’albédo est une valeur comprise entre 0 et 1 avec 0 qui correspond à une surface qui absorberait toute l’énergie et 1 qui correspond à une surface qui refléterait toute l’énergie.

Plus l’albédo dans le corps est élevé, plus sa température est faible, et inversement. L’albédo moyen de la Terre aujourd’hui est de 0,3.

Températures théoriques des corps en fonction de leur albédo Températures théoriques des corps en fonction de leur albédo

L’atmosphère laisse passer la lumière visible mais est imperméable à l’entrée et à la sortie des infrarouges.

La lumière est caractérisée par un rayonnement électromagnétique dont les longueurs d’ondes vont de l’infrarouge à l’ultraviolet. Entre ces deux extrêmes, on trouve le spectre visible de la lumière.

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Définition

Rayonnement infrarouge :

Rayonnement électromagnétique dont les longueurs d’ondes sont comprises entre 0,78 et 1 000 micromètres.

Rayonnement électromagnétique de la lumière Rayonnement électromagnétique de la lumière

Les infrarouges bloqués au niveau de l’atmosphère la réchauffent en lui transmettant leur énergie. L’énergie réfléchie sous forme d’infrarouges est réémise de tous les côtés de l’atmosphère.

  • Dans les 100 % de rayonnement infrarouge émis par la Terre, 50 % de l’énergie est émise dans l’espace et 50 % est réémise vers la Terre, et ainsi de suite.

Énergie solaire reçue et émise par la Terre Énergie solaire reçue et émise par la Terre

La Terre reçoit 100 % de l’énergie provenant du rayonnement solaire et 100 % de rayonnements infrarouges.

L’atmosphère « piège » les infrarouges et permet à la Terre de diviser par deux l’énergie qu’elle reçoit.

Grâce à ce phénomène, la planète jouit d’une température clémente de 15 °C et n’est pas une boule de glace !

Le pouvoir « effet de serre » des gaz atmosphériques

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Définition

Gaz à effet de serre :

Gaz capable d’absorber le rayonnement infrarouge terrestre.

Dans l’atmosphère, les gaz atmosphériques sont responsables de l’effet de serre. Cependant, chaque gaz atmosphérique n’absorbe pas les mêmes longueurs d’ondes.

Le rayonnement solaire arrivant sur Terre est de l’ordre de l’ultraviolet et de la lumière visible, c’est-à-dire les longueurs d’ondes qui vont de 0,2 micromètres à 0,78 micromètres.

Le rayonnement terrestre émis est infrarouge : il s’agit de longueurs d’ondes supérieures à 1 micromètre.

Taux d’absorption des infrarouges en fonction des longueurs d’ondes Taux d’absorption des infrarouges en fonction des longueurs d’ondes

Les infrarouges sont absorbés par :

  • la vapeur d’eau (H2O) ;
  • le dioxyde de carbone (CO2) ;
  • l’ozone (O3) ;
  • le méthane (CH4) ;
  • le protoxyde d’azote (N2O).

Les paramètres influant sur l’effet de serre

Les deux paramètres principaux qui influent sur l’effet de serre sont la composition atmosphérique et l’albédo.

La composition de l’atmosphère

Le dioxyde de carbone est un des gaz atmosphériques responsables de l’effet de serre car il absorbe les infrarouges. Les variations de concentration en dioxyde de carbone peuvent être corrélées aux variations de températures.

Concentration atmosphérique en dioxyde de carbone depuis 400 000 ans Concentration atmosphérique en dioxyde de carbone depuis 400 000 ans

Les gaz à effets de serre dans l’atmosphère sont en hausse, d’autant plus que le dioxyde de carbone n’est pas le seul gaz à effet de serre qui augmente. Des gaz comme le méthane (CH4) et le protoxyde d’azote (N2O) sont aussi en forte hausse.

Autres gaz à effets de serre en augmentation dans l’atmosphère Autres gaz à effets de serre en augmentation dans l’atmosphère

L’albédo et ses variations

L’albédo représente la quantité d’énergie qui arrive au sol et qui est absorbée par la planète.

 Effets radiatifs des différents types de nuages Effets radiatifs des différents types de nuages

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À retenir

Les paramètres qui font varier l’albédo sont :

  • la couverture du sol : les sols sombres, recouverts de forêts par exemple, ont un albédo faible alors que des sols couverts de neige ou de glace ont un albédo fort ;
  • la couverture nuageuse : on retrouve différents types de nuages dans l’atmosphère qui ne se comportent pas de la même façon face aux rayonnements.

Il existe différents types de nuages.

  • Des nuages élevés que l’on appelle des cirrus.

Les cirrus ont un albédo très faible ce qui fait qu’une part très importante de l’énergie du flux solaire arrive à la Terre. De plus, ce type de nuages a une faible émissivité des infrarouges. La perte énergétique due à l’albédo est inférieure au gain énergétique dû à l’effet de serre.

  • Le bilan énergétique est donc positif. Cela entraine un effet réchauffant.
  • Des nuages d’altitude moyenne que l’on appelle des cumulus.

Les cumulus ont un fort albédo. Le flux solaire qui atteint la Terre est diminué. Cette perte énergétique n’est pas compensée par l’effet de serre.

  • Le bilan énergétique est négatif et l’effet est refroidissant.
  • Et des nuages bas que l’on nomme des stratus.
  • Les stratus ont un bilan encore plus négatif que les cumulus avec un effet refroidissant.
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Définition

Forçage radiatif :

On parle de forçage radiatif lorsque le bilan énergétique de la Terre subit un changement suite à la modification d’un des paramètres. Ces paramètres peuvent être la composition de l’atmosphère ou la charge nuageuse.

Conclusion :

L’effet de serre est un phénomène complexe qui résulte du fait que la Terre émet un rayonnement infrarouge équivalent au rayonnement solaire reçu. Ce rayonnement infrarouge est emmagasiné par les gaz atmosphériques qui vont réémettre un rayonnement infrarouge vers la Terre en fonction de leur albédo.

Différents paramètres influent sur l’effet de serre comme la concentration atmosphérique en gaz à effet de serre et la couverture nuageuse.