Enseignement scientifique — Science, climat et société
La complexité du système climatique
Bilan radiatif Terre, albédo, gaz à effet de serre (CO₂, CH₄, N₂O), forçage radiatif, rétroactions climatiques, modèles climatiques
Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub
Résumé
Le **climat terrestre** est déterminé par le **bilan radiatif** de la Terre : elle reçoit environ $340\ \mathrm{W/m^2}$ d'énergie solaire en moyenne et en réémet autant sous forme de **rayonnement infrarouge** pour maintenir un équilibre. L'**albédo**, rapport entre énergie réfléchie et énergie reçue, varie de $0{,}9$ pour la neige fraîche à $0{,}1$ pour l'océan sombre ; l'albédo moyen de la Terre est d'environ $0{,}30$. Les **gaz à effet de serre** ($\mathrm{CO_2}$, $\mathrm{CH_4}$, $\mathrm{N_2O}$, vapeur d'eau) absorbent le rayonnement infrarouge et le réémettent vers le sol, augmentant la température de surface. Le **forçage radiatif** mesure la perturbation du bilan énergétique : un forçage **positif** réchauffe, un forçage **négatif** refroidit. Des **rétroactions** amplifient ou atténuent les perturbations : la fonte des glaces diminue l'albédo (**rétroaction positive**), tandis que l'augmentation de la vapeur d'eau par évaporation renforce aussi l'effet de serre. Les **modèles climatiques** numériques simulent ces interactions pour prévoir l'évolution du climat.
Le **bilan radiatif** de la Terre est le point de départ pour comprendre le climat. C'est l'**équilibre** entre l'énergie solaire reçue et l'énergie infrarouge réémise vers l'espace qui détermine la température moyenne de notre planète.
- La Terre reçoit du Soleil une puissance moyenne de $\approx 340\ \mathrm{W/m^2}$ (constante solaire $\approx 1\,361\ \mathrm{W/m^2}$ divisée par $4$ car la Terre est une sphère)
- Environ **30 %** est réfléchi (**albédo** planétaire $\approx 0{,}30$) : il reste $\approx 240\ \mathrm{W/m^2}$ absorbés
- La Terre réémet $\approx 240\ \mathrm{W/m^2}$ en **rayonnement infrarouge** pour maintenir l'équilibre thermique
- Si énergie reçue $>$ énergie émise : la Terre se **réchauffe** (déséquilibre actuel dû aux GES)
- Le **spectre solaire** est centré sur le **visible** (courte longueur d'onde), le rayonnement terrestre est dans l'**infrarouge** (grande longueur d'onde)
Exemple
La **constante solaire** vaut $1\,361\ \mathrm{W/m^2}$. Mais la Terre est une **sphère** (surface $= 4 \times$ section circulaire), donc la puissance moyenne reçue par $\mathrm{m^2}$ est $1\,361 / 4 \approx 340\ \mathrm{W/m^2}$. Avec un albédo de $0{,}30$, il reste $340 \times 0{,}70 \approx 238\ \mathrm{W/m^2}$ absorbés.
Piège à éviter
La **constante solaire** ($1\,361\ \mathrm{W/m^2}$) n'est **pas** la puissance moyenne reçue par la Terre. Il faut diviser par $4$ (rapport section/surface d'une sphère) pour obtenir $\approx 340\ \mathrm{W/m^2}$, puis retirer **30 %** (albédo) pour obtenir $\approx 240\ \mathrm{W/m^2}$ absorbés.
L'**albédo** et les **gaz à effet de serre** sont les deux grands paramètres qui contrôlent le climat terrestre. L'albédo détermine combien d'énergie solaire est **réfléchie**, les GES déterminent combien d'énergie infrarouge est **retenue**.
