Bilan énergétique de la Terre et rôle de l'effet de serre

Bilan énergétique de la Terre et rôle de l'effet de serre Jean-Louis Dufresne LMD/IPSL; CNRS/UPMC dufresne@lmd.jussieu.fr http://web.lmd.jussieu.fr/~jldufres/

Bilan énergétique de la Terre et rôle de l'effet de serre Rayonnement visible et infrarouge Principe de l'effet de serre Effet de serre, changement climatique et modélisation du climat

Rayonnement électromagnétique Rayonnement électromagnétique: Transporte de l'énergie dans le vide et dans les matériaux Caractérisé par un flux d'énergie transportée (on parle aussi d'intensité du rayonnement) et par une longueur d'onde (ou un spectre de longueur d'onde) Description quantique: flux de photons, l'énergie de chaque photon dépendant de la longueur d'onde

Rayonnement électromagnétique a) Si la température de l objet est très élevée (supérieure à environ 700 C), notre œil voit une partie du rayonnement émis par cet objet : C est le rayonnement visible Soleil : T=6000 C b) Si la température de l objet est inférieure à 700 C, notre œil ne voit pas le rayonnement émis par l objet : C est le rayonnement infrarouge Lampe à filament: T= 2500 C Lave de volcan: T= 000 C

Rayonnement infrarouge Expérience pour mettre en évidence de l'existence d'un rayonnement non visible dont l'émission dépend de la température Détecteur ou thermomètre infrarouge Fond (caisse...) tube Bouteille avec Eau chaude Eau froide Main

Rayonnement infrarouge Expérience pour mettre en évidence de l'existence d'un rayonnement qui est absorbé ou non selon les matériaux qui est émis par les matériaux qui l'absorbent Détecteur ou thermomètre infrarouge Fond (caisse...) tube écran Main ou bouteille avec eau chaude Expérience sans et avec différents écrans. opaque aux rayonnements visible et infrarouge (bois...), éventuellement chauffée 2. transparent aux ray. visible et infrarouge (polyéthylène...) 3. transparent au visible, opaque à l'infrarouge (plexiglas, polycarbonate...) 4. opaque au visible, transparent à l'infrarouge (polyéthylène teinté (sac poubelle)...)

Rayonnement émis et absorbé Tout corps perd de l'énergie en émettant un rayonnement dont l'intensité et le spectre dépendent de la température absolue T. Intensité du rayonnement: P=εσT 4 P: puissance (W.m -2 ) T: température (K) σ: constante de Stefan-Boltzmann (5,67.0-8 W.m -2.K -4 ) ε: émissivité du matériaux (0<ε<). ex: T= 300K (27 C), ε= => P 460 W.m -2 T= 273K (0 C), ε==> P 35 W.m -2 Émissivité = absorptivité, pour chaque longueur d'onde ε= pour les matériaux parfaitement absorbant ε=0 pour les matériaux parfaitement transparent Émission de rayonnement: transformation d'énergie thermique (chimique, électrique...) en énergie radiative Absorption de rayonnement: transformation d'énergie radiative en énergie thermique (chimique, électrique...). Par ex: plaque noire au soleil.

Spectre d'émission Énergie émise (fonction de Planck) en fonction de la longueur d'onde (ou spectre d'émission), pour différentes températures: 6000 C (soleil) 2200 C (lampe à filament) 700 C (lave de volcan) 30 C (temp. ambiante) Spectres d'émission Spectres d'émission normalisés par la valeur maximum 6000 C Energie émise 2200 C 700 C 30 C 6000 C 700 C 2200 C 30 C Longueur d'onde (µm) Longueur d'onde (µm)

Température d'équilibre plaque a) b) c) Si un objet reçoit plus d énergie qu il n en perd, sa température augmente. Comme sa température augmente, l'énergie perdue par émission de rayonnement augmente. L équilibre est atteint lorsque l énergie que perd l'objet est exactement compensée par l énergie qu il reçoit.

4) Température d équilibre d une plaque au soleil plaque a) Prenons une plaque noire, posée sur un de sorte qu elle ne peut émettre du rayonnement que vers le haut.

