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La théorie du climat est fondamentale pour comprendre les mécanismes qui régissent le système climatique terrestre. Elle repose sur des principes physiques bien établis et permet d’expliquer les observations climatiques passées et présentes, ainsi que de prédire les changements futurs.
Le rayonnement électromagnétique est au cœur de la théorie climatique.
Le soleil émet principalement dans les longueurs d’onde courtes, notamment dans le spectre visible, tandis que la Terre émet principalement dans l’infrarouge lointain. Cette différence est cruciale pour comprendre le bilan énergétique terrestre. Le rayonnement solaire traverse facilement l’atmosphère, mais une partie est réfléchie par les nuages, l’atmosphère et la surface terrestre, un phénomène appelé albédo. Le reste est absorbé, réchauffant la surface et l’atmosphère. La Terre, à son tour, émet un rayonnement infrarouge, dont une partie est absorbée par l’atmosphère.
Figure 1.4. 1 : Le spectre du rayonnement électromagnétique. Le rayonnement électromagnétique s’étend des ondes radio d’une longueur d’onde de centaines de mètres et plus, aux rayons gamma, avec des longueurs d’onde de 10 -12 m, ce qui est aussi petit que la taille d’un noyau atomique. De chromacademy.com.
L’effet de serre est un processus naturel essentiel qui rend la Terre habitable.
Certains gaz atmosphériques, notamment le dioxyde de carbone, la vapeur d’eau et le méthane, absorbent le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre et le réémettent dans toutes les directions, y compris vers la surface. Ce processus piège la chaleur dans les basses couches de l’atmosphère, augmentant la température moyenne de la surface d’environ 33°C par rapport à ce qu’elle serait sans atmosphère. L’augmentation des concentrations de gaz à effet de serre due aux activités humaines intensifie ce phénomène naturel, conduisant au réchauffement climatique observé.
Le bilan énergétique de la Terre est un concept clé en climatologie.
Il représente l’équilibre entre l’énergie entrante du soleil et l’énergie sortante de la Terre. En moyenne, la Terre reçoit environ 340 watts par mètre carré de rayonnement solaire. Environ 30% de cette énergie est réfléchie directement dans l’espace, tandis que le reste est absorbé par l’atmosphère et la surface. Pour maintenir un équilibre thermique, la Terre doit émettre la même quantité d’énergie qu’elle reçoit. Tout déséquilibre dans ce bilan énergétique entraîne un changement de température à long terme.
Le budget énergétique de la Terre
Contrairement au modèle du ‘Perfect Greenhouse’, l’atmosphère terrestre absorbe une certaine radiation solaire, transmet une certaine radiation infrarouge, et, surtout, elle est chauffée par des flux non radiatifs en provenance de la surface (Figure 1.4.8). En fait, si l’on ne considère que les flux radiatifs (solaire et terrestre), les températures de surface s’avèrent être beaucoup plus chaudes que celles actuelles et les températures de la haute troposphère sont trop froides (Manabe et Strickler, 1964). Toutefois, le réchauffement de la surface par la radiation solaire et terrestre absorbée entraîne le réchauffement et la montée de l’air près de la surface, provoquant de la convection. Les mouvements convectifs causent à la fois le transfert de chaleur sensible et de chaleur latente de la surface vers des niveaux supérieurs dans l’atmosphère. La majeure partie de ce transfert de chaleur non radiatif se fait sous forme de chaleur latente. L’évaporation refroidit la surface, tandis que la condensation réchauffe l’atmosphère en altitude. Ainsi, les cycles de l’énergie et de l’eau sur Terre sont couplés.
Figure 1.4.8: Budget énergétique de la Terre estimé à partir d’observations et de modèles modernes. Adapté de Trenberth et al. (2009).