- **Albédo** $= \dfrac{\text{énergie réfléchie}}{\text{énergie incidente}}$ (sans unité, entre $0$ et $1$)
- Neige fraîche : albédo $\approx 0{,}9$ ; océan : $\approx 0{,}06$–$0{,}10$ ; forêt : $\approx 0{,}10$–$0{,}20$ ; sable : $\approx 0{,}30$–$0{,}40$
- Les **GES** ($\mathrm{CO_2}$, $\mathrm{CH_4}$, $\mathrm{N_2O}$, $\mathrm{H_2O}$, $\mathrm{O_3}$) absorbent le **rayonnement infrarouge** émis par la surface terrestre
- $\mathrm{CO_2}$ : concentration actuelle $\approx 420\ \mathrm{ppm}$ ($+50\,\%$ par rapport à l'ère préindustrielle de $280\ \mathrm{ppm}$)
- $\mathrm{CH_4}$ (méthane) : **PRG** $\approx 80$ fois celui du $\mathrm{CO_2}$ sur $20$ ans, mais concentration beaucoup plus faible ($\approx 1{,}9\ \mathrm{ppm}$)
- $\mathrm{N_2O}$ (protoxyde d'azote) : PRG $\approx 273$ fois celui du $\mathrm{CO_2}$ sur $100$ ans, émis par l'**agriculture** (engrais azotés)
- La **vapeur d'eau** ($\mathrm{H_2O}$) est le GES le plus abondant, mais sa concentration dépend de la température (**rétroaction**)
Exemple
Le $\mathrm{CH_4}$ a un **PRG** de $80$ sur $20$ ans, mais sa concentration est faible ($1{,}9\ \mathrm{ppm}$ contre $420\ \mathrm{ppm}$ pour le $\mathrm{CO_2}$). Pour $1$ tonne de $\mathrm{CH_4}$ émise, l'effet radiatif sur $20$ ans est **80 fois** celui d'une tonne de $\mathrm{CO_2}$. D'où l'importance de réduire les **fuites de méthane**.
Piège à éviter
Ne pas confondre **PRG** (Pouvoir de Réchauffement Global) et **concentration**. Le $\mathrm{N_2O}$ a un PRG **273 fois** plus élevé que le $\mathrm{CO_2}$, mais sa concentration est très faible. Le $\mathrm{CO_2}$ reste le principal responsable du réchauffement à cause des **quantités massives** émises.
Le **forçage radiatif** quantifie les perturbations du bilan énergétique terrestre. Les **rétroactions**, positives ou négatives, **amplifient** ou **atténuent** ces perturbations, rendant le système climatique complexe et parfois imprévisible.
- Le **forçage radiatif** (en $\mathrm{W/m^2}$) mesure la perturbation du bilan énergétique de la Terre par un facteur donné
- **Forçage positif** (GES, diminution de l'albédo) $\rightarrow$ réchauffement ; **forçage négatif** (aérosols, éruptions volcaniques) $\rightarrow$ refroidissement
- Le forçage radiatif total d'origine **anthropique** est d'environ $+2{,}7\ \mathrm{W/m^2}$ (rapport GIEC AR6, 2021)
- **Rétroaction positive** : fonte des glaces $\rightarrow$ diminution de l'albédo $\rightarrow$ plus d'absorption $\rightarrow$ plus de réchauffement $\rightarrow$ plus de fonte
- **Rétroaction positive** : réchauffement $\rightarrow$ plus d'évaporation $\rightarrow$ plus de vapeur d'eau (GES) $\rightarrow$ plus d'effet de serre
- **Rétroaction positive** : dégel du **pergélisol** $\rightarrow$ libération de $\mathrm{CH_4}$ et $\mathrm{CO_2}$ $\rightarrow$ amplification du réchauffement
- **Rétroaction négative** (stabilisation) : réchauffement $\rightarrow$ plus de rayonnement IR émis (loi de **Stefan-Boltzmann**) $\rightarrow$ tendance au refroidissement
- La **sensibilité climatique** est la hausse de $T$ pour un **doublement** du $\mathrm{CO_2}$ : estimée entre $2{,}5\ \mathrm{°C}$ et $4\ \mathrm{°C}$
Exemple
**Rétroaction glace-albédo** : le réchauffement fait fondre $1\,000\ \mathrm{km^2}$ de banquise arctique (albédo $0{,}8$) ; l'océan exposé (albédo $0{,}1$) absorbe alors $0{,}7 \times 10^{9}\ \mathrm{m^2} \times 340\ \mathrm{W/m^2} \approx 2{,}4 \times 10^{11}\ \mathrm{W}$ supplémentaires, ce qui **accélère le réchauffement** et fait fondre encore plus de glace.