4) Température d équilibre d une plaque au soleil plaque a) Prenons une plaque noire, posée sur un de sorte qu elle ne peut émettre du rayonnement que vers le haut. Plaçons cette plaque au soleil : parce qu elle est noire, elle absorbe le rayonnement solaire. Elle gagne de l énergie.

4) Température d équilibre d une plaque au soleil plaque b) Comme elle gagne de l énergie sa température augmente. Comme sa température augmente, l'énergie perdue par émission de rayonnement augmente.

4) Température d équilibre d une plaque au soleil plaque c) Finalement elle atteint sa température d équilibre lorsqu elle perd autant d énergie par émission de rayonnement infrarouge qu elle en gagne par absorption de rayonnement solaire.

5) L effet de serre Vitre plaque Plaçons maintenant une vitre au-dessus de cette plaque au soleil. Cette vitre est parfaitement transparente au rayonnement solaire mais absorbe totalement le rayonnement infrarouge.

5) L effet de serre Vitre plaque L absorption par la vitre du rayonnement infrarouge émis par la plaque lui fait gagner de l énergie donc sa température s élève.

5) L effet de serre Vitre plaque Comme la température de la vitre augmente, elle émet plus de rayonnement infrarouge. Dans le cas présent, elle émet autant de rayonnement vers le haut que vers le bas.

5) L effet de serre /2 Vitre /2 plaque Elle atteint sa température d équilibre lorsque elle perd autant d énergie qu elle en reçoit.

5) L effet de serre /2 Vitre /2 plaque Le rayonnement infrarouge émis par la vitre vers le bas est absorbé par la plaque.

5) L effet de serre /2 Vitre /2 plaque Comme la plaque reçoit plus d énergie, sa température augmente et donc émet davantage de rayonnement infrarouge.

5) L effet de serre /2 Vitre /2 /2 plaque Jusqu à ce qu elle atteigne une nouvelle température d équilibre.

5) L effet de serre /2 Vitre /2 /2 plaque Ce rayonnement supplémentaire émis par la plaque est de nouveau absorbé par la vitre dont la température augmente encore.

5) L effet de serre /2 Vitre /2 /2 plaque Comme la température de la vitre augmente, elle émet plus de rayonnement infrarouge, moitié vers le haut, moitié vers le bas.

5) L effet de serre /2 /4 Vitre /2 /2 /4 plaque Elle atteint sa température d équilibre lorsque elle perd autant d énergie qu elle en reçoit.

5) L effet de serre /2 /4 Vitre /2 /2 /4 /4 plaque Comme la plaque reçoit plus d énergie, sa température augmente et donc émet davantage de rayonnement infrarouge. Elle atteint sa température d équilibre lorsque elle perd autant d énergie qu elle en reçoit.

5) L effet de serre /2 /4 /8 Vitre /2 /2 /4 /8 /4 Comme la plaque reçoit plus d énergie, sa température augmente et donc émet davantage de rayonnement infrarouge. Elle atteint sa température d équilibre lorsque elle perd autant d énergie qu elle en reçoit.

5) L effet de serre /2 /4 /8 Vitre /2 /2 /4 /4 /8 /8 Comme la plaque reçoit plus d énergie, sa température augmente et donc émet davantage de rayonnement infrarouge. Elle atteint sa température d équilibre lorsque elle perd autant d énergie qu elle en reçoit.

5) L effet de serre /2 /4 /8 /6 Vitre /2 /2 /4 /4 /8 /8 etc...

5) L effet de serre Vitre plaque et si on fait la somme...

5) L effet de serre plaque Si on résume le déroulement précédent,...

5) L effet de serre Vitre plaque Placer une vitre au dessus d une plaque au soleil a pour effet de «piéger» le rayonnement infrarouge émis par la plaque, et donc d augmenter sa température.

5) L effet de serre Vitre plaque Mesure de l'intensité de l'effet de serre: différence entre le rayonnement infrarouge émis par la surface et le rayonnement infrarouge sortant.

