Le climat – Sixième épisode – Transfert radiatif dans l’atmosphère

Dans le système climatique, l’énergie est transférée de deux manières principales : 1) par des mouvements dans l’atmosphère et l’océan, qui transportent l’air et l’eau chauds dans des régions plus froides et inversement, et 2) par transfert radiatif infrarouge, cette fois uniquement dans l’atmosphère, car l’océan est trop opaque pour permettre des transferts importants. 

La théorie du transfert radiatif, qui est un peu trop complexe pour être présentée ici 🙂, peut être décomposée en deux parties, qui concernent respectivement les rayonnements solaire (ondes courtes)et planétaire (ondes longues).

La grande différence entre les deux est que le premier (rayonnement solaire), bien qu’il soit absorbé et dispersé dans l’atmosphère, provient uniquement du soleil. Le second, le rayonnement planétaire, est lui émis par la terre, l’océan et toutes les parties de l’atmosphère. Les deux régimes se chevauchent à peine en longueur d’onde : pratiquement tout le flux d’énergie solaire est contenu dans la plage allant de 0,2 à environ 5,0 micromètres, qui comprend bien sûr la plage visible ainsi que les UV et le proche infrarouge. Aux contraire, les émissions planétaires ou terrestres se produisent entre 5,0 et 100 micromètres, souvent appelé le domaine de l‘infrarouge thermique.

Distributions de l’intensité émise par le Soleil et la Terre en fonction de la longueur d’onde

Parce que les couches de l’atmosphère sont toutes émettrices et absorbantes en même temps, le calcul détaillé des bilans énergétiques résultants et du profil de température à l’équilibre nécessitent des formules assez compliquées que nous ne présenterons pas 😞

Gardons les choses simples, n’est-ce pas ? 🙂

La théorie de le la radiation, basée sur la loi de radiation de Planck et les lois du transfert radiatif, affine notre compréhension des sources et des puits d’énergie dans l’atmosphère elle-même et nous permet d’étudier des concepts simplifiés comme des atmosphères en équilibre radiatif et de comprendre le bilan énergétique qui a lieu au niveau de la surface de la Terre.

Ainsi, l’absorption atmosphérique dans les deux régimes et l’émission dans l’infrarouge sont régis par les principes de la spectroscopie moléculaire qui décrivent l’interaction entre les molécules atmosphériques et les photons d’origine solaire et planétaire.

Ces lois conduisent à l’absorption et à l’émission dans des raies spectrales, regroupées en bandes, qui absorbent et émettent seulement à des longueurs d’ondes spécifiques qui sont différentes pour chaque espèce moléculaire. Elles expliquent également pourquoi les constituants mineurs de l’atmosphère comme le dioxyde de carbone sont si importants : ils ont de nombreuses bandes dans l’infrarouge, tandis que les espèces principales N2 et 02, en raison de leur simplicité et symétrie, n’en ont pas.

Une compréhension détaillée du transfert radiatif est également essentielle pour calculer la distribution en longueur d’onde de l’intensité du rayonnement quittant le sommet de l’atmosphère.

Les détails de cette distribution dépendent des profils de la température et de la composition de l’atmosphère située en-dessous. Leurs mesures et analyse constituent les bases des techniques de télédétection, qui dominent actuellement les mesures du système terrestre. Sans ces mesures, aucune compréhension quantitative de la physique du climat ne serait possible.

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[1] Elementary Climate Physics

Le climat – Cinquième épisode – L’océan et le climat

OUF, le temps avance et notre compréhension du climat également, au travers de cette série d’articles. Cher lecteur, nous allons voir ici le rôle joué par l’océan dans le climat.

Le climat sur la Terre serait, bien sûr, très différent sans les océans. Ces derniers stockent d’énormes quantités de chaleur et en échangent également des quantités importantes avec l’air et la terre. Tout se passe en fait comme si un vaste «tapis roulant» traversait les océans, transportant la chaleur entre les parties les plus chaudes et les plus froides du monde. La quantité de vapeur d’eau présente dans l’atmosphère, quant à elle, dépend à tout moment de l’équilibre global entre l’évaporation et les précipitations sur l’océan. L’océan est aussi une source, un puits ou un réservoir non seulement pour la vapeur d’eau, mais également pour plusieurs autres espèces atmosphériques importantes, comme le dioxyde de carbone (CO2).

