L'évolution du climat

Le Soleil, moteur de l'atmosphère ?

L'énergie reçue du Soleil est le moteur de la machine climatique : l'inclinaison de la Terre sur son orbite explique les saisons, l'atmosphère régule les différences d'ensoleillement entre équateur et pôles par ses mouvements de grande échelle,  et jusqu'aux plus petites échelle c'est encore le Soleil qui gouverne les processus physiques dans les nuages.

Quel est le principe de fonctionnement du climat ?

Ne vous laissez pas éblouir par le Soleil ! Le climat, et, comme nous allons le voir plus loin, tous les phénomènes atmosphériques sont gouvernés non pas par un, mais deux partenaires : le Soleil, très chaud, et l'espace intersidéral, très froid. Le Soleil n'est qu'un point dans le ciel, mais sa température est d'environ 6 000 °C ; il émet donc un rayonnement très énergétique visible, jaune principalement. L'espace nous entoure, mais sa température n'est que de -269 °C ; il absorbe donc toute l'énergie émise par la Terre, sans rien nous retourner. Le climat reflète cet équilibre entre l'énergie reçue par le Soleil et celle que nous perdons vers l'espace.

Le système Terre-Atmosphère reçoit en moyenne du Soleil 341 W.m-2

La température d'équilibre d'un tel système est de -18°C, bien inférieure à la température moyenne de la surface terrestre, 15 °C en moyenne. Notre confort, nous le devons à l'atmosphère. En effet, à ces températures, le rayonnement est émis dans l'infrarouge thermique, or l'atmosphère est transparente au rayonnement solaire visible, tandis qu'elle est opaque, pour le rayonnement infrarouge.

Vue de l'espace, la température du système Terre-Atmosphère est bien de -18 °C, mais l'atmosphère est globalement plus froide, tandis que la surface terrestre est plus chaude. C'est ce qu'on appelle communément l'effet de serre.

Comment l'atmosphère régule-t-elle la température de surface ?

Le système climatique reçoit l'essentiel de son énergie du Soleil, les autres sources énergétiques, comme la géothermie et la gravité, étant d'un apport négligeable.

K.Trenberth
Bilan énergétique moyen pour la période de mars 2000 à mars 2004 en Wm-2
(d'après Trenberth et al, 2009)

Les flèches représentent les flux énergétiques en proportion de leurs intensités. Le terme de déséquilibre du bilan de 0,9 Wm-2 au sommet de l'atmosphère et en surface n'est pas déduit des observations satellitaires trop incertaines. Il est calculé à partir de simulations du climat prenant en compte les forçages naturels et anthropiques sur la période (Hansen et al, 2005). Les résultats de ces simulations sont conformes aux évolutions du contenu énergétique de l'océan et de la température de surface déduits d'observations indépendantes.

L'énergie solaire reçue sous forme de rayonnement électromagnétique correspond sensiblement au rayonnement d'un corps noir d'une température de 5800 K, donc principalement dans le domaine de longueur d'ondes visibles, mais avec une part non négligeable dans le domaine de l'ultraviolet et du proche infrarouge. A sa traversée dans l'atmosphère, ce rayonnement est pour partie réfléchi ou diffusé par les nuages, par les particules en suspension (aérosols) et par les gaz atmosphériques. Une autre part de ce rayonnement est aussi absorbée par ces gaz, comme la vapeur d'eau, et par les aérosols.
En surface, la part du rayonnement non réfléchi est absorbée, constituant un apport d'énergie pour les océans et les continents qui, à l'équilibre, est compensé par une perte énergétique équivalente. Cette perte est soit sous forme radiative, mais dans un domaine de longueur d'onde situé dans l'infrarouge, soit sous forme de transferts de chaleur liés à la conduction (dite chaleur sensible) ou liés aux changements de phase de l'eau (dite chaleur latente).
Le rayonnement infrarouge montant de la surface est pour partie absorbé puis réémis par les gaz à effet de serre et les nuages. C'est la part réémise vers la surface qui est à l'origine du réchauffement attribué à l'effet de serre. La part transmise vers l'espace, à l'équilibre, doit exactement compenser le rayonnement solaire net au sommet de l'atmosphère, bilan entre le rayonnement incident et le rayonnement réfléchi.