Le rayonnement terrestre descendant de l’atmosphère est la plus grande entrée de chaleur à la surface. En fait, il est plus de deux fois plus grand que la radiation solaire absorbée. Cela illustre l’effet important des gaz à effet de serre et des nuages sur le budget énergétique de la surface. L’effet de serre est comme une couverture qui nous garde au chaud la nuit en réduisant les pertes de chaleur. De même, le verre d’une serre empêche les températures de chuter la nuit. Les nuages sont presque des absorbeurs et émetteurs parfaits de radiation infrarouge. Par conséquent, les nuits nuageuses sont généralement plus chaudes que les nuits dégagées. L’effet important de la vapeur d’eau sur l’effet de serre peut être ressenti en campant dans le désert. Les températures nocturnes y deviennent souvent très froides en raison de la réduction de l’effet de serre dans l’air sec et clair du désert.
Les forçages radiatifs sont des perturbations du bilan énergétique de la Terre.
Ils peuvent être d’origine naturelle (comme les variations de l’activité solaire ou les éruptions volcaniques) ou anthropique (comme l’augmentation des gaz à effet de serre ou les changements d’utilisation des terres). Un forçage radiatif positif tend à réchauffer le système climatique, tandis qu’un forçage négatif tend à le refroidir. Les forçages radiatifs sont mesurés en watts par mètre carré et sont un outil essentiel pour quantifier l’impact des différents facteurs sur le climat.
Les processus de rétroaction jouent un rôle crucial dans la réponse du système climatique aux forçages.
Une rétroaction positive amplifie le changement initial, tandis qu’une rétroaction négative l’atténue. Par exemple, la fonte de la glace de mer arctique due au réchauffement réduit l’albédo, ce qui augmente l’absorption de chaleur et amplifie le réchauffement initial (rétroaction positive). En revanche, l’augmentation de la couverture nuageuse peut réfléchir plus de rayonnement solaire, atténuant le réchauffement (rétroaction négative).
Figure 1.4. 10: Concentrations atmosphériques de méthane en fonction du temps A: mesures récentes de l’air à Mauna Loa. B: Mesures de carottes glaciaires, poreuses et d’air en Antarctique. Notez que la plupart des sources de méthane se trouvent dans l’hémisphère nord, ce qui entraîne des concentrations plus élevées là-bas par rapport à l’hémisphère sud.
La sensibilité climatique est une mesure de la réponse du système climatique à un forçage donné. Elle est généralement définie comme le réchauffement global résultant d’un doublement de la concentration de CO2 atmosphérique. Les estimations actuelles de la sensibilité climatique varient entre 1,5°C et 4,5°C, avec une valeur probable autour de 3°C. Cette incertitude est principalement due à la complexité des processus de rétroaction, en particulier ceux liés aux nuages et aux aérosols.
La compréhension de ces concepts théoriques est essentielle pour interpréter les observations climatiques, évaluer les impacts des activités humaines sur le climat et développer des modèles climatiques fiables. Ces modèles, basés sur ces principes physiques, sont des outils cruciaux pour prédire les changements climatiques futurs et informer les politiques d’atténuation et d’adaptation.
Climate theory is fundamental to understanding the mechanisms that govern the Earth’s climate system. It is based on well-established physical principles and helps explain past and present climate observations, as well as predict future changes.
Electromagnetic radiation is at the heart of climate theory.
The sun emits mainly in short wavelengths, notably in the visible spectrum, while the Earth emits mainly in the far infrared. This difference is crucial to understanding the Earth’s energy balance. Solar radiation easily passes through the atmosphere, but some of it is reflected by clouds, the atmosphere and the Earth’s surface, a phenomenon known as albedo. The rest is absorbed, warming the surface and atmosphere. The Earth, in turn, emits infrared radiation, part of which is absorbed by the atmosphere.
Figure 1.4. 1: The spectrum of electromagnetic radiation. Electromagnetic radiation ranges from radio waves with wavelengths of hundreds of meters and longer, to gamma rays, with wavelengths of 10 -12 m, which is as small as the size of an atomic nucleus. From chromacademy.com.
The greenhouse effect is a natural process essential to making Earth habitable.
