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Le bilan énergétique de la Terre détermine le climat global. La principale source d'énergie sur Terre est le soleil. Comme il ne rayonne pas aussi fortement sur les pôles que sur l'équateur, il y a une différence de température que la circulation globale compense dans l'atmosphère. Les émissions humaines de gaz à effet de serre modifient l'équilibre énergétique et provoquent un réchauffement climatique.
Climat mondial
Facteurs d’entraînement dans le système climatique
Le soleil réchauffe
Le fournisseur d'énergie le plus important pour la Terre est notre soleil. Il a une température de surface de quelque 5700 °C et rayonne en moyenne à 1367 watts par mètre carré sur notre planète (appelée constante solaire). La quantité de rayonnement solaire qui atteint un endroit sur la Terre dépend principalement de l'inclinaison de l'axe de la Terre vers le Soleil. En outre, la moitié du globe est toujours à l'ombre. Par conséquent, l'énergie solaire à la périphérie de l'atmosphère terrestre est en moyenne de 340 watts par mètre carré. L'inclinaison de l'axe de la Terre vers le soleil est aussi responsable de nos saisons.
L'influence du soleil change avec le temps. Sur une période de près de 100’000 ans, les périodes chaudes et glaciaires ont alterné au tout début de l'histoire de la Terre. La raison de ceci est l'orbite périodiquement changeante de la Terre autour du Soleil. On parle des cycles de Milankovic, nommés d'après leur découvreur. Ces cycles lents sont superposés par des influences à court terme avec par exemple, des phases d'activité solaire plus forte et plus faible dans un cycle d'environ 11 ans. Ce cycle est produit par l'occurrence récurrente de points solaires. La constante solaire n'est donc pas vraiment constante, mais varie autour de la valeur moyenne de 1367 watts par mètre carré. Actuellement, l'activité solaire est plutôt en déclin.
Facteurs naturels de conduite du climat
En plus du soleil, il existe un certain nombre d'autres facteurs naturels qui influencent le bilan énergétique de notre planète et donc notre climat. Environ un tiers (100 watts par mètre carré) du rayonnement solaire entrant est renvoyé dans l'espace à travers la surface de la Terre, les nuages et les aérosols. Les aérosols sont les plus petites particules dans l'air, constituées d'un matériau liquide ou solide (par exemple de la suie, de la poussière, des composés soufrés). Les aérosols sont naturellement émis principalement par les volcans, mais aussi par des organismes tels que les algues marines et d'autres sources. Les aérosols et les nuages ont donc un effet de refroidissement sur le climat de la Terre, car ils réfléchissent le rayonnement solaire. De plus, la réflectivité à un endroit dépend fortement de la nature de la surface de la Terre (albédo) : une grande quantité de rayonnement se reflète dans les zones recouvertes de neige et de glace, car la surface y est très brillante; peu de rayonnement est réfléchi sur les zones sombres, comme sur les océans. Une comparaison pour expliquer : si on est assis sur une chaise noire au soleil, la chaleur deviendra plus rapidement inconfortable que si on est assis sur une chaise blanche.
La surface de la Terre, qui se situe autour de 15 °C en moyenne, émet de l'énergie sous forme de rayonnement à ondes longues (239 watts par mètre carré). Les gaz à effet de serre dans l'atmosphère absorbent les ondes longues réfléchies par la surface de la Terre et chauffent ainsi notre atmosphère. Sans les gaz à effet de serre, la température de la Terre serait d'environ -18 °C.
Puisque le rayonnement solaire incident aux pôles est plus faible qu'à l'équateur, une différence de température se produit. Cela entraîne les courants océaniques globaux et la circulation de l'air. La planète essaie de compenser cette différence par le transport de la chaleur. Par exemple, le courant du Gulf Stream transporte la chaleur du golfe du Mexique vers le nord de l'Europe. Les fronts chauds apportent de l'air chaud vers le nord, les fronts froids apportent de l'air froid du nord vers le sud.
Circulation globale et zones climatiques
Sur l’équateur, endroit où le rayonnement solaire est le plus fort toute l’année, se trouve la zone tropicale avec les forêts équatoriales. Elles sont alimentées par les précipitations issues de la zone de convergence intertropicale (ZCIT). Dans cette zone, les basses pressions tropicales dominent. Ces basses pressions se déplacent légèrement du nord (été boréal) au sud (été austral) de l'équateur au cours de l'année. C'est pourquoi, il fait chaud et humide dans le nord de l'Australie, surtout en décembre, alors que les pays d'Afrique de l'Ouest connaissent le moment le plus chaud et le plus humide, surtout en juillet.