Comment les différents termes du bilan ont-ils été estimés ?
Les premières données utilisables pour estimer les différents termes du bilan au sommet de l'atmosphère sont les données satellitaires, même si elles ne couvrent que des périodes de temps limitées. Pour les flux montants, ces données ont une incertitude relative de l'ordre de 3%. Les termes du bilan radiatif à la surface dans le domaine du visible peuvent être aussi estimés à partir de données satellitaires, avec une incertitude relative de 5% pour le flux incident et de 10% pour le flux réfléchi. Les autres termes du bilan de surface sont déduits de réanalyses atmosphériques ou, comme le flux infrarouge montant au sommet de l'atmosphère, comme terme résiduel du bilan. Ce sont ces mêmes réanalyses qui permettent  d'évaluer les termes de conversion de l'énergie entre ses différents réservoirs atmosphériques (interne, potentielle de pesanteur, cinétique, de chaleur latente) et les transports par l'atmosphère et par les océans nécessaires pour équilibrer les bilans entre régions excédentaires (en particulier équatoriales) et les régions déficitaires (en particulier polaires).

Bilan : (voir figure et l'animation sur "L'effet de serre")
Au sommet de l'atmosphère (on compte positivement l'énergie émise vers l'espace) :
+101,9 - 341,3 + 238,5 = -0,9 W.m-2
Au sol :
-161 +17 + 80 +396 -333 = -1 W.m-2

Sur la période récente, le bilan d'énergie moyen au sommet de l'atmosphère et en surface est légèrement déséquilibré en raison de la modification de la composition chimique de l'atmosphère du fait des activités humaines.

Jour et nuit, climats, saisons

Le jour et la nuit
La Terre tourne et chaque région du globe se réchauffe le jour en absorbant le rayonnement solaire et se refroidit la nuit en émettant vers l'espace.
Les climats
Son axe de rotation est sensiblement perpendiculaire au plan de l'orbite : vers l'équateur et à midi, le Soleil est proche du zénith et l'énergie reçue par mètre carré est élevée. Aux pôles et quelle que soit l'heure, le Soleil reste sur l'horizon et l'énergie reçue est réduite. Cela explique le contraste entre climat équatorial ou tropical et climat polaire.
Les saisons
L'axe de rotation est cependant légèrement incliné par rapport au plan de l'orbite : le 21 juin (solstice d'été), nous voyons le Soleil au plus haut dans l'hémisphère Nord (au zénith, si nous nous plaçons sur le tropique du Cancer) et nous recevons une part plus grande du rayonnement solaire. Au contraire, dans l'hémisphère Sud, le Soleil est couché sur l'horizon et le rayonnement reçu par mètre carré est réduit. Une petite calotte au pôle Sud ne reçoit même plus de rayonnement, c'est la nuit polaire. En hiver, l'inverse se produit. C'est là l'origine des saisons.

Météo-France

Extrait de l'animation sur "Les Saisons"

La circulation générale

Là encore, l'atmosphère joue un rôle vital pour notre confort. Sans elle, les contrastes entre le jour et la nuit, l'équateur et les pôles, ou encore l'été et l'hiver seraient insupportables. L'atmosphère travaille pour nous de deux manières. À court terme, la nuit elle se comporte comme une couverture. Grâce à son opacité dans l'infrarouge, elle retient le rayonnement thermique émis par la surface. Pour s'en convaincre, il suffit de noter à quel point la surface de notre gazon peut se refroidir, même en été, lorsque la nuit est très claire et donc légèrement plus transparente dans l'infrarouge. Le contraste jour/nuit est d'ailleurs considérablement plus élevé sur les planètes sans atmosphère (+100 °C à -100° C entre le jour et la nuit sur la Lune). Cette couverture seule ne suffirait cependant pas à lisser les contrastes géographiques ou saisonniers. À plus long terme et aux plus grandes échelles, l'atmosphère intervient en évacuant le surplus de chaleur des régions équatoriales vers les régions polaires. Sous quelle influence ? Nous retrouvons ici les deux partenaires mentionnés en introduction, le Soleil et l'espace, qui jouent respectivement le rôle de source chaude pour le Soleil et source froide pour l'espace, les deux composantes nécessaires au fonctionnement d'une machine thermique.

