Effet de Serre et Bilan Radiatif
Première Partie :
Introduction et Explications de Base
L'effet de serre :
Le concept d'effet de serre, tel que nous le connaissons aujourd'hui, a évolué au fil des siècles. Le terme fut popularisé par le météorologue suédois Nils Gustaf Ekholm en 1901, mais l’idée même remonte à 1824, lorsque le mathématicien et physicien français Joseph Fourier tenta d'expliquer pourquoi la Terre conservait une partie de la chaleur solaire au lieu de la renvoyer entièrement dans l'espace. Fourier décrivit la Terre comme une sorte de "boîte en verre", capable de retenir la chaleur reçue du Soleil, un peu comme ce qu'il se passe dans une serre.
L'analogie avec une voiture laissée en plein soleil est souvent utilisée pour expliquer ce phénomène. Si vous laissez une voiture fermée sous le Soleil d’été, vous remarquerez que la température à l'intérieur augmente bien plus que celle de l'air extérieur. Cela se produit car les rayons du Soleil pénètrent dans la voiture à travers les vitres, réchauffent les surfaces, et ce rayonnement infrarouge piégé ne peut plus s'échapper aussi facilement. De façon similaire, certains gaz dans l'atmosphère terrestre – comme le CO₂, la vapeur d'eau, et le méthane – capturent et réémettent le rayonnement infrarouge émis par la Terre, empêchant ainsi une partie de la chaleur de s'échapper directement dans l'espace.
Des critiques erronées de l'analogie de la serre
Certains opposants à cette théorie soutiennent que, contrairement à une serre, l'atmosphère terrestre ne retient pas la chaleur de la même manière. Dans une serre, le verre empêche l'air chauffé par le Soleil de s'échapper, alors que dans l'atmosphère, l'air chauffé peut monter par convection et se dissiper dans les couches supérieures. Cependant, cette critique néglige l'importance des gaz à effet de serre qui, bien que n'agissant pas comme une barrière physique, capturent et réémettent une partie du rayonnement infrarouge dans toutes les directions, y compris vers la surface terrestre.
Le débat autour de la saturation du CO₂ est souvent utilisé pour discréditer l'idée que l'augmentation de sa concentration puisse encore amplifier l'effet de serre. Pourtant, comme l'ont montré des études approfondies sur le transfert radiatif, même si certaines bandes d'absorption du CO₂ sont saturées, l'élargissement des raies spectrales permet toujours une absorption accrue, notamment dans les fenêtres atmosphériques où d'autres gaz, comme la vapeur d'eau, sont moins efficaces.
Pour mieux comprendre ces phénomènes, plongeons dans les mécanismes physiques qui sous-tendent cet effet de serre, à travers quelques concepts théoriques clés.
La Spectroscopie :
La spectroscopie est une technique qui consiste à décomposer la lumière en ses différentes composantes de couleurs, chacune correspondant à une longueur d'onde spécifique. C'est ce phénomène que nous observons naturellement lors de la formation d'un arc-en-ciel, lorsque les gouttelettes de pluie agissent comme des prismes et séparent la lumière du soleil en un spectre visible. Par exemple, la lumière rouge possède une longueur d'onde d'environ 700 nm (nanomètres), tandis que la lumière violette, située à l'autre extrémité du spectre, a une longueur d'onde plus courte d'environ 400 nm. Ce changement de direction, appelé réfraction, est plus marqué pour les ondes courtes comme le bleu, qui est davantage dévié que le rouge.
C'est grâce à ce principe de réfraction que Isaac Newton a démontré, dans les années 1670, qu'un faisceau de lumière blanche peut être décomposé en un spectre lorsqu'il passe à travers un prisme de verre. Newton a ainsi montré que la lumière blanche est en réalité un mélange de plusieurs couleurs visibles. Plus tard, le chimiste anglais William Hyde Wollaston améliora l’expérience en focalisant le spectre lumineux sur un grand écran. Lorsqu’il observa le spectre du Soleil en 1802, il constata que certaines parties de la lumière étaient absentes : des bandes noires, correspondant à des longueurs d'onde spécifiques, striaient le spectre continu
crédit image : Principes chimiques appliqués à la sécurité incendie, de France Payment et Chantal Secours.
