Le rayonnement tellurique et atmosphérique, l effet de serre. CO1 Climatologie et hydrologie

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1 Le rayonnement tellurique et atmosphérique, l effet de serre CO1 Climatologie et hydrologie

2 Le plan du TD Le rayonnement infrarouge L infrarouge sur les images satellites La température d équilibre de la Terre L absorption du RIR par l atmosphère Les composés gazeux dans l atmosphère L effet de serre La perturbation anthropique A retenir Exercices

3 Le rayonnement infrarouge (1) o Le rayonnement terrestre se situe en totalité dans l infrarouge avec une plage dépendante de la T (en vertu de la loi de Wien) o Les T extrêmes rencontrées à la surface de la terre sont de l ordre de: -90 C= 183 K (16µm) et +50 C=323 K (9µm) o Les valeurs sont nettement dans l infrarouge (> à 0.7µm) o Le rayonnement émis par la surface ou l atmosphère est invisible par l œil humain o Rappel : la quantité de rayonnement émis dépend de la température du corps émetteur mais aussi de son émissivité

4 Le rayonnement infrarouge (2) un corps à -90 C = 183 K émet 63 W/m² un corps à 50 C = 323 K émet 617 W/m² un corps à 0 C = 273 K émet 315 W/m² un corps à 30 C = 303 K émet 478 W/m² o L émission d un corps naturel est un peu plus faible que ces valeurs théoriques car il faut la multiplier par un coefficient d émissivité compris entre 0.9 et 0.99 en général

5 Le rayonnement infrarouge (3) o Carte proche des T moyennes annuelles avec décroissance de la zone tropicale en direction des pôles Rayonnement émis par la surface terrestre en W/m² (moyenne annuelle) o La zone tropicale émet donc plus d énergie que les pôles o Explication : On sait que l émission de la surface est proportionnelle à la puissance 4 de sa température et dépend également de son émissivité

6 Le rayonnement infrarouge (4) o La moyenne de la carte précédente est de 395 W/m² ce qui est nettement > à la quantité de RS absorbé par la surface (170 W/m²) et l atmosphère (70 W/m²) qui doit donc récupérer de l énergie supplémentaire pour alimenter cette émission o La moyenne du RIR sortant est de 240 W/m², soit la moyenne de rayonnement absorbé par la surface + atmosphère o Maximum au sein de la zone tropicale (30 N-30 S) et décroissance en direction des pôles Rayonnement infrarouge sortant mesuré au sommet o Maximum au-dessus des de l atmosphère en W/m² (moyenne annuelle) c o n t i n e n t s t r o p i c a u x + minimum relatif au-dessus de l équateur

7 L infrarouge sur les images satellites - Image IR à 10.8 µm permet d identifier le RIR émit par la Terre et le sommet des nuages - Zones convectives participent à la mise en place du minimum relatif autour de l équateur = ZCIT - Les valeurs de température d émissivité descendent jusqu à -80 C au centre des cellules convectives. Les secteurs sans couverture nuageuse laissent s échapper une + grande quantité de rayonnement tellurique

8 La température d équilibre (1) o L explication réside dans T de la dernière surface émettrice : la zone tropicale est plus chaude que les zones polaires et émet donc un rayonnement plus intense o Le rayonnement émis par le sommet d un nuage est + faible puisque le sommet d un nuage est toujours plus froid que la surface sousjacente = minimum relatif à l équateur en rapport avec la ZCIT (ceinture nuageuse quasi- permanente) + maximum sur les déserts tropicaux et l est des océans tropicaux o La moyenne de la carte équilibre le RS absorbé par le système climatique dans son ensemble o Le système climatique émet donc autant de rayonnement qu il n en absorbe o Mais comment la surface peut-elle émettre autant de rayonnement?

9 La température d équilibre (2) o La Terre absorbe donc une certaine quantité d énergie de la part du RS o Le RS absorbé est utilisé pour échauffer la Terre (surface et atmosphère) o Quelle est la température pour équilibrer l émission d énergie correspondante? o La température d équilibre est une mesure fictive de la température moyenne planétaire correspondant à un strict équilibre entre le RS absorbé et le rayonnement émis

10 La température d équilibre (3) R absorbé = R émis R absorbé = (1- albédo planétaire) constante solaire / 4 R absorbé = 1367/4 0.7 = 239 W/m² R émis = (loi de Stefan-Boltzman)

11 La température d équilibre (4) o La température d équilibre est donc de 255 K (-18 C). La température en surface est en réalité de 288 K soit 15 C (= 33 de plus) o Le phénomène qui explique en partie la différence entre la température d équilibre de la Terre et la température réellement observée en surface s appelle l effet de serre o La température de surface de la Terre n est pas uniquement contrôlée par le bilan radiatif de surface mais aussi par la convection qui redistribue la chaleur en direction de l atmosphère (sans convection la T de surface serait de 60 C) o Le mécanisme de l effet de serre : l atmosphère absorbe peu le RS (20% du RS incident au sommet de l atmosphère) mais très bien le rayonnement tellurique émis par la surface (nuance de répartition spectrale) o L atmosphère terrestre absorbe donc mal «le visible» mais très bien l infrarouge