Some atmospheric gases, including carbon dioxide, water vapor, and methane, absorb infrared radiation emitted by the Earth’s surface and re-emit it in all directions, including toward the surface. This process traps heat in the lower layers of the atmosphere, increasing the average surface temperature by about 33°C compared to what it would be without an atmosphere. Increases in greenhouse gas concentrations due to human activities are intensifying this natural phenomenon, leading to the observed global warming.
The Earth’s energy budget is a key concept in climatology.
It represents the balance between the incoming energy from the Sun and the outgoing energy from the Earth. On average, the Earth receives about 340 watts per square meter of solar radiation. About 30% of this energy is reflected directly back into space, while the rest is absorbed by the atmosphere and surface. To maintain thermal equilibrium, the Earth must emit the same amount of energy as it receives. Any imbalance in this energy balance results in a long-term temperature change.
The Earth’s Energy Budget
Contrary to the ‘Perfect Greenhouse’ model, the Earth’s atmosphere absorbs some solar radiation, transmits some infrared radiation, and, most importantly, is heated by non-radiative fluxes from the surface (Figure 1.4.8). In fact, if we consider only the radiative fluxes (solar and terrestrial), surface temperatures turn out to be much warmer than current ones and upper tropospheric temperatures are too cold (Manabe and Strickler, 1964). However, surface heating by absorbed solar and terrestrial radiation causes the air near the surface to warm and rise, causing convection. Convective motions cause both sensible and latent heat transfer from the surface to higher levels in the atmosphere. Most of this nonradiative heat transfer is in the form of latent heat. Evaporation cools the surface, while condensation warms the atmosphere aloft. Thus, the energy and water cycles on Earth are coupled.
Figure 1.4.8: Earth’s energy budget estimated from modern observations and models. Adapted from Trenberth et al. (2009).
Downward terrestrial radiation from the atmosphere is the largest heat input to the surface. In fact, it is more than twice as large as absorbed solar radiation. This illustrates the important effect of greenhouse gases and clouds on the surface energy budget. The greenhouse effect is like a blanket that keeps us warm at night by reducing heat loss. Similarly, the glass in a greenhouse prevents temperatures from dropping at night. Clouds are almost perfect absorbers and emitters of infrared radiation. As a result, cloudy nights are generally warmer than clear nights. The important effect of water vapor on the greenhouse effect can be felt when camping in the desert. Nighttime temperatures often become very cold because of the reduced greenhouse effect in the dry, clear desert air.
Radiative forcings are perturbations to the Earth’s energy budget.
They can be natural (such as changes in solar activity or volcanic eruptions) or anthropogenic (such as increases in greenhouse gases or changes in land use). A positive radiative forcing tends to warm the climate system, while a negative forcing tends to cool it. Radiative forcings are measured in watts per square meter and are a key tool for quantifying the impact of different factors on the climate.
Feedback processes play a crucial role in the climate system’s response to forcings.
A positive feedback amplifies the initial change, while a negative feedback dampens it. For example, melting Arctic sea ice due to warming reduces albedo, which increases heat absorption and amplifies the initial warming (positive feedback). In contrast, increased cloud cover can reflect more solar radiation, dampening the warming (negative feedback).
Figure 1.4. 10: Atmospheric methane concentrations over time A: Recent air measurements at Mauna Loa. B: Ice core, pore core, and air core measurements from Antarctica. Note that most methane sources are in the Northern Hemisphere, resulting in higher concentrations there relative to the Southern Hemisphere.
Climate sensitivity is a measure of the response of the climate system to a given forcing. It is typically defined as the global warming resulting from a doubling of atmospheric CO2 concentration. Current estimates of climate sensitivity range from 1.5°C to 4.5°C, with a likely value around 3°C. This uncertainty is mainly due to the complexity of feedback processes, particularly those related to clouds and aerosols.
Understanding these theoretical concepts is essential to interpret climate observations, assess the impacts of human activities on climate, and develop reliable climate models. These models, based on these physical principles, are crucial tools to predict future climate change and inform mitigation and adaptation policies.