Ces bandes, étudiées en profondeur par le physicien bavarois Joseph von Fraunhofer, ont révélé que certaines longueurs d'onde étaient absorbées par les éléments présents dans l'atmosphère solaire ou terrestre. Fraunhofer identifia près de 600 lignes d'absorption, connues aujourd'hui sous le nom de lignes de Fraunhofer. Ces découvertes ont jeté les bases de la spectroscopie moderne, un domaine qui permet non seulement d’étudier la composition des étoiles, mais aussi d’analyser les gaz dans l’atmosphère terrestre.
En ce qui concerne le climat, la spectroscopie joue un rôle clé dans la compréhension du transfert radiatif. Les gaz à effet de serre, comme le CO₂, absorbent certaines longueurs d'onde du rayonnement infrarouge émis par la Terre. Ces longueurs d'onde correspondent à des bandes précises du spectre infrarouge, ce qui permet de mesurer avec précision comment ces gaz capturent et réémettent la chaleur. Ce phénomène est essentiel pour comprendre l'effet de serre et les rétroactions climatiques. De la même manière que Fraunhofer a observé des bandes d'absorption dans le spectre solaire, les scientifiques utilisent aujourd'hui la spectroscopie pour suivre l'impact des gaz à effet de serre dans l'atmosphère.
La capacité de la spectroscopie à analyser ces longueurs d'onde avec une précision extrême a permis de découvrir des éléments jusque-là inconnus et de comprendre des phénomènes physiques essentiels. En effet, chaque élément chimique, lorsqu'il est chauffé ou excité, émet ou absorbe des longueurs d'onde spécifiques. C'est ainsi que des scientifiques comme Bunsen et Kirchhoff ont pu déduire la présence de certains éléments dans les étoiles bien avant de les isoler sur Terre, illustrant ainsi l'interconnexion entre l'observation de la lumière et notre compréhension du monde atomique (Bunsen & Kirchhoff, 1860).
L'électron : Le Pivot Fondamental de la Matière
Les électrons, ces minuscules particules chargées négativement, tournent sans relâche autour du noyau atomique, créant un champ électrique qui attire les particules chargées positivement. Ce simple fait cache une vérité complexe : les électrons déterminent en grande partie les propriétés énergétiques des atomes. Imaginez une balle de tennis lancée d'un côté à l'autre du court. Elle possède de l'énergie par le simple fait de son mouvement, et plus elle se déplace rapidement, plus elle emmagasine d'énergie. Dans le monde macroscopique que nous connaissons, ces états énergétiques sont dits "continus" – la balle peut prendre une infinité de vitesses intermédiaires.
Cependant, ce que nous comprenons intuitivement de la physique classique s'effondre dès que nous plongeons dans le monde quantique. Les électrons, contrairement à la balle de tennis, ne peuvent pas occuper n'importe quel niveau d'énergie. Ils sont limités à des "morceaux" discrets d'énergie, les quanta. En d'autres termes, les électrons ne peuvent occuper que des niveaux d'énergie bien définis, et c'est là que la mécanique quantique entre en jeu.
La Révolution de Louis De Broglie
En 1929, Louis De Broglie bouleverse le monde scientifique en suggérant que toute matière, y compris les électrons, peut se comporter comme une onde. Cette hypothèse, qui lui vaut le prix Nobel de physique, propose que chaque particule de matière a une longueur d'onde associée, déterminée par sa quantité de mouvement. L'idée de De Broglie va encore plus loin : si une onde peut se comporter comme une particule (comme l'avait montré Einstein), pourquoi une particule ne pourrait-elle pas se comporter comme une onde ? C'est ainsi que nous pouvons dire que tout, de l'électron à la chaise sur laquelle vous êtes assis, possède une nature ondulatoire. Mais pour que cette nature soit perceptible, il faut que l'objet soit extraordinairement petit et léger, comme un électron (De Broglie, 1929).
