Influence des variations de certains constituants atmosphériques sur le bilan énergétique terrestre et sur l'effet de serre

Vincent Daniel

ENS-Lyon

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

03/07/2000

Résumé

Approche par bilan énergétique pour expliquer l'influence de la composition atmosphérique et de la couverture nuageuse sur l'effet de serre.


Au travers de petites applications interactives, nous vous proposons d'étudier l'influence de certains constituants atmosphériques sur l'effet de serre ou plus généralement sur le bilan énergétique de la surface terrestre.

Généralités

En général, une colonne atmosphérique, n'est pas en équilibre radiatif. Cela signifie que même si la colonne est immobile (pas de vent horizontal) et qu'il n'y a pas de convection, sa température va varier.

Les phénomènes physiques faisant évoluer la température de la colonne sont :

  • l'absorption des radiations solaires. Ce processus d'absorption réchauffe l'atmosphère. Ces radiations sont caractérisées par des longueurs d'onde situées dans le visible.
  • L'émission et l'absorption des radiations infra-rouges. L'atmosphère se refroidit en émettant comme un corps noir. D'autre part, l'atmosphère peut aussi se réchauffer en absorbant ces radiations. Le bilan net dans le domaine des infra-rouges est en général un refroidissement.

La connaissance de ces processus au niveau d'une colonne d'atmosphère est primordiale pour quantifier le bilan énergétique et évaluer la température de la surface à la base de la colonne.

Figure 1. Profil standard du réchauffement visible et du refroidissement IR (London 1980)

Profil standard du réchauffement visible et du refroidissement IR (London 1980)

La contribution relative des principaux constituants actifs est mentionnée. On remarque que l'absorption par la vapeur d'eau domine le réchauffement visible dans la troposphère et l'absorption par l'ozone domine dans la haute stratosphère. L'émission par la vapeur d'eau domine le refroidissement IR dans la troposphère et l'émission par l'ozone et le dioxyde de carbone domine dans la stratosphère. On remarque que dans la basse stratosphère, le bilan net de l'ozone dans le domaine IR est un réchauffement : l'absorption des radiations montantes l'emporte sur l'émission.


Effet de serre dû à une couverture nuageuse nocturne

Dans cette partie, nous vous proposons de mettre en évidence le réchauffement de la surface terrestre et des basses couches atmosphériques induit par une couverture nuageuse nocturne. Pour cela, nous avons calculé un profil d'échauffement et de refroidissement de référence en ciel clair. Vous ajouterez un nuage et observerez les variations de l'échauffement terrestre et atmosphérique par rapport au profil de référence en ciel clair.

Figure 2. Profil d'échauffement visible - refroidissement IR calculé sur une durée nocturne de 6 heures

Profil d'échauffement visible - refroidissement IR calculé sur une durée nocturne de 6 heures

Les calculs ont été effectués en utilisant le code numérique unicolonne de J.J.Morcrette (utilisé dans le modèle prévisionnel du Centre Européen et dans le modèle méso-échelle MesoNH. Ce profil d'échauffement atmosphérique représente un profil de référence pour la suite de cette partie.


  • Le flux surfacique d'énergie absorbé par la surface terrestre (domaine visible) vaut : Flux abs = 3,86 W/m2.
  • Le flux surfacique d'énergie émis par la surface terrestre (domaine infra-rouge) vaut : Flux émis = 101,43 W/m2.
  • Le bilan énergétique à la surface terrestre vaut (positif si la Terre emmagasine de l'énergie) : Flux net=-97,57 W/m2. Il s'agit du forçage radiatif à la surface de la Terre.

Le profil d'échauffement a été calculé avec une concentration en CO2 de 350 ppm (ppm : parties par million) et en ciel clair (absence de nuages). Les profils atmosphériques utilisés sont issus d'un radiosondage. Ils sont présentés ci-dessous :

Avce cette application, vous allez placer un nuage à l'altitude désirée et faire varier son émissivité infra-rouge et observer les résultats. Cette émissivité infra-rouge est forte quand le nuage est épais et chargé en eau. Elle diminue pour un nuage de glace fin (cirrus par exemple). On se place en période nocturne pour s'affranchir des interactions nuages-rayonnement visible et mieux mettre en évidence l'effet de serre. Pour une étude plus complète des 2 phénomènes, reportez vous à la partie 4.

Influence de la concentration en CO2 et de l'humidité sur l'effet de serre

Dans cette partie, nous vous proposons de mettre en évidence le réchauffement de la surface terrestre et des basses couches atmosphériques induit par l'augmentation de la concentration en gaz carbonique et l'augmentation de l'humidité troposphérique. Pour cela, nous avons calculé un profil d'échauffement et de refroidissement de référence en ciel clair.

Figure 6. Profil d'échauffement visible - refroidissement IR calculé sur une durée de 24 heures

Profil d'échauffement visible - refroidissement IR calculé sur une durée de 24 heures

Ce profil d'échauffement atmosphérique représente un profil de référence pour la suite de cette partie.


  • Le flux surfacique d'énergie absorbé par la surface terrestre (domaine visible) vaut : Flux abs = 286,13 W/m2.
  • Le flux surfacique d'énergie émis par la surface terrestre (domaine infra-rouge) vaut : Flux émis = 101,43 W/m2.
  • Le bilan énergétique à la surface terrestre vaut (positif si la Terre emmagasine de l'énergie) : Flux net = +194,70 W/m2. Il s'agit du forçage radiatif à la surface de la Terre.

Le profil d'échauffement a été calculé avec une concentration en CO2 de 350 ppm (ppm : parties par million) et en ciel clair (absence de nuages) Les profils atmosphériques utilisés pour la température, l'humidité et l'ozone sont les mêmes que dans la partie précédente.

Avec cette application, vous allez faire varier la concentration en CO2 et l'humidité et observer les résultats.

Influence de la couverture nuageuse sur le forçage radiatif

Dans cette partie, nous vous proposons une application pour étudier l'influence de la couverture nuageuse sur le bilan énergétique de la surface terrestre. Pour cela, nous prenons les mêmes conditions de référence que pour la partie précédente et nous ajoutons un nuage dont nous pouvons faire varier l'émissivité IR (comportement vis à vis des grandes longueur d'ondes) et l'épaisseur optique (comportement vis à vis des courtes longueurs d'ondes). L'épaisseur optique d'un nuage est d'autant plus élevée que son contenu en eau liquide est élevé est que le rayon des gouttes est faible).

Influence de la concentration en ozone et de l'albédo sur le forçage radiatif

Dans cette partie, nous vous proposons une application pour étudier l'influence de la concentration en ozone et de l'albédo sur le forçage radiatif de la surface terrestre. Pour cela, nous prenons les mêmes conditions de référence que pour la partie 3 et nous faisons varier la concentration en ozone et l'albédo de la surface.