Le fonctionnement du Climat

Comment fonctionne le climat ?

Cet Article fait suite à celui sur les “Gaz à effet de Serre”. Il explique de façon simplifiée le fonctionnement thermodynamique du climat.  Si vous souhaitez approfondir ce fonctionnement, nous vous conseillons de visiter le site laphysiqueduclimat.fr.

Le Climat est le résultat d’un équilibre entre des mécanismes de réchauffage et des mécanismes de refroidissement.

Il s’apprécie à la surface du sol, là où nous vivons.

Si la Terre se trouvait dans le vide interstellaire, sa température se situerait aux environs de 3°K (-270°C, température du fond cosmologique).

Le premier facteur de réchauffage est le Soleil : déduction faite de l’albédo (réflexion directe essentiellement par les nuages), et de l’absorption atmosphérique (essentiellement la vapeur d’eau, l’ozone, le CO2, et les nuages), il fournit à la surface du sol un flux moyen de chaleur de l’ordre de 160 W/m2.

Ce mécanisme, en tant que tel, est insuffisant pour justifier la température moyenne de la Terre : il permettrait, tout au plus, d’atteindre une température de -43°C, en admettant que la répartition du rayonnement soit uniforme, ce qui n’est évidemment pas le cas : pour mémoire, la Lune, à la même distance du Soleil, avec peu d’albédo, et aucune absorption atmosphérique, a une température moyenne d’environ -80°C.

Si la température de surface de la Terre est plus élevée, c’est parce qu’elle n’est pas en équilibre radiatif :

Elle reçoit 160 W/m2, mais ne peut en renvoyer que le quart, dans une fenêtre de fréquences appelée “fenêtre atmosphérique” (entre 23 et 36 THz), le reste, en dehors de cette “fenêtre”, étant bloqué par l’opacité des fameux “gaz à effet de serre” que sont le CO2 (un peu) et la vapeur d’eau (surtout) : c’est cette différence qui est le principal facteur de réchauffage : voir les-gaz-a-effet-de-serre.

Mais si, par ailleurs, il n’y avait pas de mécanisme de refroidissement, il faudrait, pour équilibrer cette différence, que la température de la Terre soit à un niveau tel que son rayonnement quadruple dans cette fenêtre, soit plus de 130°C en moyenne (en application de la Loi de Planck).

Heureusement, il y a un mécanisme de refroidissement, et même deux qui se conjuguent :

  1. L’évaporation, c’est-à-dire la transformation d’eau liquide en gaz (vapeur), qui se traduit par l’extraction d’une quantité considérable de chaleur “latente” de vaporisation (pour mémoire, vaporiser un litre d’eau nécessite 500 fois plus d’énergie que pour élever sa température de 1°C) : elle permet d’évacuer de l’ordre de 85 W/m2 ;
  2. La convection, qui intervient pour environ 35 W/m2, et qui agit comme un ascenseur qui court-circuite la couche des gaz à effet de serre en emmenant l’air chaud du sol ainsi que cette chaleur latente (sous forme de vapeur d’eau), jusqu’en haut des nuages : au passage, la vapeur d’eau restitue à l’atmosphère cette chaleur latente en se condensant (nuages) : la vapeur d’eau devient alors trop raréfiée pour bloquer le rayonnement de cette chaleur vers le cosmos.

 

La conjonction de l’évaporation et de la convection constitue un mécanisme extrêmement puissant, proportionnel à la température (plus il fait chaud, plus il est actif) : c’est ce mécanisme qui régule la température à la surface de la Terre :

  • Si la température diminue, l’évaporation et la convection diminuent, et ça réchauffe
  • Si au contraire elle augmente, l’évaporation et la convection augmentent, et ça refroidit.

 

Si la quantité de CO2 augmente, cela rétrécit très légèrement la “fenêtre atmosphérique” par laquelle s’évacue le quart du rayonnement reçu, et donc la température augmente (relativement peu car, en dehors de cette “fenêtre”, l’atmosphère est déjà opaque) ; mais si la température augmente, ce mécanisme de refroidissement s’amplifie (proportionnellement à l’écart de température : 7% par °C) : ça régule !

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