Principe de l'effet de serre Pas de vitre T Une vitre T T 2 Deux vitres 3 T T 2 T 3 T 3 >T 2 > T L'effet de serre peut augmenter même si l'opacité de la couverture n'augmente plus

L'effet de serre: un phénomène physique réel... mais mal nommé Dans les serres horticoles, le réchauffement est principalement dû à la limitation des échanges par évaporation et convection Sur Terre les échanges entre la surface et l'atmosphère sont également dominés par l'évaporation-condensation, mais ce sont les échanges par rayonnement infrarouge qui contrôlent le refroidissement vers 'espace [Trenberth et al., BAM S, 2009]

Expériences sur l'effet de serre Beaucoup d'expériences «classiques» ne montrent pas «l'effet de serre», c'est à dire l'effet de l'absorption du rayonnement infrarouge Recommandation: expérience avec détecteur de présence pour montrer l'existence du rayonnement infra-rouge Réalisation de serre de type "capteur solaire", avec une couverture plus ou moins transparente au rayonnement infrarouge. Verre, ou plexiglas : opaque à l'infrarouge Polyéthylène (ou certains plastics horticoles): transparent à l'infrarouge

Température d'équilibre de la Terre Modèle énergétique 0D Surface de la Terre Émission de rayonnement infrarouge 4.π R 2 σ T e 4 Émission du corps noir Absorption du rayonnement solaire (-A) π.r 2.F 0 Flux solaire à l'extérieur de l'atmosphère Section de la Terre Coefficient d'absorption Équilibre énergétique: flux infrarouge émis = flux solaire absorbé 4 π R 2 σ T e4 = (-A) π R 2 F 0 σ T e4 = ¼ (-A) F 0 Avec Te: Température d'équilibre radiatif A : albédo planétaire F 0 : Flux solaire à l'extérieur de l'atmosphère σ : constante de Stefan-Boltzmann

Température d'équilibre de la Terre (2) Modèle énergétique 0D Température d'équilibre radiatif de la Terre pour diverses valeurs de l'albédo. Albédo (c.-à-d. pourcentage de rayonnement solaire réfléchi) de différents type de surface Neige fraîche 75 à 95% Surface de la mer 2 à 7 % Sol sombre 5 à 5% Cultures 5 à 25% La valeur moyenne actuelle de l'albédo de la Terre est 30%, notamment du fait de la présence de nuages. La valeur moyenne actuelle du globe est 0,3, ce qui correspond à une température de 255 K (soit -8 C). La température de surface plus élevée (environ 5 C) est due à l'effet de serre.

Principaux gaz à effet de serre Cont ribution à l'effet de serre Effet de serre (W.m -2 ): Vapeur d'eau 75 60% CO 2 32 26% ozone 0 8% N 2 O+CH 4 8 6% CH 4 N 2 O O 3 H 2 O CO 2 H2O CO2 O3 N2O+ CH4 Source: Meehl and Trenberth, 997

Changements climatiques Température moyenne de la Terre: Équilibre entre énergie reçue et perdue Toute modification des mécanismes d'absorption ou d'émission de l'énergie peut modifier la température moyenne de la Terre. «L'établissement et le progrès des sociétés humaines, l'action des forces naturelles peuvent changer notablement, et dans de vastes contrées, l'état de la surface du sol, la distribution des eaux et les grands mouvements de l'air. De tels effets sont propres à faire varier, dans le cours de plusieurs siècles, le degré de la chaleur moyenne». J. Fourier, 824. Prévoir un changement de la température moyenne de la Terre serait simple... si le climat ne changeait pas. Par exemple, accroissement de température dû à une doublement de CO 2 : si seule la température changeait:.2 C

Principaux gaz à effet de serre Cont ribution à l'effet de serre Effet de serre (W.m -2 ): Vapeur d'eau 75 60% CO 2 32 26% ozone 0 8% N 2 O+CH 4 8 6% CH 4 N 2 O O 3 H 2 O CO 2 H2O CO2 O3 N2O+ CH4 Accroissement de température dû à une doublement de CO 2 : si seule la température changeait:.2 C si la température et l'humidité absolue changeaient (en supposant que l'humidité relative reste constante): 2.5 C

Modélisation numérique 3D du climat Discrétisation et résolution numérique Réalisation: L. Fairhead, LMD/IPSL/CNRS

