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L’atmosphère et le rayonnement

mardi 2 mai 2006, par Daniel Giaccone

Le climat et sa variabilité

L’atmosphère crée la vie dont elle est aussi le produit. Sans régénération par photosynthèse, l’oxygène disparaîtrait. Son abondance résulte d’un déséquilibre entre la production et la destruction d’oxygène par les plantes vertes.

L’atmosphère, modérant l’énergie entre Soleil, surface terrestre et cosmos - puis répartissant chaleur et eau - étend la biosphère à presque toute la Terre. Le climat, tributaire de facteurs non atmosphériques, se définit par des paramètres terrestres. Température, pression, humidité... désignent aux espèces les emplacements adéquats.

La météorologie indique des fluctuations quotidiennes, aléatoires au-delà de dix jours de prévision. La climatologie relie le temps « désordonné » de la météorologie aux cycles « immuables » de l’astronomie. Le climat « habille » le paysage des saisons, mais lui aussi est variable. Des conditions exceptionnelles peuvent être normales, alors qu’une année à courbe moyenne « normale » sera exceptionnelle !

Le Soleil fournit à 99,97 % l’énergie autorisant l’existence d’eau liquide et l’épanouissement de la vie. Les mesures faites à partir des satellites de la N.A.S.A. indiquent un flux moyen de 1 368 watts par m2 (« constante solaire »), le flux réel variant régulièrement de A3,2 % selon la distance de la Terre au Soleil. En tenant compte de l’inclinaison des rayons solaires et de la moitié du globe dans la nuit, la moyenne est de 342 watts par m2 disponible pour chauffer la Terre. La modulation de la variabilité du Soleil est très faible, suivant son cycle d’activité de onze ans. S’y ajoutent des baisses éphémères au passage de groupes de taches sur son disque.

Le Soleil, source de vie... et menace ?

Source de vie, le Soleil la menace ! L’énergie des photons d’ultraviolet peut désorganiser les molécules du vivant, et les plus énergétiques, absorbés haut dans l’atmosphère, dissocient des molécules d’azote et d’oxygène. Dans la moyenne atmosphère, les molécules et les atomes libres d’oxygène forment l’ozone qui absorbe le rayonnement solaire ultraviolet proche, sinon il altèrerait les molécules du vivant, alimentant l’inquiétude née d’une couche d’ozone appauvrie.

30 % du flux incident solaire (albédo) dépendant de l’atmosphère, des nuages et de la surface terrestre sont diffusés vers l’espace. Les nuages couvrent plus de 60 % du globe ; selon leur épaisseur, le nombre, la taille des gouttes d’eau, l’albédo va de 15 à 85 % du flux incident. L’atmosphère influence l’albédo par la diffusion Rayleigh, cause du bleu céleste et du rouge ponant, et par la diffusion des aérosols, cause du ciel blanc (brumes africaines). L’atmosphère et les nuages diffusent une partie du flux solaire vers la surface, même si le Soleil n’est plus visible. La basse atmosphère absorbe 20 % des 342 watts/m2 qui éclairent le globe et plus de la moitié des 342 watts solaires/m2 atteignent la surface terrestre, dont l’albédo peut varier de 5 % (mer calme, Soleil au zénith) à 85 % (neige fraîche). En moyenne, 164 watts/m2 du rayonnement sont absorbés et transformés en chaleur à la surface terrestre, plus du double que dans l’atmosphère.

Structure de l’atmosphère, bilan radiatif et effet de serre

L’échauffement de l’atmosphère vient du bas, la température décroissant de la surface à la tropopause par couches d’instabilité variable : la troposphère, à l’origine de la météorologie. Au-dessus de la tropopause , l’échauffement dû à l’absorption du rayonnement solaire par l’ozone augmente la température qui diminue dans la mésosphère jusqu’à 80 kilomètres d’altitude, l’échauffement reprenant dans la thermosphère : plus de 1 500 K du côté jour, lors du maximum d’activité solaire quand le flux ultraviolet augmente.

L’absorption et la transformation en chaleur des 240 watts/m2 de rayonnement évacués vers l’espace expliquent les climats. Un radiateur à une température de 255 kelvins, émettrait 240 watts/m2 dans l’infrarouge, mais les gaz à molécules contenant trois atomes et plus (vapeur d’eau, gaz carbonique...) absorbent à ces longueurs d’onde. Leur « signature spectrale » s’observe à partir du sol ou depuis l’espace. Entre 8 et13 micromètres, l’émission thermique monte de la Terre vers l’espace en l’absence de nuages plus opaques dans l’infrarouge que dans le visible. Résultat : l’effet de serre, émission infrarouge de la surface de la Terre piégée dans l’atmosphère, rayonnement absorbé, converti en chaleur, puis ré-émis dans l’infrarouge vers le bas et le haut ; 240 watts/m2 se répartissent vers l’espace à 289 kelvins en surface.

Gaz carbonique, méthane et CFC augmentant, l’effet de serre se renforcerait, le climat se réchaufferait. Un doublement quantitatif de CO2 réduirait l’émission vers l’espace de 4 watts/m2. Chiffre identique avec augmentation moins forte du CO2. C’est peu, mais si le réchauffement augmentait l’humidification de l’atmosphère, la vapeur d’eau ajoutée renforcerait l’effet de serre par « rétroaction positive », facteur d’amplification de l’effet initial. D’autres rétroactions, positives ou négatives, peuvent provenir de changements dans la nébulosité.

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