Bilan radiatif de la Terre et changement climatique

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1 Bilan radiatif de la Terre et changement climatique François-Marie Bréon Chercheur au Laboratoire des Sciences du Climat et de l Environnement Unité Mixte CEA-CNRS

2 La Machine Climatique Atmosphère Système Terre Soleil Radiateur Machine Carburant Le vent, la pluie, les orages, l'écoulement des rivières sont des manifestations immédiates de la machine climatique dont l'unique source d'énergie est le soleil Les feux de forêt (et de cheminée) sont des manifestations différées (libération d'une énergie chimique stockée) La combustion de charbon et du pétrole sont des manifestations très différées

3 Albédo de la terre L'albédo de la Terre est d'environ 0.3 (Lune: 0.1; Vénus:0.77; Mars: 0.15) Albédo des océans clairs très faibles Albédo des terres dépend du type de surface Albédo piloté par les nuages +neige/glaces + aérosols

4 Terre zero-d α F 0 Flux émis = σ T 4 F Wm -2 (4 π R 2 ) σ T 4 = (π R 2 ) (1-α) F 0 T=256 K (-17 C)

5 Structure verticale de l'atmosphère (Terre 1D) T rad =256K T surf 290K La Terre n'est pas la surface de la Terre La Température apparente de la Terre correspond à des niveaux élevés en altitude Il y a effet de serre car il y a un gradient vertical de température En infrarouge, l'atmosphère est opaque. L'espace "voit" donc les niveaux supérieurs de l'atmosphère.

6 Le spectre InfraRouge Thermique L'œil mesure le rayonnement solaire réfléchi Tous les corps émettent un rayonnement en fonction de leur température Sur terre, les objets ont une température de l'ordre de 300 K (contre 5700 K pour le soleil) Le rayonnement émis est essentiellement de longueur d'onde entre 4 et 30 microns. Energie émise B(!,T) = c 1! "5 exp(c 2 /!T) "1 c 1 = 1, SI, W m "2 ster "1 µm "1 c 2 = 1, SI Soleil 5700 K Terre 290 K Longueur d'onde

7 Distribution Spectrale des rayonnements solaires et Thermique La transmission est proche de 1 sur une portion significative du spectre solaire La transmission est proche de zéro sur une partie significative du spectre tellurique

8 Absorption des différents gaz atmosphériques

9 Comparaison aux planètes proches dist α Nuages T rad Tsurf Pres constituants effet soleil (K) (K) (atm) de serre Vénus 0,72 0,77 100% CO2> 90% 119 (H 2 SO 4 ) Terre 1 0,30 50% N 2 78% 1,6 (H 2 O) O2 21% Mars 1,52 0,15 traces ,007 CO2 80% 1,5 Effet de Serre : σ T 4 surf / σ T4 rad

10 Bilan énergétique de la Terre

11 Effet de SERRE? Dans une serre, il fait plus chaud car la convection est supprimée. C'est un effet mécanique Dans l'atmosphère, c'est un effet radiatif Le terme effet de serre ne correspond donc pas au phénomène physique

12 Terre avec une atmosphère à une/deux couches 1"# 4 F 0 = $ T E 4 " T a 4 T a 4 = T E 4 T S 4 = 2 T E 4! 1"# 4 F 0 = $ T E 4!! " T a 4! 4 " T 1 4 " T! S! T S 4 = T a 4 + T E 4! 2 T 1 4 = T 2 4!!! 4 " T 2! 4 " T 2 4 " T 1! 4 " T S! 2 T 2 4 = T S 4 + T 1 4 T 4 S = T T! E T S 4 = 3 T E 4

13 Bilan Radiatif Zonal Terre 2D

14 Les saisons: Obliquité de la Terre degrees

15 Eléments clés du bilan radiatif (W m -2 ) Insolation Flux Solaire absorbé Flux Net Flux émis (IR)

16 Effet Radiatif des Nuages Nuage bas Fort effet d'albédo Faible effet infrarouge Nuage élevé (Cirrus) Faible effet d'albédo Fort effet infrarouge Nuage à grande extension verticale (CuNimb) Fort effet d'albédo Fort effet infrarouge

17 Flux radiatifs, par bande de latitude

18 Transport d énergie vers les pôles R TOA F ao (φ) F ao (φ+ φ) ΔF ao = F ao (φ+ φ) - F ao (φ) Atmosphère et Océans On peut intégrer cette équation depuis les pôles: R TOA F ao (φ) Pôle Sud (F ao = 0) Latitude φ