12 L absorption du RIR o Cette capacité est liée à la trace de présences gazeuses qui ont cet effet de serre o Les composés gazeux les plus importants sont: - la vapeur d eau (H²O) - le dioxyde de carbone (CO²) - le méthane (CH4) - l ozone (O3) o La vapeur d eau et l ozone ne sont pas répartis uniformément sur Terre o L absorption du rayonnement IR est partiellement convertie en chaleur et l atmosphère émet à son tour un rayonnement IR en partie vers le bas et en partie vers le haut

13 Les composés gazeux dans l atmosphère

14 L effet de serre simplifié (1) La T de surface correspond à la T d équilibre + l effet de serre RS entrant RS sortant réfléchie par l A RS sortant réfléchie par la S atmosphère RS entrant net RS absorbé par la S = échauffement Une partie du RIR est absorbée par les GES = échauffement = émission de rayonnement en partie vers le bas = la surface se réchauffe surface terrestre

15 L effet de serre (2) Rapport entre le rayonnement IR net (différence entre le rayonnement IR émis par la surface terrestre et le rayonnement IR atmosphérique absorbé par la surface) et le rayonnement IR émis par la surface terrestre (moyenne annuelle) o Valeurs théoriques à 0 dans le cas où le RA dirigé vers le bas serait équivalent au R émis par la surface et à 1 si le RA dirigé vers le bas serait nul et que la totalité du R émis par la surface ne soit pas absorbé par l atmosphère o C est une mesure de l efficacité de l effet de serre (effet maximal lorsque les valeurs se rapprochent de 0) o Valeurs faibles presque partout sur Terre

16 L effet de serre (3) o Exemples de rapport entre le RIR émis par la surface et le RIR émis par l atmosphère et absorbé par la surface (le schéma de gauche représente ce qui se passe en moyenne au-dessus des océans tropicaux et celui de droite correspond au mécanisme des continents polaires) effet de serre fort effet de serre faible atmosphère atmosphère RIR émis par l A et absorbé par la S RIR émis par la S RIR émis par la S rapport faible surface rapport élevé surface

17 L effet de serre (4) o Valeurs océaniques sont >0.175 excepté sur les hautes latitudes et les minimas absolus se situent sur les continents équatoriaux et sur le Pacifique équatorial occidental o Ces secteurs combinent des T élevées avec une source d humidité illimitée = effet de serre maximal o Les maximas absolus se situent sur les pôles (Antarctique > 0.4 et 0.7 = air très sec) + maximas relatifs sur les continents tropicaux et tempérés o Attention à ne pas confondre cette géographie avec celle des anomalies de T liées au réchauffement climatique (effet de serre additionnel)

18 La perturbation anthropique (1) o Les anomalies les plus fortes se situent principalement sur l Arctique ainsi que sur les continents de l hémisphère nord avec une hausse modérée sur les océans o Anomalies plus faibles dans l hémisphère sud (abondance de l océan) o Augmentation brutale des températures à partir de 1970 en r e l a t i o n a v e c l e s é m i s s i o n s anthropiques de CO2 de plus en plus importantes

19 La perturbation anthropique (2) o Degré d implication du CO2 dans les anomalies de température depuis 1850? o Forçage radiatif solaire = la relation est linéaire mais les max d anomalies positives ne correspondent pas toujours aux max d insolation o En revanche, les concentrations max de CO2 correspondent aux anomalies positives de T les plus fortes. La relation est bien plus intense lorsque les valeurs de CO2 sont élevées

20 À retenir o Le RS absorbé par la terre (surface + atmosphère) sert en partie à la chauffer. Cet échauffement suscite une émission de rayonnement IR proportionnelle à la puissance 4 de sa température. Le R émis par la surface terrestre est - contrairement au RS - pratiquement totalement absorbé par l atmosphère. Cette absorption réchauffe l atmosphère ce qui augmente son rayonnement IR vers le haut et vers le bas. Ce dernier est à son tour absorbé par la surface terrestre; ce phénomène est lié à la présence de gaz au moins tri-atomiques au sein de l atmosphère et s appelle l effet de serre o L effet de serre contribue à une augmentation de la température de surface de 33 C o Le bilan entre RS absorbé et R émis par la terre est équilibré si on considère la moyenne planétaire. La surface et l atmosphère se réchauffent en plus du RS absorbé via l effet de serre

21 Exercices (1) Quel type de rayonnement est impliqué dans l'effet de serre? le rayonnement solaire ou les rayonnements terrestre et atmosphérique? Pourquoi la moyenne spatiale de la carte de rayonnement infrarouge mesurée au sommet de l atmosphère (figure n 1) est de 240 W/m2? A quoi correspond cette valeur? Calculez la température d'équilibre sur Mars et Vénus et estimez les effets de serre respectifs des deux planètes C o n s t a n t e solaire (W/m2) A l b é d o moyen Température d é q u i l i b r e ( K) Température moyenne de s u r f a c e observée ( K) Effet de serre relatif ( K) Venus ? 760 +? Mars ? 230 +? Terre

22 Exercices (2) A votre avis, l'effet de serre joue t'il le jour, la nuit? ou bien les deux?. Quand est-il relativement le plus important pour la détermination de la température de surface? L'homme par ses activités ajoute du CO2, CH4 (fig. 5) et d'autres gaz à effet de serre dans l'atmosphère. A votre avis, quelle est la conséquence sur la température moyenne planétaire? Essayez de disséquer le mécanisme en passant par le bilan radiatif.

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