Cours M2-ICE
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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 La Machine Climatique Système Terre Soleil Atmosphère Radiateur Carburant Machine • 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 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 Terre zero-D α F0 Flux émis = σ T4 F0≈1370 Wm-2 (4 π R2) σ T4 = (π R2) (1-α) F0 T=256 K (-17°C) Structure verticale de l'atmosphère (Terre 1D) Trad=256K Tsurf≈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. 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 Soleil 5700 K 0.2 Terre 290 K 3.5 100 c1!"5 B(!,T) = exp(c2 / !T) "1 W m "2 ster "1µm "1 c1 = 1,1911.10 8 SI, c2 = 1, 44.104 SI Longueur d'onde 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 Absorption des différents gaz atmosphériques Comparaison aux planètes proches Vénus dist soleil α 0,72 0,77 Nuages 100% Trad Tsurf constituants (K) Pres (atm) effet de serre (K) 227 750 90 CO2> 90% 119 256 280 1 1,6 216 240 0,007 N2 78% O2 21% CO2 80% (H2SO4) Terre 1 0,30 50% (H2O) Mars 1,52 0,15 traces Effet de Serre : σ T4surf / σ T4rad 1,5 Bilan énergétique de la Terre 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 Terre avec une atmosphère à une/deux couches 1" # F0 4 = $ TE4 " Ta4 Ta4 = TE4 TS4 = 2 TE4 ! " Ta4 ! 1" # F0 4 = $ TE4 ! " TS4 ! TS4 = Ta4 + TE4 ! ! ! " T14 2 T14 = T24 ! ! " T24 ! ! " T24 " T14 ! " TS4 ! TS4 = 3 TE4 2 T24 = TS4 + T14 TS4 = T24 + TE4! Bilan Radiatif Zonal Terre 2D Les saisons: Obliquité de la Terre 23.45 degrees Eléments clés du bilan radiatif (W m-2) Flux Solaire absorbé Insolation Flux Net Flux émis (IR) 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 Flux radiatifs, par bande de latitude Transport d’énergie vers les pôles RTOA Fao(φ) Fao(φ+∆φ) ΔFao = Fao(φ+∆φ) - Fao(φ) Atmosphère et Océans On peut intégrer cette équation depuis les pôles: RTOA Fao(φ) Pôle Sud (Fao = 0) Latitude φ Transport d’énergie vers les pôles 1015 W Solid line - atm+ocn transport; Dashed - ocn only; dash-dot - atm only Trenberth and Caron (J Clim 14 3433-2001) Transport de l'énergie des tropiques vers les pôles 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 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 Océan La couche supérieure de l'océan (≈100 m) contient 30 fois plus d'énergie calorique que l'atmosphère La circulation thermohaline ou le tapis roulant océanique Cycle du Carbone, naturel et perturbé Augmentation du CO2 et cycle annuel Rythme d'augmentation et émissions PgC/y 8 CO2 GROWTH RATE Global (NOAA) 6 Fossil Fuel Cape Grim (CSIRO) 4 2 SOI Mauna Loa (Scripps/NOAA) 30 La Nina 0 -30 Pinatubo El Nino 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 (R J Francey, pers. Com) Concentration atmosphérique du CO2 Concentrations du CO2, CH4 et N2O Augmentation de l'Effet de Serre Augmentation de [CO2] 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. CO2 et Température • La concentration des gaz tels que CO2, CH4 et N2O 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 Ts4 - (1-α) F0 / 4 • ΔG = 4 σ Ts3 ΔTs ==> ΔTs = 0.5 K Température moyenne de la Terre Température moyenne de la Terre La température de l'atmosphère vue par les satellites Haute atmosphère Basse atmosphère 1980 2000 1980 • Signal différent des mesures de surface • Explications pour ce désaccord, mais pas pour l'ensemble • Effet des éruptions volcaniques sur la haute atmosphère 2000 Un réchauffement global • La tendance au réchauffement est pratiquement globale • Incertitude dans de nombreuses régions du globe mal échantillonnées 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 Forçage radiatif additionnel depuis un siècle Les rétroactions f forçage f ! T ΔQ système climatique η ! !T = "(!Q + f!T) !T = T "!Q 1 - "f 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 H2O est un puissant gaz à effet de Serre, c'est une pression de vapeur saturante (hPa) de la vapeur d'eau rétroaction positive très forte Température T(K) 320 310 300 vapeur 290 280 270 liquide 260 250 240 1 10 * e (hPa) Pression de vapeur saturante 100 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) F0 (le flux solaire absorbé) va donc augmenter • Une augmentation de la température est alors nécessaire pour rétablir l'équilibre radiatif 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... Température Moyenne simulée par les modèles de Climat Et pour le futur ??? 700 Projected (2100) 650 600 Concentration en CO2 500 Vostok Record 450 IPCC IS92a Scenario 400 Current (2001) 350 300 250 200 150 450 300 150 Age of Entrapped Air (kyr BP) 0 CO2 Concentration (ppmv) 550 Température Source: IPCC TAR 2001