Les différentes composantes d'un modèle météorologique ou climatique Echanges d énergie Echanges d eau Echanges biogéochimi ques Atmosphère jour - 0 ans CO 2, CH 4, O 3 mois - 0 9 ans H 2 0 H 2 0 Glace mois - 0 ans Cal otte 0 3-0 6 ans Lithosphère 0 4-0 9 ans Océan 0-000 ans mois -0 ans Biosphère mois -00 ans Imbrication des échelles de temps et d espace : de la météorologie (seconde à heure) au millénaire et au delà Imbrication climat-cycle biogéochimiques

Comment «tourne» un modèle? On part d'un état initial, et on effectue une simulation avec des conditions aux limites (des forçages) fixes ou variables avec le temps Méthode: Réalisation de simulations numériques avec différentes conditions aux limites (différents forçages) ou différentes conditions initiales Analyses statistiques des résultats de simulations Exemple: simulation de l'évolution du climat de 850 à 200 sous l'effet d'un accroissement des gaz à effet de serre

Quels sont les «forçages» de ces modèles? naturelles anthropiques Source: GIEC, 200

Ex : L'homme a-t-il déjà changé le climat? Anomalie de température de la surface de la Terre observée et calculée en prenant en compte les perturbations naturelles et les perturbations dues aux activités humaines (accroissement observé de la quantité de gaz à effet de serre et des aérosols) Anomalie de température de la surface de la Terre observée et calculée en prenant en compte uniquement les perturbations naturelles (éruptions volcaniques, activité solaire...) Source: GIEC 2007

Ex2 :Effets d'une augmentation de l'effet de serre Doublement de la concentration en CO 2 : Si seule la température change: T,2 C Si les autres variable climatiques changent aussi: T 3 C Rétroactions climatiques Rétroaction des nuages Rétroaction de la cryosphère Rétroaction de la vapeur d'eau et du gradient de température Effet direct de l'augmentation du CO 2

Effets d'une augmentation de l'effet de serre Les rétroactions positives amplifient la perturbation initiale de température; les rétroactions négatives réduisent la perturbation initiale de température Simuler les rétroactions climatiques (vapeur, nuages, neige, glace...) nécessite de simuler l'ensemble des caractéristiques du climat L'existence de rétroactions positives ne veut pas dire que le système soit instable, s'emballe. Ex: balance «à eau»

Bibliographie Climat d'hier à demain, S. Joussaume, CNRS éditions/cea, Paris,2000. Un livre accessible et attrayant, présentant à la fois les caractéristiques principales du climat et leurs évolutions au cours du temps (périodes glaciaires...) Le climat de la terre, R. Sadourny, Dominos/Flammarion, 994. Un livre au format " poches " qui contient beaucoup d'informations et permet une bonne compréhension du climat terrestre. Ne comporte pas d'équation mais requiert une lecture attentive. La Physique de l'atmosphère, J-L Dufresne, in Graines de Sciences 4, pp.59-94, Edition Le Pommier, 2002. La Physique du climat, J-L Dufresne, in Graines de Sciences 2, pp.77-00, Edition Le Pommier, Paris, 2000. Atmosphère, océan et climat. R. Delmas, S. Chauzy, J.-M. Verstraete et H. Ferré. Editions Belin Pour la Science, Paris, 2007, 288 p. En s appuyant sur un ensemble de schémas pédagogiques de grande qualité, ce livre explique de façon simple mais précise le fonctionnement de l atmosphère, de l océan et du climat. Comprendre le changement climatiques. J-L Fellous et C. Gautier, 298p., Ed. O. Jacob, 2007 Sites web http://www.educnet.education.fr/meteo/default.htm Météorologie et enseignement, pour une pédagogie par la météorologie, site Educnet du Ministère de l'éducation Nationale http://galileo.cyberscol.qc.ca/intermet/accueil.html, InterMet (Canada), et notamment ses ressources éducatives. http://www.ens-lyon.fr/planet-terre Site Planet-Terre http://www.cnrs.fr/dossiers/dosclim/index.htm, dossier climat du site du CNRS