L'effet de serre

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L’effet de serre

En l’absence de tout effet de serre, si l’atmosphère était parfaitement transparente au rayonnement infrarouge émis par la surface de la Terre, des calculs théoriques nous indiquent que la température superficielle de la Terre ne serait que de -18 °C. En réalité, la vapeur d’eau, l’eau liquide des nuages, le gaz carbonique et d’autres éléments à l’état de traces dans l’air, absorbent une fraction importante du rayonnement infrarouge émis par la surface, limitant ainsi la déperdition d’énergie en direction de l’espace. Agissant comme des «corps noir», tous ces constituants renvoient un flux d’énergie infrarouge vers la surface. Grâce à cet apport supplémentaire, la température moyenne à la surface de la Terre atteint +15 °C, et non -18 °C. Sans effet de serre, la Terre serait un vaste désert de glace.

Ce processus a pris le nom d’effet de serre par analogie avec la serre du jardinier car, comme la vitre d’une serre, l’atmosphère permet au rayonnement solaire de pénétrer jusqu’à la surface mais empêche la perte de chaleur en piégeant le rayonnement infrarouge émis par la surface.

Il est important de noter que l’effet de serre décrit ci-dessus ne doit rien à l’action de l’homme. Le maintien de la température de la surface de la Terre au voisinage de 15 °C dépend de la composition naturelle de l’atmosphère. Il résulte en grande partie de la présence de vapeur d’eau, qui joue un rôle majeur dans l’effet de serre, mais également de celle du gaz carbonique, pourtant présent en très faible proportion dans l’air (0,03% en volume). L’augmentation constante de la concentration du gaz carbonique dans l’air depuis deux siècles pourrait bien provoquer un réchauffement additionnel de la surface de la Terre dans le futur .

Le cycle de l’eau

Lors de sa traversée des différentes couches de l’atmosphère, une partie du rayonnement solaire est absorbée au sein même de l’atmosphère, par l’ozone dans la stratosphère et par la vapeur d’eau dans la troposphère. Environ la moitié de l’énergie incidente atteint cependant la surface de la Terre, où elle est partiellement compensée par la déperdition de rayonnement infrarouge vers l’atmosphère. Reste disponible à la surface un excédent d’énergie de 100 W/m² qui permet le réchauffement de l’air environnant et surtout l’évaporation de l’eau en surface, alimentant ainsi le cycle de l’eau sur notre planète.

Le processus d’évaporation qui se produit à la surface des océans et au-dessus des sols nécessite en effet beaucoup d’énergie afin de casser les liens qui existent entre les molécules d’eau à l’état liquide et les transformer en vapeur. La vapeur d’eau est ensuite transportée au gré des vents jusqu’à ce qu’elle se condense sous forme de gouttes d’eau ou de cristaux de neige, entraînés par leur poids vers la surface lors de précipitations. La vapeur d’eau contenue dans l’air ne peut en effet dépasser le seuil de saturation. Au-delà de ce seuil, un changement de phase se produit et de l’eau liquide ou solide se forme, libérant de l’énergie en quantité égale à celle qui a été consommée lors de l’évaporation.

Ainsi, le cycle de l’évaporation et de la précipitation de l’eau prélève de l’énergie à la surface des océans et des continents pour la redistribuer au sein de l’atmosphère. Ce processus refroidit la surface et réchauffe l’atmosphère, atténuant ainsi les différences de température entre les couches hautes et basses de l’atmosphère. Le cycle de l’eau joue de ce fait un rôle fondamental dans la répartition de l’énergie entre la surface et l’atmosphère. Evaporation et condensation régénèrent en permanence le stock de vapeur d’eau de l’atmosphère mais la quantité de vapeur d’eau présente dans l’air reste cependant assez faible: à l’état condensé, elle recouvrirait toute la surface du globe sur 2,5 cm d’épaisseur. Pourtant, le cycle de l’eau implique en moyenne l’évaporation et la précipitation d’une couche qui correspondrait à environ 80 cm d’eau au cours d’une année. Le temps de recyclage de l’eau dans l’atmosphère est par conséquent très rapide et permet un renouvellement complet de la vapeur d’eau en une dizaine de jours. L’eau, dont l’essentiel s’évapore au-dessus des océans (86%), retourne dans les océans, soit directement par précipitation, soit par la décharge des fleuves et des rivières après ruissellement sur les continents. Globalement, évaporation et pluies se compensent exactement, maintenant une concentration pratiquement constante de vapeur d’eau dans l’air.

Vents et courants

Le bilan net entre le rayonnement reçu du Soleil et celui émis vers l’espace ne présente pas une distribution uniforme, contrairement à ce que pourrait laisser supposer la description globale précédente.Le flux net d’énergie varie suivant la latitude, les régions géographiques et la saison.

Le rayonnement solaire décroît fortement de l’équàteur vers les pôles alors que le rayonnement infrarouge émis varie peu. Il s’ensuit un excédent d’énergie dans les régions tropicales et un déficit dans les latitudes situées au-delà de 40° nord et sud. L’équilibre entre l’apport d’énergie solaire et la perte par rayonnement infrarouge n’est réalisé qu’en moyenne sur toute la Terre et sur une année mais pas instantanément en chaque point de la planète. Chauffés à Péquateur, refroidis au pôle, l’atmosphère et l’océan s’animent et transportent l’excédent d’énergie des régions tropicales vers les hautes latitudes déficitaires. Sans ce mouvement de brassage, les tropiques connaîtraient des températures encore plus chaudes et les pôles des températures encore plus froides.

L’ensemble Terre-atmosphère se comporte ainsi comme une gigantesque machine thermique qui transforme l’énergie solaire en énergie mécanique matérialisée par les vents et les courants. Cette machine n’est cependant pas très efficace, car à peine 1% de l’énergie disponible pour l’ensemble Terre-atmosphère (240 W/m²) est responsable des mouvements qui animent l’air et les océans. For: heureusement d’ailleurs, car l’énergie mise en feu au cours des tempêtes provoque déjà suffisamment d’effets dévastateurs !