La dualité onde-particule des électrons est la clé de la spectroscopie. Lorsque la lumière frappe une substance, l'énergie est absorbée par les électrons des atomes de cette substance. Mais, en raison des lois de la mécanique quantique, les électrons ne peuvent absorber que des longueurs d'onde spécifiques de lumière, correspondant aux différences entre leurs niveaux d'énergie autorisés. Ainsi, la lumière absorbée ou émise par ces électrons crée des bandes spécifiques dans le spectre lumineux.
Prenons l'hydrogène, l'élément le plus simple, comme exemple. Son unique électron peut passer entre différents niveaux d'énergie, émettant ainsi des raies spectrales qui se regroupent en séries : Lyman, Balmer, et Paschen. Chacune de ces séries correspond à la chute de l'électron entre paires de niveaux d'énergie bien définies, créant une signature unique que l'on peut observer, que ce soit dans la flamme d'une bougie ou au cœur d'une étoile.
L’électron : à la frontière entre onde et particule
Les électrons, particules minuscules chargées négativement, orbitent autour du noyau atomique, déterminant en grande partie les propriétés énergétiques des atomes. Imaginez une balle de tennis lancée sur un court : elle possède de l'énergie cinétique en fonction de sa vitesse. Cependant, dans le monde quantique, les électrons ne suivent pas ce modèle classique. Contrairement à la balle, les électrons n’ont accès qu'à des niveaux d'énergie discrets appelés quanta. Ils ne peuvent pas occuper n'importe quel niveau d'énergie, ils sautent d’un niveau à un autre.
L'image ci-dessous montre les séries spectrales de l'hydrogène (Lyman, Balmer, Paschen), illustrant comment un électron peut passer entre des niveaux d'énergie spécifiques, générant ainsi des raies spectrales dans le spectre lumineux.
transition quantique
Le spectre lumineux observé est donc un ensemble de bandes correspondant aux transitions des électrons entre niveaux d'énergie. En mécanique quantique, les électrons ne peuvent absorber ou émettre de l'énergie que sous forme de quanta, créant des raies lumineuses ou sombres dans le spectre d'absorption ou d’émission. C’est ainsi que des bandes lumineuses spécifiques peuvent apparaître dans un spectre.
Loi de Wien et rayonnement thermique
La loi de Wien, quant à elle, relie la température d’un corps à la longueur d’onde à laquelle il émet le plus de lumière. Comme l'illustre l’image suivante, plus la température d’un corps est élevée, plus la longueur d'onde à laquelle il émet son rayonnement thermique maximal se rapproche des courtes longueurs d'onde (vers le bleu et l'ultraviolet).
Cette figure montre comment, à mesure que la température augmente, le pic d'émission d'un corps noir se déplace vers des longueurs d'onde plus courtes, tout en augmentant en intensité. C'est ce qui permet, par exemple, de déterminer la température des étoiles en observant la couleur de la lumière qu'elles émettent.
Explications
L’élargissement des raies spectrales dans le contexte du climat et des gaz à effet de serre est un phénomène important, car il permet de comprendre comment les molécules de CO₂ continuent d’absorber du rayonnement infrarouge, même lorsque les principales bandes d'absorption semblent saturées.
Qu'est-ce que l'élargissement des raies spectrales ?
Les molécules de CO₂ absorbent le rayonnement infrarouge dans des bandes de fréquence spécifiques, principalement autour de 667 cm⁻¹ (soit 15 micromètres). Ces bandes d'absorption ne sont pas des points fixes ; elles s’élargissent en raison de divers processus physiques, notamment :
Élargissement Doppler : Provoqué par le mouvement des molécules dans l'atmosphère.
Élargissement collisionnel (ou de pression) : Provoqué par les collisions fréquentes entre molécules dans les couches basses de l'atmosphère.
Ces phénomènes permettent au CO₂ d’absorber de plus en plus de rayonnement infrarouge à mesure que sa concentration augmente, même si le cœur des bandes d'absorption est saturé.
Effet du CO₂ à différentes concentrations
À 280 ppm (niveau préindustriel) :
Au niveau préindustriel, la concentration de CO₂ était suffisamment faible pour que la majorité de la bande d'absorption centrale de 667 cm⁻¹ ne soit pas complètement saturée.
