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Sciences
Si l'épaississement de la couche de gaz à effet de serre emprisonne plus de chaleur dans l'atmosphère, pourquoi n'empêche-t-il pas plus le rayonnement solaire direct d'atteindre notre planète?
Réponse de Stéphane Goyette
MER
Université de Genève
Groupe climat
C’est une question simple et légitime, mais la réponse à celle-ci est complexe en raison des interactions complexes et de la non-linéarité des processus oeuvrant au sein du système Terre-Atmosphère. Essayons alors d’être concis en ne retenant que les éléments essentiels. En fait, la présence de quelques-uns de ces gaz, en plus de participer à l’effet de serre naturel, entraîne une réduction du rayonnement solaire lors de son trajet depuis le sommet de l’atmosphère jusqu’au niveau de la mer. Ils influencent de ce fait le bilan radiatif dans ces deux régimes de longueur d’ondes. Pour y voir plus clair, il faut d’abord comprendre leurs caractéristiques et leur influence relative au regard du rayonnement solaire et de l’infrarouge thermique, ce qui permettra ensuite de mieux comprendre les échanges thermiques qui réchauffent le système (gain net d’énergie) et ceux qui le refroidissent (perte nette d’énergie). Nous aboutirons enfin à un début de compréhension du bilan d’énergie planétaire.
Ces gaz peuvent absorber, diffuser et transmettre le rayonnement solaire, régime dit des "ondes courtes" (de 0.1 à 4 micromètres). Ces mêmes gaz peuvent de plus absorber et émettre dans le régime des "ondes longues" appelé infrarouge thermique (de 4 à 100 micromètres). Les principaux gaz à effet de serre atmosphérique actifs dans l’infrarouge thermique sont, par ordre de contribution à l’effet de serre, la vapeur d’eau et les nuages dont les concentrations sont assez variables dans la basse atmosphère. Ils contribuent pour environ 72% de l’effet de serre. Les autres gaz présents naturellement et bien mélangés, comme le dioxyde de carbone, le méthane, les oxydes nitreux, et l’ozone troposphérique (jusqu’à environ 12 km d’altitude) contribuent quant à eux à hauteur d’environ 28% de l’effet de serre naturel.
Or, il faut aussi savoir que la vapeur d’eau, les nuages, l’ozone et le dioxyde de carbone absorbent, réfléchissent et diffusent le rayonnement solaire. Cet appauvrissement est fonction de leur abondance relative et varie selon la longueur d’onde du rayonnement solaire. Après avoir traversé toute l’atmosphère terrestre, environ la moitié du rayonnement solaire a été absorbé et/ou diffusé de manière sélective par ces gaz (une portion est aussi due aux aérosols), et donc ne sera pas disponible à la surface. De cette portion, 25% ont été effectivement absorbés par la vapeur d’eau et les nuages. Une plus faible portion de cet effet est due aux autres gaz à effet de serre et aux autres composantes de l’air atmosphérique (azote et oxygène moléculaire). L’appauvrissement du rayonnement solaire n’est par conséquent pas nul. Les nuages, composés d’eau, de cristaux de glace et de vapeur d’eau ont un effet net de refroidissement en dépit de l’effet de serre qui leur est attribué. Ce qui indique qu’ils augmentent effectivement l’absorption du rayonnement solaire et le réduisent par conséquent à la surface. Ceci modifie alors le bilan net d’énergie à la surface et entraîne par conséquent des modifications importantes sur les autres composantes, notamment les transferts dans l’infrarouge et autres transferts convectifs.
Donc, un jeu subtil de gains et de pertes d’énergie existe entre le rayonnement solaire absorbé, l’infrarouge thermique émis par la surface de la Terre, et les transferts convectifs au sein du système Terre-Atmosphère afin de maintenir des bilans équilibrés tant au sommet de l’atmosphère que dans l’atmosphère et à la surface. Moins d’énergie solaire disponible à la surface due à l’absorption par la vapeur d’eau et les nuages entraîne moins d’énergie disponible pour évaporer l’eau dans l’atmosphère, donc moins de vapeur d’eau, mais un effet de serre plus intense réchauffant l’atmosphère et la surface, et plus de rayonnement solaire à la surface suite à la baisse de vapeur d’eau et des nuages entraîne plus d’énergie disponible pour évaporer l’eau, donc un effet de serre moins intense qui ne réchauffe plus autant l’atmosphère… etc. Quelle complexité en effet, sans parler de l’effet des nombreux processus à seuil comme la condensation de la vapeur d’eau qui est fonction de la température de l’air menant à la formation des nuages, l’eau qui change de phase à 0 degré C (liquide à solide) et qui modifie les propriétés thermiques et radiatives des corps qui en contiennent. La liste des processus complexes dont est constitué le climat planétaire ne fait que commencer, mais là, c’est une autre histoire !
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