Stockage de chaleur et transport

Alors que nous ressentons l’effet du climat principalement à travers l’atmosphère, 71% de la surface de la Terre est recouverte d’eau, dont 6% de glace. Cela représente un énorme réservoir de chaleur et d’humidité disponible pour effectuer des échanges avec l’atmosphère. La grande capacité de chaleur des océans retarde l’effet de toute tendance au réchauffement dans la basse atmosphère : seulement 60% de l’effet de l’activité industrielle depuis 1700 se manifeste dans les augmentations de température de surface enregistrées.

L’atmosphère et les océans sont couplés de manière dynamique. Les deux ont des schémas de circulation qui redistribuent la chaleur des tropiques à des latitudes plus élevées. Bien que l’océan se déplace moins rapidement que l’atmosphère, son stockage d’énergie est beaucoup plus grand. En fait, la partie supérieure des océans (jusqu’à 3m de la surface) a la même capacité calorifique que l’ensemble de l’atmosphère. La capacité de chaleur totale des océans est environ 1 000 fois supérieure à celle de l’atmosphère. La contribution nette de l’océan au flux de chaleur entre l’équateur et les pôles est la même que celle de l’atmosphère, avec l’océan dominant sous les tropiques tandis que l’atmosphère prend le dessus à des latitudes plus élevées.

Leur puissance combinée est d’environ 5 PW (5 x 1015 W), ce qui, à titre indicatif, équivalant à la production de plusieurs millions de centrales nucléaires.

L’océan réduit donc le contraste entre les températures à l’équateur et aux pôles et assure ainsi la stabilité du climat. Si sa circulation était perturbée, des changements majeurs pourraient néanmoins survenir. La haute teneur en sel de l’océan, et le fait qu’elle varie en raison du ruissellement de l’eau douce de la surface terrestre, font que la circulation océanique profonde est conduite par des gradients (différences) de densité dus à la salinité et à la température. L’avancée de calottes polaires au cours des âges de glace pourrait être due à des changements dans la circulation océanique et à un transport réduit de chaleur vers les hautes latitudes.

Cycle hydrologique

L’océan est au cœur du cycle hydrologique et détient environ 97% de l’eau de la Terre à tout moment, environ 10 milliards de kilomètres cubes d’eau. Le transfert d’une partie de cette eau entre l’océan, l’atmosphère et la surface terrestre constitue le plus grand mouvement de matière sur Terre. Outre les précipitations et d’autres aspects du bilan hydrique, la répartition de la vapeur dans l’atmosphère affecte le bilan radiatif de la Terre par la formation de divers types de nuages ​​et de la couverture de glace en surface.

Les variations d’humidité dans l’atmosphère et la formation des nuages ​ proviennent de l’évaporation des océans. Inversement, les flux d’eau douce de surface affectent la salinité et donc la circulation océanique. Cette dernière affecte à son tour le stockage et le transport de la chaleur par l’océan, un facteur majeur dans l’énergétique du système climatique.

Echange de C02 avec les océans

Le dioxyde de carbone est légèrement soluble dans l’eau. Il a donc tendance à s’éliminer de l’atmosphère et à pénétrer dans l’océan par l’action des précipitations et lors des ruptures de vagues sur les côtes. Environ un tiers du dioxyde de carbone rejeté chaque année par les combustibles fossiles (2 giga tonnes de carbone par an) est absorbé par l’océan, offrant une réduction importante de l’effet de serre causé par ce gaz.

