Article | 03/07/2000

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

03/07/2000

Auteur(s) / Autrice(s) :

  • Vincent Daniel
    ENS-Lyon

Publié par :

  • Benoît Urgelli
    ENS de Lyon / DGESCO

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 simulations, 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 infrarouges. 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 infrarouges 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.

Profil standard du réchauffement visible et du refroidissement IR (London 1980)
Figure 1. Profil standard du réchauffement visible et du refroidissement IR (London 1980) — ouvrir l’image en grand

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.

Profil d'échauffement visible - refroidissement IR calculé sur une durée nocturne de 6 heures
Figure 2. Profil d'échauffement visible - refroidissement IR calculé sur une durée nocturne de 6 heures — ouvrir l’image en grand

Les calculs ont été effectués en utilisant le code numérique unicolonne de J.J. Morcrette (utilisé dans le modèle prévisionnel du Centre Européen (ECMWF)(lien externe - nouvelle fenêtre) 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 infrarouge) 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.

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.

Un certain nombre de profils de variation de réchauffement atmosphésique ont été calculés.

On place le nuage a une altitude, au choix, de 3100, 4300, 5500, 6700, 8000 ou 9100 m.

On choisit une émissivité du nuage de 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 ou 1,0. Cette émissivité infrarouge est faible pour un nuage de glace fin (cirrus par exemple), elle est forte quand le nuage est épais et chargé en eau.

La variation de forçage radiatif en surface correspondant au couple altitude-émissivité est donnée dans le tableau suivant.

Tableau 1. Forçage radiatif en surface en fonction de l’altitude et de l’émissivité du nuage, en W/m2

Forçage radiatif en surface en fonction de l’altitude et de l’émissivité du nuage, en W/m2
Émissivité 3100 m 4300 m 5500 m 6700 m 8000 m 9100 m
0,2 17,59 14,51 12,00 9,29 7,19 5,69
0,4 34,42 28,66 24,03 19,00 15,10 12,28
0,6 48,16 40,21 33,88 26,95 21,60 17,65
0,8 58,84 49,15 41,53 33,13 26,67 21,77
1,0 66,43 55,48 47,00 37,54 30,31 24,72

Une variation positive indique un réchauffement en surface.


On trouvera le profil de variation de réchauffement correspondant à l’altitude Alt et à l’émissivité Em choisies en téléchargeant le fichier nuage-nuit-altitude-emissivite.zip, puis, une fois décompressé, en affichant le fichier image “nuage-nuit-altitude-emissivite-Alt-Em.jpg”.

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.

Profil d'échauffement visible - refroidissement IR calculé sur une durée de 24 heures
Figure 6. Profil d'échauffement visible - refroidissement IR calculé sur une durée de 24 heures — ouvrir l’image en grand

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 infrarouge) vaut : Flux émis = 101,43  /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.

L’effet de variation du taux de CO2 a été calculé. La variation de forçage radiatif en surface en W/m2 par rapport à la référence de 350 ppm a été calculée et on obtient les couples (W/m2 / ppm) :

  • variations négatives (refroidissement de surface) avec (−1,07 / 100), (−0,65 / 150), (−0,39 / 2), (−0,22 / 250), (−0,10 / 300) ;

  • référence avec (0,00 / 350) ;

  • variations positives (réchauffement de surface) avec (0,08 / 400), (0,15 / 450), (0,21 / 500), (0,27 / 550), (0,32 / 600), (0,37 / 650), (0,42 / 700), (0,47 / 750), (0,52 / 800).

Les profils de variation d’échauffement atmosphérique par rapport à la référence à 350 ppm peuvent être visualisés en téléchargeant le fichier “variation-CO2.zip”, puis, une fois décompressé, en affichant le fichier “CO2-XY0.jpg” correspondant à un taux de CO2 atmosphérique de XY0 ppm.

On se propose aussi de faire varier l’humidité troposphérique par rapport à une humidité référence 1,0. Ont été calculées les variations de forçage radiatif en surface pour des diminutions et augmentations de 10 ou 20 %, on obtient les couples (W/m2 / taux relatif à la référence) :

  • variations négatives (refroidissement de surface) avec (−0,19 / 0,8), (−0,10 / 0,9) ;

  • référence avec (0,00 / 1,0) ;

  • variations positives (réchauffement de surface) avec (0,10 / 1,1), (0,22 / 1,2).

Les profils de variation d’échauffement atmosphérique par rapport à l’humidité de référence (variations par rapport au profil de la figure 6) peuvent être visualisés en téléchargeant le fichier “variation-humidite.zip”, puis, une fois décompressé, en affichant le fichier “humidite-X.Y.jpg” correspondant à un taux d’humidité relatif de X,Y par rapport à la référence 1,0.

Influence de la couverture nuageuse sur le forçage radiatif

Dans cette partie, nous vous proposons d’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’émissivité infrarouge est faible pour un nuage de glace fin (cirrus par exemple), elle est forte quand le nuage est épais et chargé en eau. 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).

Des profils ont été calculés pour des émissivités de 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 et 1,0 et pour 9 valeurs d’épaisseur optique (1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40).

Les profils de variation d’échauffement / refroidissement atmosphérique visible / IR par rapport au profil de référence de la figure 6 peuvent être visualisés en téléchargeant le fichier “nuage-emissivite-epaisseur-optique.zip”, puis, une fois décompressé, en affichant le fichier “nuage-emissivite-epaisseur-optique-X.Y-Z.jpg” correspondant à une émissivité infrarouge de X,Y et à une épaisseur optique de valeur Z.

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

Dans cette partie, nous vous proposons d’étudier l'influence de l'albédo et de la concentration en ozone 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.

Neuf valeurs d’albédo ont été prises en compte et les variations de forçage radiatif en surface par rapport à la valeur prise comme référence – 24 % – ont été calculées, on obtient les couples (W/m2 / albédo) :

  • variations positives (réchauffement de surface) avec (50,96 / 10 %), (14,66 / 20 %) ;

  • référence avec (0,00 / 24 %) ;

  • variations négatives (refroidissement de surface) avec (−22,14 / 30 %), (−59,47 / 40 %), (−97,35 / 50 %), (−135,82 / 60 %), (−174,89 / 70 %), (−214,61 / 80 %).

La teneur en ozone a été testée à plus ou moins 10 et 20 pourcents par rapport à la valeur de référence du modèle de la figure 6 et les profils de variation d’échauffement / refroidissement atmosphérique visible par rapport au profil de référence peuvent être visualisés en téléchargeant le fichier “variation-ozone.zip”, puis, une fois décompressé, en affichant le fichier “ozone-X.Y.jpg” correspondant à une teneur relative en ozone de X,Y par rapport à la référence (valeurs calculées : 0,8, 0,9, 1,0 [référence], 1,1, 1,2).