Bilan radiatif et effet de serre

Publié le par Bernadette Couturier

Un courriel du jour d'une personne qui était inscrite sur la liste EEDD me donne l'idée de mettre quelques-unes de mes interventions sur ce blog et de les classer environnement.
Ce qui me permettra de contrôler la pérennité des liens proposés !
Voici ce que je transmettais au 23 juillet 2008 date à laquelle la liste aurait cessé de fonctionner.
Ma présentation sur ce blog va permettre d'apporter quelques précisions, mais il va falloir que je rende la lecture plus agréable ! Que je rectifie quelques erreurs de frappe et d'orthographe ! Et je vais mettre des annotations complémentaires de couleur vert clair que j'extrais du livre suivant "La physique statistique en exercices" Licence 3 & Master de physique - Hubert Krivine Jacques Treiner Vuibert ISBN : 978-2-7117-2080-4 qui rendront la présentation plus claire je pense.

Comme j’ai aimé la présentation de JF Royer sur Le bilan radiatif et l’effet de serre

(
lien)
sur la présentation vidéo

Je vous propose de la retrouver sur cette page (le lien pour la vidéo peut ne pas fonctionner si vous n’avez pas real player ?) Pour l’effet papillon j’ai dû le télécharger
Le logiciel RealPlayer est nécessaire pour visualiser cette vidéo. Site de téléchargement gratuit.

L'effet papillon sur planet terre de l'ENS (lien)

À ce propos je pense qu'il serait bien d'ajouter cette référence sur le thémadoc le chaos déterministe !
(
lien) pour mieux comprendre comment le papillon s'est retrouvé coupable de...

Je vous livre mes notes sur la présentation de la vidéo Bilan radiatif - Effet de serre sur le site planet terre.
J''ai mis un temps fou à mettre au net alors pour ceux qui reçoivent le message avec des signes cabalistiques, je peux le mettre en PDF (si c'est demandé).
Le niveau en rouge permet d'aller directement à la zone vidéo dont il est question.