Le réchauffement de la surface de la Terre dans la ZCIT entraîne de l’instabilité avec la formation de nuages orageux et donc de fortes précipitations locales. L'air ascendant est transporté à la limite supérieure de la couche climatique (dite tropopause, à près de 10 km du sol) en direction des pôles. Dans les régions subtropicales, l’air s’abaisse par subsidence et s’assèche fortement. Par conséquent, les hautes pressions prédominent. Les plus grands déserts de la planète (Sahara, désert d'Arabie, désert d'Atacama en Amérique du Sud, désert de Gobi en Asie Centrale, outback du centre de l’Australie) sont situés dans ces zones.
Dans la zone des vents d'ouest des latitudes moyennes dominent des zones de basse pression qui sont responsables de l'échange de masse d'air et donc du transport de chaleur. Dans cette zone règne un climat tempéré, qui détermine également le climat de la Suisse.
Dans les régions subpolaires (Scandinavie, Sibérie, Alaska), la toundra prédomine en raison du climat frais. Il s’agit d’une végétation basse adaptée aux longues périodes froides. La glace de mer et les grandes calottes glaciaires continentales se trouvent dans les régions les plus froides de la planète, sur les pôles. Cependant, ces zones sont gravement menacées par le changement climatique provoqué par l’homme.
Records mondiaux
Les énormes différences entre les zones climatiques sont particulièrement évidentes dans les valeurs des records mondiaux. L'Organisation météorologique mondiale (OMM) a archivé les records météorologiques et climatologiques mondiaux. Un petit extrait de ceux-ci :
- La température la plus élevée est de 56.7 °C et a été mesurée en 1913 en Californie (USA). La température la plus basse est de -89.2 °C et a été mesurée en 1983 à la station russe de Vostok dans l’Antarctique.
- La plus forte pluviométrie en un jour s’est produite en janvier 1966 à La Réunion avec 1825 mm. Cela correspond à la moyenne annuelle des précipitations dans les Préalpes suisses. La pluviométrie annuelle la plus élevée a été mesurée en Inde à Cherrapunji : 26’470 mm (26.5 m) de précipitations sont tombées en 12 mois d'août 1860 à juillet 1861. Pour la Suisse, cela correspondrait à 10 ans de pluie.
- Arica au Chili est la région la plus sèche de la Terre. Dans ce lieu, il n’est pas tombé une seule goutte d’eau entre 1903 et 1918, soit pendant 173 mois.
- Le grêlon le plus lourd est tombé au Bangladesh et il pesait 1.02 kg.
L’homme est un facteur environnement important
Il fait de plus en plus chaud sur le globe. La principale raison du réchauffement climatique des 50-60 dernières années est le changement de l'équilibre énergétique de la Terre engendré par l’homme. Celui-ci émet des aérosols et des gaz à effet de serre - principalement du dioxyde de carbone. Les processus de dégradation naturelle tels que les plantes et l'absorption du dioxyde de carbone par les océans ne sont pas en mesure de compenser toutes les émissions humaines. Cela se traduit par une accumulation de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. En conséquence, le rayonnement des ondes longues dans l'univers diminue - l'effet de serre est amplifié. Les océans et la surface de la terre doivent absorber plus d'énergie et se réchauffer. Cela augmente également l'évaporation et le flux de chaleur sensible. Ce dernier influence directement la température près de la surface de la Terre et nous permet de ressentir le réchauffement à long terme. Il convient de noter que l'activité solaire est momentanément en déclin et que le réchauffement des dernières décennies ne peut donc pas être expliqué.
L'homme a également une influence différente sur le climat. Les changements dans l'utilisation des terres par l’homme conduisent, par exemple à des changements dans la structure du sol, qui peuvent influencer directement le rayonnement de la surface de la terre. Les zones sombres, par exemple brûlées par le feu de brousse, absorbent plus de chaleur et réduisent le rayonnement dans l'espace, provoquant ainsi un effet thermique supplémentaire. En outre, la fonte des glaces polaires conduit à un réchauffement accru dans les régions correspondantes, lorsqu’à la place de la neige et la glace - qui reflètent bien le rayonnement solaire grâce aux zones claires - la surface de la mer très sombre se révèle. Dans ces cas, la rétroaction positive est renvoyée au climat, ce qui veut dire que le réchauffement primaire qui est déclenché par l'homme se renforce par lui-même.