Le rayonnement infrarouge de la Terre, émis par la surface, était partiellement absorbé par le CO₂, mais une grande partie s’échappait encore vers l’espace.
À 420 ppm (actuel) :
Aujourd’hui, avec une concentration de CO₂ autour de 420 ppm, la bande d'absorption centrale est presque saturée. Cependant, les ailes des bandes continuent d'absorber une quantité importante de rayonnement infrarouge.
Cela signifie que plus de chaleur est piégée dans l'atmosphère par le CO₂, augmentant le forçage radiatif et contribuant au réchauffement global.
Élargissement Doppler et collisionnel : À mesure que la concentration de CO₂ augmente, ces mécanismes permettent à la molécule d’absorber une gamme plus large de fréquences, ce qui signifie que même en augmentant le CO₂ au-delà de ce niveau, l’absorption continue.
À 560 ppm (doublement du niveau préindustriel) :
Si la concentration de CO₂ atteint 560 ppm (soit un doublement des niveaux préindustriels), l’absorption dans les bandes centrales sera totalement saturée, mais l'élargissement des raies permet encore au CO₂ d’absorber plus de rayonnement dans les ailes.
Le forçage radiatif continue d’augmenter de manière logarithmique, c’est-à-dire que chaque doublement de CO₂ entraîne une augmentation similaire du forçage radiatif (environ 3.7 W/m² par doublement).
À 800 ppm (doublement du niveau actuel) :
Si la concentration de CO₂ atteint 800 ppm, nous observerons un niveau de saturation encore plus élevé dans les bandes d'absorption. Cependant, l’élargissement continuera à jouer un rôle important, en particulier dans les hautes altitudes de l'atmosphère où la pression est faible et où l'effet Doppler domine.
Cela entraînerait une augmentation encore plus forte du réchauffement, piégeant encore plus de rayonnement infrarouge.
Équation du forçage radiatif en fonction du CO₂
La relation entre la concentration de CO₂ et l'augmentation du forçage radiatif peut être approximée par une relation logarithmique :
Réglages des paramètres
Niveau de référence (280 ppm)
Concentration de CO₂ :
Dans le champ CO₂ (ppm), entrez 280.
Altitude :
Réglez l'altitude à 70 km pour simuler une vue depuis l'espace, ce qui permet de capturer tout le rayonnement infrarouge sortant de l'atmosphère vers l'espace.
Type d'atmosphère :
Sélectionnez l'option par défaut Tropical Atmosphere dans le menu déroulant Locality. Cela représente une atmosphère moyenne standard.
Choisissez l'option No Clouds or Rain pour des conditions atmosphériques claires et sans interférences.
Température :
Ne modifiez pas la température. Laissez-la à 0°C de décalage, car nous ne souhaitons pas changer les températures dans cette simulation.
Résultat :
Cliquez sur Run pour lancer la simulation.
Le résultat affiché vous montrera le flux de chaleur infrarouge ascendant (Upward IR Heat Flux), exprimé en watts par mètre carré (W/m²).
Pour cette simulation à 280 ppm, ce flux servira de référence, et le forçage radiatif sera de 0 W/m² (Upward IR Heat Flux: 300.215 W/m2), car c’est la base de comparaison.
Niveau actuel (420 ppm)
Le flux de chaleur infrarouge ascendant (Upward IR Heat Flux) pour cette simulation devrait être légèrement inférieur à celui de la simulation à 280 ppm, car plus de rayonnement infrarouge sera absorbé par la plus grande concentration de CO₂.
La différence entre les deux flux vous donnera le forçage radiatif.
En théorie, le résultat attendu est un forçage radiatif d’environ 2.01 W/m² (Upward IR Heat Flux: 298.3 W/m2)
Doublement préindustriel (560 ppm)
Le flux infrarouge sortant sera encore plus faible qu'avec 420 ppm, car davantage de rayonnement sera absorbé par la concentration accrue de CO₂.
