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
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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.
Le bilan radiatif terrestre : l'équilibre entre énergie solaire absorbée et rayonnement infrarouge émis détermine la température.
- 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.
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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.