Le but de son exposé est de présenter la physique qui se trouve derrière ces phénomènes d’échanges radiatifs qu’on appelle effet de serre
Présentation du bilan radiatif de l’atmosphère
. Série d’évolution du gaz carbonique à Mauna Loa (première station à faire des mesures continues) on voit clairement sur la série l’augmentation de la concentration en ppm (320 ppm en 1960 à 370 ppm en 1999)
. Evolution de la température moyenne de l’hémisphère Nord 1860 à 2000 (anomalies sur des moyennes de températures négatives dans la première partie et ensuite hausse des températures particulièrement marquée au cours des vingt dernières années) – "corrélation des tendances entre le gaz carbonique et la température ne prouve pas de causalité mais elle est simplement indicative du fait que les deux phénomènes varient simultanément dans un sens compatible avec ce que l’on sait de l’influence du gaz carbonique sur le climat"
Pour comprendre un système complexe il faut regarder les échanges d’énergies
La mesure du bilan de l’énergie de l’atmosphère a été rendue possible avec les satellites
. Présentation ERBE 1985 à 1988 - Flux solaire absorbé dans le système terre atmosphère
340 Watt/m2 à l’équateur et décroissance en direction des pôles 80 Watt/m2 (variations de latitude effet géométrique à l’équateur : incidence des rayons solaires plus vertical et au pôle inclinaison ; la même quantité de rayonnement se trouve répartie sur une plus grande surface - variations en fonction de la longitude valeur plus faible au dessus du Sahara influence de la réflectivité plus ou moins grande du système terre atmosphère.
L'albédo de la Terre dépend en réalité de la température. Il augmente lorsque la température diminue, car la masse de glace qui recouvre la planète augmente ; il diminue lorsque la température augmente, par fonte des glaces.
Albédo (rapport entre flux réfléchi par l’atmosphère par rapport au flux solaire incident) contraste
Rayonnement solaire absorbé
. carte d ‘Albédo représentative pour le mois de janvier (contrastes entre continents et océans)
 - faible au dessus des  zones océaniques (absorbantes pour le rayonnement) forêt équatoriale très haute altitude (glace neige)  continents hémisphère nord (on est en hiver)
-  plus forte continents zones désertiques
Le flux solaire est source d’énergie du système la terre émet du rayonnement vers l’espace et le flux sortant se situe dans l’infra rouge 240 Watt/m2 vers l’équateur et diminution vers le pôle 180 Watt/m2
Niveau 10 Rayonnement : échanges d’énergies entre la terre et le reste de l’univers se fait pratiquement uniquement sous forme de rayonnements  électromagnétiques représentés par un champ électrique et un champ magnétique qui se propagent dans l’espace à la vitesse de la lumière.
Ces  rayonnements peuvent être caractérisés par diverses quantités celle que l’on  utilise plus fréquemment c’est la longueur d’onde qui représente la vitesse de propagation divisée par la fréquence du rayonnement.
Rayonnements électromagnétiques il en existe plusieurs de diverses longueurs (Ondes radios ondes radar) Les échanges énergétiques système terre atmosphère se situent dans les rayonnements proche du visible pour le rayonnement solaire (longueur d’onde variant de 0.4 et 0.75 micron) et dans l’infra rouge pour le rayonnement émis par l’atmosphère et la terre.
Niveau 12 Rappel de lois sur le rayonnement
Le corps noir tient une place particulière dans l'histoire de la physique, puisqu'il est à l'origine de l'introduction de la constante de Planck.
 Planck expression théorique de l’émission maximale (l’émission du corps noir) avec deux expressions intéressantes l’une qui donne le maximum de l’émission loi de Wien et la loi de Stefan-Boltzmann qui donne la puissance rayonnée qui varie comme la puissance 4 de la température
La puissance émise par unité de surface d'un corps noir à la température T suit la loi de Stefan-Boltzmann
A partir de ces deux lois on peut schématiser les échanges d’énergie entre la terre et l’atmosphère
Constante solaire de 1368 watts/m2
Calcul de la température théorique radiative avec un corps noir qui rayonnerait en utilisant les lois données résultat 254 Kelvin – 19° Celcius – différente de la température en surface plus clémente (15°) (forte différence entre la température d’équilibre et la température de surface elle est interprétée comme venant de l’effet de serre de l’atmosphère)
Niveau 18 Mesure du rayonnement de l’infra rouge sortant (observation de sa répartition spectrale - par rapport à la courbe de corps noir (en pointillé) on a une variation en fonction de la fréquence de la température d’émission (gaz responsables de la bande d’absorption) – comparaison avec ce qui se passe sur d’autres planètes
Equilibre radiatif calculé vénus – 46  ; terre – 18 ; mars – 57
Température de surface observée exemple Vénus 477 (contient beaucoup de gaz carbonique) La différence représente l’effet de serre sur les planètes
Mise en évidence de l’effet de serre
Niveau 23 Se poser la question sur l’appellation effet de serre
Propriétés optiques des matériaux (verre ou polyéthylène)
Le verre est très absorbant dans l’infra rouge et c’est moins le cas des matériaux plastiques plus transparents aux rayonnements solaires et à l’infra rouge La nuit lorsque la surface rayonne vers l’espace et se refroidit il est plus faible pour le verre ce qui explique pourquoi les serres sont chauffées artificiellement. Exemple de bilan radiatif nocturne calculé par des gens de l’INRA en plein air moins 75 Watts/m2  - pour le verre moins 38 Watts/m2  - pour le polyéthylène moins 67 Watts/m2
Les phénomènes physiques sont liés aux propriétés optiques du verre certains puristes disent qu’il ne faut pas appeler ce phénomène effet de serre en raison des effets mécaniques de la serre car la serre agit comme écran et empêche  les échanges thermiques avec l’extérieur (échanges turbulents et convectifs)
L’analogie n’est pas totale mais parlante le terme s’est pratiquement imposé dans le langage populaire
La physique des échanges radiatifs
Niveau 28 bilan énergétique de l’atmosphère diagramme qui montre les transformations du rayonnement de façon plus détaillée – explications des mécaniques physiques