On ignore combien de temps l’océan peut continuer à fournir ce service. Il est estimé que l’océan contient actuellement environ 50 fois plus de dioxyde de carbone que l’atmosphère. L’océan pourrait en être saturé et le taux d’absorption ralentirait alors. En fait, sachant que l’océan peut se réchauffer et que la solubilité du C02 dans l’eau diminue lorsque la température augmente, l’océan pourrait devenir une source nette de CO2 et fournir ainsi une rétroaction positive sur les tendances du réchauffement planétaire

Attention, attention donc au CO2 !!!

Une partie du CO2 en solution dans l’océan y est retenue en permanence, et subit finalement une sédimentation à la suite de réactions chimiques et de processus biologiques, formant des récifs coralliens et autres. Par exemple, le phytoplancton qui flotte dans les 200 m d’eau de surface consomme du C02 pendant la photosynthèse. Il le convertit ensuite en molécules plus complexes qui soit finissent comme nourriture pour les grandes espèces soit sombrent dans le lit de l’océan à la fin de la courte durée de vie du plancton (quelques jours).

Le taux auquel l’enlèvement net de CO2 par cette « pompe biologique » peut continuer dépend de la reproduction du phytoplancton, qui peut être très rapide ou presque nul, dépendant de la disponibilité des autres nutriments. Ces nutriments ont tendance à s’épuiser dans les couche superficielle, où l’énergie solaire est disponible et où la majeure partie du phytoplancton vit. Cependant, ces nutriments restent abondants à des profondeurs plus grandes. Ainsi, le phytoplancton (et les grands animaux marins comme les poissons qui s’en nourrissent) a tendance à prospérer à des endroits et à des moments où les remontées d’eau sont rapides dans l’océan.

Grâce aux nombreuses mesures effectuées, les chercheurs ont constaté que le taux d’échange de CO2 entre l’océan et l’atmosphère à la latitude moyenne du Pacifique varie d’une année à l’autre d’un facteur 4. Cette variation est apparemment due aux différences dans la structure de la température et des remontées d’eau dans l’océan ainsi qu’à l’affaiblissement des vents dans le moitié orientale du Pacifique lors des événements ‘El Nino’.

De telles fluctuations ajoutent évidemment à la difficulté d’estimer la budget global du C02 avec précision. Les meilleures estimations actuelles, n’expliquent pas un réchauffement climatique à moins qu’un grand composant non identifié, égal à environ un tiers de l’absorption totale par les océans chaque année, soit inclus artificiellement.

Il est crucial de comprendre cet écart, car la balance actuelle, qui est légèrement du côté de l’élimination du CO2 de l’atmosphère, mais qui est susceptible d’aller dans l’autre sens, en dépend de façon critique. Cet écart est probablement lié à l’incertitude des taux auxquels les processus connus absorbent le CO2 atmosphérique dans les océans, et ce qui arrive après cela.

Couplage dynamique entre l’atmosphère et l’océan

Le phénomène « El Nino » mentionné ci-dessus est maintenant connu pour avoir une importance dans les études climatiques qui va bien au-delà de son rôle de modérateur de la température de l’eau, et donc de réguler l’abondance du phytoplancton, dans le Pacifique oriental.

Plus souvent appelé El Nino-Southern Oscillation (ENSO) de nos jours, c’est l’exemple le mieux étudié de de l’interaction dynamique entre l’atmosphère et l’océan.

La base de cette interaction concerne la manière dont la température de surface de l’océan affecte le taux de chaleur et de transfert d’humidité dans l’atmosphère, produisant des variations des champs de pression qui entraînent les vents. En même temps, le vent proche de la surface a un effet important sur les mouvements des couches supérieures de l’océan et sur leur température, créant une boucle de rétroaction. Ce type de couplage conduit à des oscillations, avec de longues échelles de temps (quelques années pour ENSO) pour ces oscillations ayant lieu sur de grandes échelles spatiales. Il est maintenant reconnu que la compréhension intime de ce comportement est cruciale pour la réalisation de bons modèles de prévision climatiques sur des échelles de temps de plusieurs années à plusieurs décennies.