La différence de flux par rapport à la simulation de référence (280 ppm) vous donnera un forçage radiatif d’environ 3.71 W/m² (Upward IR Heat Flux: 296.918 W/m2)
Modifié la Température Offset à 1.5
Doublement actuel (800 ppm)
Le forçage radiatif par rapport à 280 ppm devrait être d’environ 5.77 W/m² (Upward IR Heat Flux: 295.191 W/m2)
Ces paramètres vous permettent de simuler correctement les effets du forçage radiatif à différentes concentrations de CO₂ à l’aide du modèle MODTRAN.
Forçage climatique et rétroactions : Explication et mécanismes
Le forçage climatique décrit les processus par lesquels certains gaz à effet de serre, comme le CO₂ et la vapeur d'eau (H₂O), modifient l'équilibre énergétique de la Terre en influençant le transfert radiatif. Lorsque ces gaz capturent l'énergie thermique rayonnée par la Terre, ils empêchent une partie de cette chaleur de s'échapper dans l'espace. Cela a pour conséquence une augmentation de la température moyenne à la surface terrestre, un processus au cœur du réchauffement climatique.
Spectre d'absorption infrarouge du CO₂ et de la vapeur d'eau
Le graphique des spectres d'absorption montre que les molécules de CO₂ et de H₂O absorbent différentes longueurs d'onde du rayonnement infrarouge émis par la Terre. À des longueurs d'onde supérieures à 10 micromètres (µm), les bandes d'absorption du CO₂ chevauchent celles de la vapeur d'eau, mais le CO₂ continue d'absorber dans des "fenêtres" où la vapeur d'eau absorbe moins.
Cet effet devient particulièrement marqué en haute altitude. Là, l'air est beaucoup plus sec, car la vapeur d'eau se condense à des altitudes plus basses. En revanche, le CO₂, étant bien mélangé dans l'atmosphère, reste présent à toutes les altitudes, absorbant ainsi plus efficacement le rayonnement infrarouge dans ces régions.
L'élargissement des raies spectrales
En haute altitude, où la densité de l’air est plus faible, les collisions entre molécules diminuent, et les raies spectrales des molécules deviennent plus étroites. En d’autres termes, les raies d’absorption se concentrent autour de longueurs d'onde spécifiques, et les zones "vides" entre les pics d’absorption deviennent plus prononcées. Cela explique pourquoi, même lorsque la vapeur d’eau est saturée en basses altitudes, le CO₂ continue d’augmenter son absorption à des altitudes plus élevées, où il joue un rôle prépondérant dans le blocage du rayonnement infrarouge.
Le forçage radiatif instantané (IRF)
Le forçage radiatif instantané (IRF) mesure l’effet immédiat des gaz à effet de serre sur l'équilibre énergétique de la Terre. Lorsqu'une plus grande quantité de CO₂ est présente dans l'atmosphère, il capte une plus grande part du rayonnement thermique émis par la surface terrestre, réduisant ainsi la quantité d'énergie qui s'échappe dans l'espace.
Le spectre des ondes longues (qui inclut le rayonnement infrarouge) est particulièrement affecté par ces gaz à effet de serre. Le CO₂, en bloquant des longueurs d'onde spécifiques, modifie la manière dont la Terre réémet l'énergie qu'elle reçoit du Soleil. Ce processus explique pourquoi l'augmentation des concentrations de CO₂ amplifie le forçage radiatif, perturbant l'équilibre naturel de l’atmosphère.
Analyse avec le modèle MODTRAN
Le modèle MODTRAN, qui permet de simuler le transfert radiatif, nous aide à visualiser l'effet de l'augmentation du CO₂ à différentes altitudes. En ajustant les paramètres, on peut observer que l'absorption infrarouge du CO₂ augmente considérablement à haute altitude, là où la vapeur d'eau est absente.
Les simulations montrent que même avec des niveaux saturés de vapeur d'eau à basse altitude, le CO₂ prend le relais en haute altitude, piégeant une partie du rayonnement infrarouge qui aurait autrement quitté l'atmosphère. Cela contribue à l'effet de serre renforcé, augmentant le réchauffement global à mesure que la concentration en CO₂ continue de croître.
