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Le soleil réchauffe la surface terrestre qui, de son côté, émet des rayons infrarouges de grande longueur d’onde dans l'atmosphère. Les gaz à effet de serre absorbent ces rayons de chaleur et en réfléchissent une partie sur la surface de la Terre. Plus la concentration de gaz est importante, plus la chaleur reste dans l'atmosphère.
L'échange d'air vertical dans la couche inférieure de l'atmosphère (la troposphère, située à environ 8 à 15 km) ainsi que les effets physiques en rapport avec le changement vertical de température ont pour effet de réchauffer cette couche. Le réchauffement de sa surface est tel que l'énergie émise par la Terre correspond à nouveau à l'énergie absorbée provenant du rayonnement (équilibre radiatif).
Cet effet de serre naturel permet le développement de la vie sur Terre. Sans ce phénomène, la température moyenne mondiale serait de -18°C.
Les principaux gaz à effet de serre naturels sont la vapeur d'eau (H2O), le gaz carbonique (CO2), le méthane (CH4), le protoxyde d'azote (N2O) et l'ozone (O3).
1. Les rayons solaires de courte longueur d'onde réchauffent la surface terrestre.
2. La Terre émet des rayons infrarouges de grande longueur d'onde.
3. Les gaz à effet de serre absorbent une partie de ces rayons (de différentes longueurs d'ondes selon le type de gaz) et émettent des rayons infrarouges.
4. Une partie des rayons envoyés par les gaz à effet de serre atteignent la Terre et réchauffent sa surface.
5. La couche inférieure de l'atmosphère (troposphère) se réchauffe également en raison des échanges d'air verticaux et des effets physiques en rapport avec le nivellement vertical des températures.
Au cours des dernières décennies, la combustion des agents énergétiques fossiles et le déboisement des forêts ont entraîné une augmentation de plus en plus rapide de la concentration de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. La concentration de CO2 a augmenté de plus de 40% par rapport à l'époque préindustrielle. La part des autres gaz à effet de serre produits par l'homme a aussi augmenté. Il en résulte en moyenne mondiale un réchauffement supplémentaire de la surface de la Terre et des couches inférieures de l'atmosphère.
En raison des courants atmosphériques et océaniques, l'énergie calorifique n'est pas répartie de manière homogène, ce qui fait que le réchauffement supplémentaire n'a pas le même impact dans toutes les régions de la planète.
Le réchauffement de la Terre est accompagné par des processus influençant le système climatique qui entraînent un réchauffement supplémentaire (effets rétroactifs positifs):
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