Transfert radiatif dans l’atmosphère

Dans le système climatique, l’énergie est transférée de deux manières principales : 1) par des mouvements dans l’atmosphère et l’océan, qui transportent l’air et l’eau chauds dans des régions plus froides et inversement, et 2) par transfert radiatif infrarouge, cette fois uniquement dans l’atmosphère, car l’océan est trop opaque pour permettre des transferts importants.

Cher lecteur, une compréhension détaillée du transfert radiatif sera donnée dans un prochain article.

Voila voila, j’en ai fini pour cet article 🙂 J’espère que vous l’avez aimé. Si c’est le cas et que vous ne voulez pas raté les suivants, souscrivez à notre lettre et n’hésitez pas à laisser un commentaire pour me faire partager votre avis, vos accords avec ce qui est écrit, vos objections 🙂

[1] Elementary Climate Physics

La poussée d’Archimède – qu’est ce que c’est ?

On a déjà tous entendu parlé du célèbre cri poussé par Archimède dans sa baignoire : Euréka !

On lui attribue la découverte de son principe : le  principe d’Archimède sur les corps plongés dans un liquide. Archimède conçoit, sur ce principe, le plus grand navire de l’Antiquité, le Syracusia commandité par le tyran de Syracuse Hiéron II et construit par Archias de Corinthe vers 240 av. J.-C.

Mais qu’est ce que ce principe :

Tout corps entièrement immergé dans un fluide subit une force verticale, dirigée de bas en haut et d’intensité égale au poids du volume de fluide déplacé.

ou, de façon légèrement plus complète :

Tout corps plongé dans un fluide au repos, entièrement mouillé par celui-ci ou traversant sa surface libre, subit une force verticale, dirigée de bas en haut et opposée au poids du volume de fluide déplacé.

Ce second énoncé exprime bien que le fluide et le corps immergé doivent être au repos pour que le principe s’applique. Il exprime également que le principe s’applique même si le corps n’est pas entièrement immergé. Le principe ne s’applique pas seulement aux poissons, aux sous-marins ou aux plongeurs, mais aussi aux icebergs, aux bateaux, à vous sur votre matelas ou fauteuil d’apéritif gonflable dans votre piscine, … 🙂

En voici l’expression mathématique :

Poussée d’Archimède

Cette poussée d’Archimède est une force de contact répartie sur toute la surface de contact solide-fluide. Elle est due au fait que toute la surface d’un solide immergé dans un fluide (liquide, gaz) est constamment « frappée » par les molécules de ce fluide. Ces chocs sont à l’origine de la poussée d’Archimède.

Cette poussée s’exerce de façon bien effective sur le plongeur : c’est ce qui assure sa flottabilité.

En effet, à l’équilibre, le bilan des forces agissant sur le plongeur est tel que son poids et la poussée d’Archimède s’opposent.

Le poids apparent d’un plongeur est défini comme son poids réel diminué de la poussée d’Archimède. La flottabilité est, quand à elle, l’opposé du poids apparent.

Donc, si le poids réel est plus petit que la poussée d’Archimède, la flottabilité est positive et on flotte 🙂. Si par contre le poids réel est plus grand que la poussée d’Archimède, la flottabilité est négative et on coule. Enfin, si le poids apparent et la poussée d’Archimède sont égales en grandeur, la flottabilité est nulle et l’on est en position neutre, à l’équilibre.

Mais il y a aussi des forces de frottement

Si le corps solide se déplace par rapport au fluide, il apparaît des forces de « frottement fluide » sur toute la surface du solide. Ce n’est plus uniquement la poussée d’Archimède qui s’exerce là … !

Voici les forces qui s’exercent sur un parachutiste de 80 kg ayant sauté de l’avion et ouvert un peu plus tard son parachute supposé d’un volume de 10 m3. Est-ce que c’est la poussée d’Archimède qui le freine ?

Archimède et le parachute ?

Clairement la poussée d’Archimède de l’air sur le parachute ne compense pas le poids du parachutiste (poids du parachute négligé). Il y donc une autre force (principe d’inertie) qui doit agir pour éviter la chute libre du parachutiste … ! Ce sera l’objet d’un prochain article sur les forces de frottement … 🙂

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