19 Transport d énergie vers les pôles W Solid line - atm+ocn transport; Dashed - ocn only; dash-dot - atm only Trenberth and Caron (J Clim )

20 Transport de l'énergie des tropiques vers les pôles

21 Transport atmosphérique vers les pôles Sans la rotation de la Terre, on aurait de la convection aux tropiques, et subsidence aux pôles L'effet de la force de Coriolis génère plusieurs cellules zonales

22 Transport d'énergie par les cellules de Hadley Le transport de chaleur net apporte de l'énergie vers l'équateur Le transport de chaleur latente net apporte de l'énergie vers l'équateur Le transport d'énergie vers les pôles est sous forme d'énergie potentielle de pesanteur

23 Océan La couche supérieure de l'océan ( 100 m) contient 30 fois plus d'énergie calorique que l'atmosphère

24 La circulation thermohaline ou le tapis roulant océanique

25 Cycle du Carbone, naturel et perturbé

26 Augmentation du CO2 et cycle annuel

27

28

29 Rythme d'augmentation et émissions 8 CO2 GROWTH RATE Global (NOAA) PgC/y 6 4 Fossil Fuel Cape Grim (CSIRO) 2 SOI Mauna Loa (Scripps/NOAA) La Nina El Nino Pinatubo (R J Francey, pers. Com)

30 Concentration atmosphérique du CO2

31 Concentrations du CO 2, CH 4 et N 2 O

32 Augmentation de l'effet de Serre Augmentation de [CO 2 ] et autres gaz dans l'atmosphère Pratiquement pas d'impact sur le transfert radiatif dans le spectre solaire Apport d'énergie ne change pas L'atmosphère devient plus opaque au rayonnement IR. La fonction de poids s'élève. Température plus faible, donc diminution de la luminance émise par l'atmosphère vers l'espace. Déséquilibre radiatif. L'atmosphère (et la surface) s'échauffe. Augmentation de la luminance émise. Nouvel équilibre. Avec une atmosphère plus opaque dans l'ir, l'équilibre radiatif nécessite une atmosphère plus chaude.

33 CO 2 et Température La concentration des gaz tels que CO 2, CH 4 et N 2 O à augmenté fortement depuis l'ère pré-industrielle. L' effet de Serre de l'atmosphère a donc augmenté de quelques W.m -2 Toutes choses égales par ailleurs, la température doit augmenter pour rétablir l'équilibre radiatif G = σ T s 4 - (1-α) F 0 / 4 ΔG = 4 σ T s 3 ΔT s ==> ΔT s = 0.5 K

34 Température moyenne de la Terre

35 Température moyenne de la Terre

36 La température de l'atmosphère vue par les satellites Basse atmosphère Haute atmosphère Signal différent des mesures de surface Explications pour ce désaccord, mais pas pour l'ensemble Effet des éruptions volcaniques sur la haute atmosphère

37 Un réchauffement global La tendance au réchauffement est pratiquement globale Incertitude dans de nombreuses régions du globe mal échantillonnées

38 Niveau des océans Le niveau des océans à tendance à augmenter Effets locaux liés aux mouvements propres du sol (référence) Cause principale probable : dilatation des océans

39

40 Forçage radiatif additionnel depuis un siècle

41 Les rétroactions forçage f! T f Δ Q système climatique η! T!T = "(!Q + f!t)!t = "!Q 1 - "f

42 Rétroaction vapeur d'eau Lorsque la température augmente, la pression de vapeur saturante augmente très rapidement A taux d humidité constante, le contenu en vapeur d'eau de l'atmosphère va donc augmenter Puisque H 2 O est un puissant gaz à effet de Serre, c'est une rétroaction positive très forte T(K) 320 pression de vapeur saturante (hpa) de la vapeur d'eau Température vapeur liquide e * (hpa) Pression de vapeur saturante

43 La rétroaction albédo A priori, un climat plus chaud conduit à une fonte des neige plus rapide L'albédo de la Terre risque donc de diminuer (1-α) F 0 (le flux solaire absorbé) va donc augmenter Une augmentation de la température est alors nécessaire pour rétablir l'équilibre radiatif

44 Rétroaction des Nuages Les nuages ont le pouvoir de moduler fortement Albédo et Effet de Serre Le signe de la rétroaction des nuages est matière à débat...

45 Température Moyenne simulée par les modèles de Climat

46 Et pour le futur???

47 700 Projected (2100) 650 Concentration en CO Vostok Record IPCC IS92a Scenario Current (2001) CO2 Concentration (ppmv) Age of Entrapped Air (kyr BP) 150

48 Source: IPCC TAR 2001 Température

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