Une machine thermique fascinante

Ce processus de transport des surplus d'énergie agit à toutes les échelles dans l'espace et le temps. Intéressons nous tout d'abord à la diversité des moyens mis en œuvre par l'atmosphère pour transporter ces énergies.
- Le principe d'Archimède : lorsque le Soleil réchauffe l'air atmosphérique, à proximité de la surface, celui-ci devient plus léger que l'air des couches supérieures et il monte : c'est l'origine de la convection.
- Les changements de phases de l'eau : l'évaporation de l'eau absorbe une énorme quantité d'énergie (2,5 milliers de joules par gramme d'eau évaporée, l'équivalent de ce qui est nécessaire pour réchauffer un mètre cube d'air de 2,5 °C). À la surface des océans, plus de 85 % de l'énergie solaire profite à l'évaporation de l'eau, le reste réchauffe l'air situé au-dessus de la surface.
Grâce à la force d'Archimède, l'air chaud monte et transporte la vapeur d'eau avec son énergie (on parle alors d'énergie latente). En montant, l'air se détend et se refroidit jusqu'à atteindre le point de condensation de la vapeur d'eau qu'il transporte. Alors cette eau se condense, en libérant son énergie latente. La convection sèche n'est pas visible, mais dès lors que la condensation se produit, le phénomène devient observable. Ainsi se forment les nuages. En combinant, convection sèche et convection humide, l'atmosphère a trouvé un moyen efficace pour transporter d'énormes quantités d'énergie, sur de grandes distances.
À l'échelle globale, la ceinture de convection profonde participe au transport de l'énergie depuis les régions tropicales vers les régions tempérées (cellule de Hadley). Le même principe est mis en œuvre aux plus petites échelles, jusqu'à l'échelle locale, où un réchauffement excessif de la surface entraîne rapidement le déclenchement de la convection nuageuse. Plus généralement, tous les mouvements de l'atmosphère trouvent leur origine dans le contraste entre le réchauffement solaire et le refroidissement radiatif. Leur immense diversité (nuages, fronts, cyclones, etc.) et les formes spirales si souvent observées résultent du couplage entre la convection, qui agit suivant la verticale, et la rotation de la Terre, qui ajoute une composante horizontale aux mouvements de grande échelle (force de Coriolis).
Il faut aussi noter que par ce biais, l'atmosphère ajoute encore à notre confort en profitant de son activité pour nous livrer, dessalée et fraîche, l'eau qu'elle a subtilisée à l'océan.
L'atmosphère n'est pas seule à travailler, l'océan aussi participe à cet équilibrage des températures, mais il est plus discret. Lentement, de l'année au siècle, il transporte les surplus d'énergie des zones équatoriales vers les bassins polaires en apportant aux plus favorisés (le long du Gulf Stream, par exemple) un climat plus clément que ne saurait le faire l'atmosphère seule.

Les nuages : l'atmosphère sait aussi travailler dans la finesse

La convection nuageuse, les fronts et les cyclones sont les illustrations les plus spectaculaires du moteur thermique Soleil/espace. Les puissances mises en jeu sont de plusieurs milliers de mégawatts dans les énormes cumulo-nimbus des zones équatoriales, bien supérieures aux capacités des centrales nucléaires. Il est cependant tout aussi fascinant de s'intéresser à ses réalisations les plus subtiles. La surface terrestre est souvent recouverte de nuages étendus très fins, les strato-cumulus. Leur épaisseur est de quelques centaines de mètres et leur contenu en eau condensée de la portion de gramme par mètre cube d'air. Ces nuages sont  en apparence très fragiles et, de fait, ils peuvent être singulièrement perturbés par le passage des avions à proximité d'un aéroport. Lorsqu'ils se développent, ils sont pourtant capables de durer plusieurs jours et leur contribution au climat global est majeure.

Météo-France

 Strato-cumulus- Extrait de l'animation "Observer les nuages"

Comment expliquer l'apparente robustesse de ces nuages dans une atmosphère aussi fluctuante ?
Il faut, encore une fois, faire appel à cette capacité unique de l'atmosphère terrestre humide de rester transparente au rayonnement visible alors qu'elle est opaque pour le rayonnement infrarouge.
Dans la journée, le rayonnement solaire pénètre profondément dans les nuages peu épais et il réchauffe principalement leur base. Vis-à-vis du rayonnement infrarouge, le nuage est opaque et c'est sa croûte supérieure qui rayonne vers l'espace et le refroidit. Les puissances mises en jeu sont très faibles, de quelques watts par mètre carré, mais elles s'équilibrent très subtilement. Réchauffement par le bas et refroidissement par le haut, nous voici en présence d'une situation favorable à Archimède, qui va conduire au déclenchement de mouvements compensatoires qui vont délicatement (quelques dizaines de centimètres par seconde contre la dizaine de mètres par seconde dans un cumulo-nimbus) brasser le système nuageux et lui permettre de résister aux fluctuations de l'atmosphère environnante.

                                                                       D'après Jean-Louis Brenguier et Serge Planton