Rayonnement solaire inter agit avec diverses particules (exemple le gaz diffuse le rayonnement et explique la couleur bleu du ciel). Par diffusion une partie du rayonnement solaire se trouve réfléchie vers l’espace une autre partie absorbée dans l’atmosphère. La partie qui parvient au sol peut être également réfléchie par la surface dépend de l’albédo de la surface qui varie selon la nature de la surface terrestre une partie est finalement absorbée et chauffe la surface du sol.  La terre émet du rayonnement infra rouge selon la loi de Planck pour une température de 15° le rayonnement infra rouge émis est de l’ordre 390 Watts/m2 une partie de ce rayonnement part directement dans l’espace, une autre partie se trouve absorbée par les gaz qui absorbent dans l’infra rouge et également par les nuages. L’atmosphère à son tour rayonne vers l’espace mais avec des valeurs plus faibles du fait de la décroissance de la température avec l’altitude au sein de l’atmosphère ce rayonnement se fait vers l’espace et en direction de la surface. Une partie importante de rayonnement infra rouge est réémise vers le bas ; le refroidissement infra rouge de la terre est plus faible que le refroidissement d’un corps noir s’il n’y avait pas d’atmosphère il y a d’autres échanges d’énergie entre la surface et l’atmosphère  (mouvements turbulents dans la couche limite de surface et par évaporation d’eau si celle-ci est présente en quantité suffisante en surface sous forme de la chaleur latente d’évaporation de l’eau)
Niveau 32 Bilan quantitatif des chiffres pour bien comprendre les échanges énergétiques (ce que gagne et perd chaque milieu)
Niveau 36 Le rôle des nuages dans le ciel (exemple par ciel clair le refroidissement vers l’espace est plus important ; le rayonnement en surface  reste le même mais celui qui est renvoyé vers le bas est plus faible -effet de couverture des nuages- les nuages ont un effet de serre et contribuent à réchauffer la surface dans l’infra-rouge et effet sur le rayonnement solaire qui lui va plutôt dans le sens d’un refroidissement).
Les principaux gaz à effet de serre
Niveau 39 répartition spectrale des gaz à effet de serre - forçage radiatif des gaz présents dans l’atmosphère - Effet radiatif des principaux gaz à effet de serre :
Vapeur d’eau H2O 75 Watts/m2
Gaz carbonique CO2 32 Watts/m2
Ozone troposphérique et surtout stratosphérique O3 10 Watts/m2
Divers Gaz trace 8 Watts/m2
. Méthane CH4 (gaz des marais) 1.7
. Oxyde nitreux N2O (agriculture transformation chimique des nitrates) 1.3
. Espèces artificielles les chlorofluorocarbures ou fréons qui sont des composés ayant la structure du méthane avec le remplacement des molécules d’hydrogène par des chlores ou des fluors
CFC-11 0.06
CFC-12 0.12
Niveau 42 bande d’absorption des gaz avec leurs fréquences. Les gaz à effet de serre sont poly atomiques. Explication de la configuration des molécules (mode de vibrations)
L’interprétation de ces absorptions gazeuses sert de base à la spectroscopie
Modélisation du climat
Niveau 45 Calcul des échanges radiatifs en prenant des modèles. Il existe des catalogues de position et d’intensité des raies spectrales. Représentation à une échelle logarithmique.
L’effet de refroidissement ou de réchauffement en fonction de l’altitude des divers gaz peut être calculé. Le calcul permet de comprendre comment la composition des gaz va modifier les échanges radiatifs.
Scénario d’évolution de l’effet de serre et de leur impact climatique
Niveau 49 Pour comprendre leur impact sur le climat il faut développer des modèles plus compliqués qui prennent en compte tous les processus d’échanges qu’il peut y avoir dans l’atmosphère (mouvements circulations). Pour modéliser le climat il existe une hiérarchie de modèles de plus en plus complexes
. Modèle de bilan énergétique c’est le plus simple - loi de rayonnement corps noir (une seule valeur de température) basé sur la Thermodynamique (conservation de l’énergie)
. Modèle colonnes de verticales (on calcule les échanges radiatifs) prévoir quel vont être les profils de température lorsque la concentration des divers gaz est modifiée
. Modèle zonal latitude-altitude (variations très forte du pôle à l’équateur) interaction de la chimie avec le rayonnement transport atmosphérique pas dans le détail
. Modèle de circulation générale (à trois dimensions prend en compte les équations de mécanique des fluides, dynamique de circulation et les physiques par échange radiatif, formation de nuages, échanges de vapeur d’eau, condensations, turbulence etc.)
. Modèle couple (plus complet)  parties du système climatique ensemble atmosphère océan couvertures de glaces les processus à la surface des continents, biosphère. Chacun de ces milieux fait partie d’une spécialisation puis on cherche comment faire communiquer ces modèles entre eux afin de prévoir quelle peut être l’évolution du climat lorsque la composition atmosphérique est modifiée.
Niveau 53 Exemple de résultat de modèles atmosphériques développés par les météorologistes – calcul d’un climat théorique exemple précipitations à partir d’observations et exemples de simulations.
Fonctionnement du couplage Arpège atmosphérique et OPA océanique qui demande une synchronisation car les pas de temps sont différents.
Niveau 56 observations dans les calottes glaciaires Vostok on peut aller loin en arrière (400 000 ans en arrière) Analyse des bulles d’air incluses dans la glace. L’écart que l’on observe est très significatif !
Scénario d’anomalies de température
Scénarios du GIEC - prévision des résultats en termes de température
Conclusion
L'équilibre radiatif de la planète est instable
Niveau 1.05
Le gaz carbonique, la vapeur d’eau, et le méthane jouent un rôle important de thermostat dans l’équilibre climatique du globe par leur absorption du rayonnement infrarouge émis par la surface.
Les rejets croissant de gaz à effet de serre vont exercer une influence croissante sur le climat du globe au cours des prochaines décennies et peuvent conduire à un réchauffement des températures en surface.
Les scénarios climatiques montrent que ce réchauffement global pourrait s’accompagner de modifications régionales importantes, notamment sur les précipitations.
Des exemples montrent que des anomalies climatiques peuvent avoir un impact écologique et économique important sur plusieurs régions du globe.
Conclusion il semble nécessaire de ralentir les rejets de gaz à effet de serre pour les stabiliser et essayer de déterminer avec plus de précisions quel peuvent être leur impact.
Bonne utilisation de cette vidéo et de ce compte-rendu !
Bien cordialement,
Bernadette Couturier professeure enseignante documentaliste
Google écolo du jour  - explication netecolo avait racheté à google cette présentation !
Pensez à utiliser le covoiturage

Publié dans Environnement

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