Mots clés : température de surface, Terre, atmosphère, coefficient d'absorption, longueur d'onde, albédo, effet de serre, transfert radiatif, simulation numérique

Atmosphère et rayonnements

Gilles Delaygue

Centre Européen de Recherche et d'Enseignement des Géosciences de l'Environnement, Aix en Provence.

Benoît Urgelli

Laboratoire de Sciences de la Terre, ENS lyon.

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

15/02/2003

Résumé

Simulations numériques permettant le calcul de la température de surface de la Terre avec différents modèles d'atmosphère.


Introduction

Accès à l'applette Transfert Radiatif (Radiative Transfert) sur le site Solar System Collaboratory de l'université du Colorado, USA. (Cette applette ne fonctionnera tout à fait correctement que sous MS Windows (95, 98, or NT 4.0) avec Netscape Navigator 4.5+ ou MS Internet Explorer 4.0+).

Cette applette permet de calculer la température de surface de la Terre à l'aide de trois différents modèles d'atmosphère :

  • Modèle d'atmosphère à trois gaz (Three gas model).
  • Modèle semi-gris (Semigray model)
  • Modèle semi-gris avec une fenêtre spectrale (Semigray model with one spectral window)

Pour chacun de ces trois modèles, l'atmosphère est considérée comme formée d'une couche assez fine pour qu'un photon émit par le sol ne soit absorbé qu'une fois par les molécules de l'atmosphère avant de s'échapper dans l'atmosphère (modèle à une couche). Une atmosphère avec un coefficient d'absorption de 1, c'est-à-dire 100% sur le graphique, signifie qu'en moyenne tous les photons émis par la surface de la Terre sont absorbés puis réémis par l'atmosphère une seul fois.

Modèle semi-gris

C'est le plus simple des trois modèles. Il suppose que l'atmosphère est totalement transparente aux faibles longueurs d'onde (rayonnement visible) mais absorbe uniformément les grandes longueurs d'onde (rayonnement infrarouge ).

C'est ce que montre la courbe intitulée « Absorption of Atmosphere » : l'absorption est nulle jusqu'à 3 micromètres puis augmente et atteint une valeur uniforme pour le reste du spectre (d'où semi-gris, puisque l'atmosphère est « grise » sur une partie du spectre).

  • Déplacez la courbe d'absorption (absorption curve) jusqu'à la valeur de 0,0 (0 %). D'après ce modèle, que devient la température de surface de la Terre pour un coefficient d'absorption de l'atmosphère nulle ?
  • Retournez à l'applette Planet Temperature et sélectionnez le troisième modèle dans lequel l'albédo et l'effet de serre sont ajustables. A quelles valeurs d'albédo et d'effet de serre correspond une atmosphère à coefficient d'absorption nulle (0 %) ? Si vous choisissez ces valeurs dans l'applette Planet Temperature, obtenez-vous la même température de surface qu'avec l'applette Radiative transfer ? Pouvez-vous expliquer la différence ?
  • Placez le coefficient d'absorption à 1,0 (100 %). Quelle température de surface obtenez-vous dans ce cas ?
  • Retournez à l'applette Planet Temperature et sélectionnez à nouveau le troisième modèle dans lequel l'albédo et l'effet de serre sont ajustables. Placez l'albédo à sa valeur mesurée. A quelle valeur de l'effet de serre correspond une atmosphère dont le coefficient d'absorption vaut 1,0 (100 %). En donnant cette valeur à l'effet de serre dans l'applette Planet Temperature, obtenez vous la même température de surface qu'avec l'applette Radiative transfer ?
  • À présent, consultez le tableau donnant la température moyenne mesurée à la surface de la Terre (pdf ou ods). Avec quelle valeur du coefficient d'absortion de l'atmosphère obtient-on une température de surface approximativement égale à celle mesurée sur Terre ?

Modèle semi-gris avec une fenêtre spectrale

Ce modèle est une version améliorée du précédent. Il intégre le fait que l'atmosphère n'a pas un coefficient d'absorption uniforme sur l'ensemble du spectre infrarouge mais possède une « fenêtre » spectrale pour laquelle le coefficient d'absorption atmosphérique est nul.

Imaginons que le spectre d'absorption de l'atmosphère représente une couverture qui recouvre l'ensemble du spectre infrarouge (modèle Semi-gris précédent). Une fenêtre radiative serait l'équivalent d'un trou dans notre couverture qui permet à une partie du rayonnement infrarouge terrestre de s'échapper directement vers l'espace, sans avoir été absorbé par l'atmosphère.

Dans la modélisation, cette fenêtre radiative est représentée sur la courbe d'absorption atmosphérique. Elle ressemble à la courbe d'absorption du modèle semi-gris précédent, avec en plus, un trou dans l'infrarouge.

  • En gardant le coefficient d'absorption de l'atmosphère à 100 %, essayez de placer la localisation spectrale de la fenêtre radiative jusqu'à obtenir une température de surface de la Terre égale à celle mesurée.

Modèle à trois gaz / H2O, CO2 et CH4

Dans ce modèle, les courbes d'absorption de trois gaz à effet de serre (vapeur d'eau H2O, dioxyde de carbone CO2 et méthane CH4) ont été incorporées à l'applette.

En déplaçant les curseurs, on peut changer la concentration relative des gaz dans l'atmosphère terrestre et observer l'effet sur la courbe d'absorption de l'atmosphère et sur la température de surface de la Terre (thermomètre à droite).

Les curseurs ont été normalisés sur les valeurs moyennes actuelles de concentrations de ces gaz à effet de serre. Par exemple, une valeur de 2 pour le curseur du dioxyde de carbone, cela revient à doubler la concentration en CO2 dans l'atmosphère par rapport à sa valeur actuelle.

  • Portez les valeurs de concentration des 3 gaz à effet de serre à leur valeur actuelle (curseurs à 1). Est-ce que la valeur de température de surface obtenue correspond à celle mesurée sur Terre ? Pouvez-vous expliquer pourquoi ?
  • Dans cette configuration, observez la courbe d'absorption atmosphérique. Elle présente une fenêtre aux alentours de 7-12 micromètres. Est-ce la position de cette fenêtre correspond à celle du modèle semi-gris avec une fenêtre spectrale ?
  • Poussez tous les curseurs à 2 (ce qui correspond à un doublement de la concentration atmosphérique en gaz à effet de serre par rapport à l'actuelle. Quelle température de surface terrestre prévoit le modèle dans cette configuration ?
  • Revenez à l'applette Planet Temperature et placez la valeur observée de l'albédo terrestre. Quelle valeur de l'effet de serre donne la même température de surface ? Pouvez-vous expliquer pourquoi ?
  • À présent, revenez à la composition de l'atmosphère actuelle. Doublez seulement la quantité de CO2 dans l'atmosphère. Quelle température de surface obtenez-vous grâce à ce modèle ? Pensez-vous qu'il s'agit d'une bonne estimation ? Si la teneur en CO2 atmosphérique doublait, pensez vous que nous obtiendrions la température prévue par le modèle ou une température de surface plus élevée ? Pouvez-vous expliquer ?
Mots clés : température de surface, Terre, atmosphère, coefficient d'absorption, longueur d'onde, albédo, effet de serre, transfert radiatif, simulation numérique