Piège à éviter
**Rétroaction positive** $\neq$ bonne nouvelle ! En physique du climat, « positive » signifie **amplification** du changement initial (le réchauffement provoque plus de réchauffement). « Négative » signifie **stabilisation** (le système freine le changement).
Les **modèles climatiques** sont des outils numériques puissants qui simulent les interactions entre **atmosphère**, **océan**, **biosphère** et **cryosphère**. Ils permettent de tester des scénarios et de projeter l'évolution future du climat.
- Les **modèles climatiques** sont des programmes numériques qui simulent les interactions atmosphère-océan-biosphère-cryosphère
- Ils **discrétisent** la Terre en mailles 3D (typiquement $50$–$100\ \mathrm{km}$ de côté) et résolvent les équations de la physique
- Ils intègrent : circulation atmosphérique, courants océaniques, cycle du carbone, nuages, aérosols
- Les modèles reproduisent fidèlement le **climat passé** quand on inclut les forçages **naturels ET anthropiques**
- Sans les **émissions humaines** de GES, les modèles ne parviennent pas à reproduire le réchauffement observé depuis 1950
- **Limites** : incertitudes sur les nuages, la sensibilité climatique, les phénomènes locaux (résolution insuffisante)
Exemple
Un modèle climatique divise la Terre en **mailles 3D** de $50$ à $100\ \mathrm{km}$ de côté. Pour chaque maille, il calcule les équations de la mécanique des fluides, les échanges radiatifs, le cycle du carbone. En comparant les simulations **avec** et **sans** GES anthropiques depuis 1950, seules celles incluant les GES reproduisent le réchauffement observé.
Piège à éviter
Les modèles climatiques ne sont **pas** des prévisions météo ! La météo prédit le temps à $5$–$10$ jours pour un lieu précis. Les modèles climatiques projettent les **tendances moyennes** sur des décennies, à l'échelle globale. Ils ne prédisent pas s'il pleuvra tel jour.
Quiz - La complexité du système climatique
10 questions
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Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur La complexité du système climatique, extraits du quiz de révision.
L'albédo moyen de la Terre est d'environ :
Réponse :
$0{,}30$
L'**albédo moyen** de la Terre est d'environ $0{,}30$ : **30 %** du rayonnement solaire est réfléchi vers l'espace. Les **70 %** restants sont absorbés par la surface et l'atmosphère.
La puissance solaire moyenne reçue par la Terre est d'environ :
Réponse :
$340\ \mathrm{W/m^2}$
La **constante solaire** vaut $\approx 1\,361\ \mathrm{W/m^2}$, mais comme la Terre est une sphère (rapport surface du disque / surface de la sphère $= 1/4$), la puissance moyenne reçue est $\approx 1\,361/4 \approx 340\ \mathrm{W/m^2}$.
Quel gaz a le pouvoir de réchauffement global (PRG) le plus élevé parmi ceux-ci ?
Réponse :
$\mathrm{N_2O}$
Le $\mathrm{N_2O}$ (protoxyde d'azote) a un **PRG** d'environ $273$ fois celui du $\mathrm{CO_2}$ sur $100$ ans. Le $\mathrm{CH_4}$ a un PRG d'environ $28$ sur $100$ ans (ou $80$ sur $20$ ans). Le $\mathrm{O_2}$ n'est **pas** un gaz à effet de serre.
La concentration préindustrielle de $\mathrm{CO_2}$ était d'environ :
Réponse :
$280\ \mathrm{ppm}$
Avant la révolution industrielle, la concentration de $\mathrm{CO_2}$ était d'environ $280\ \mathrm{ppm}$. Elle atteint aujourd'hui $\approx 420\ \mathrm{ppm}$, soit une **augmentation de 50 %**, due à la combustion des énergies fossiles et à la déforestation.