Effet de serre naturel : Réchauffement de la surface terrestre dû aux gaz à effet de serre présents dans l'atmosphère.
- Calculer la température sans atmosphère (corps noir)
- Comparer avec la température réelle
- Calculer la différence
Modèle de corps noir: T₀ = ∜(S₀(1-α)/(4σ)) = -18°C
Température moyenne de la surface terrestre: T = +15°C
ΔT = T - T₀ = 15 - (-18) = 33°C
L'effet de serre naturel réchauffe la surface de 33°C
Sans effet de serre, l'eau serait gelée et la vie impossible
L'effet de serre naturel réchauffe la surface terrestre de 33°C (de -18°C à +15°C), rendant la vie possible sur Terre.
• Loi de Stefan-Boltzmann : E = σT⁴
• Température sans atmosphère : -18°C
• Température avec effet de serre : +15°C
Gaz à effet de serre : Gaz absorbant le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre.
Vapeur d'eau (H₂O) : 20% de l'effet de serre
CO₂ : 76% de l'effet de serre anthropique
CH₄ : 16 fois plus efficace que CO₂ sur 100 ans
N₂O : 300 fois plus efficace que CO₂
CF₄, SF₆, CFCs : très puissants mais en très faibles concentrations
Les principaux gaz à effet de serre sont H₂O (20%), CO₂ (76%), CH₄, N₂O et autres gaz fluorés, chacun avec des propriétés et durées de vie différentes.
• Potentiel de réchauffement global : GWP pour comparer efficacité
• Durée de vie atmosphérique : CO₂: 100+ ans, CH₄: 12 ans
• Concentration actuelle : CO₂ > 420 ppm (2023)
Mécanisme de piégeage : Processus par lequel les gaz absorbent et réémettent le rayonnement infrarouge.
Rayonnement visible traverse l'atmosphère et atteint la surface
Surface absorbe l'énergie et réémet en infrarouge (longueur d'onde)
Gaz à effet de serre absorbent l'infrarouge à certaines longueurs d'onde
Gaz réémettent l'énergie dans toutes les directions
Partie de l'énergie est redirigée vers la surface, réchauffant celle-ci
Le mécanisme de piégeage consiste en l'absorption du rayonnement infrarouge émis par la surface par les gaz à effet de serre, suivie d'une réémission dans toutes les directions.
• Longueurs d'onde critiques : 4-100 μm pour infrarouge
• Fenêtre atmosphérique : 8-12 μm où l'atmosphère est transparente
• Quantification : ~150 W/m² de rayonnement piégé
Forçage radiatif : Changement de flux énergétique à la limite de l'atmosphère.
ΔF = 5.35 × ln(C/C₀) W/m²
C₀ = 280 ppm (période préindustrielle), C = 420 ppm (actuel)
C/C₀ = 420/280 = 1.5
ln(1.5) = 0.405
ΔF = 5.35 × 0.405 = 2.17 W/m²
Le forçage radiatif dû à l'augmentation du CO₂ depuis l'ère préindustrielle est de 2.17 W/m², contribuant significativement au réchauffement climatique.
• Formule Myhre : ΔF = 5.35 × ln(C/C₀)
• Concentration préindustrielle : ~280 ppm
• Concentration actuelle : >420 ppm
Évolution historique : Changement des concentrations de gaz à effet de serre au fil du temps.
CO₂ : ~280 ppm, CH₄ : ~700 ppb, N₂O : ~270 ppb
1750-1850 : Début de l'augmentation des émissions
Accélération rapide due à l'utilisation des combustibles fossiles
CO₂ dépasse 400 ppm en 2013, tendance continue à la hausse
Sans action, concentrations pourraient doubler d'ici 2100
Les concentrations de gaz à effet de serre ont augmenté de manière exponentielle depuis l'ère préindustrielle, avec une accélération marquée après la révolution industrielle.
• Observations : Données de Mauna Loa pour CO₂
• Paléoclimatologie : Noyaux de glace pour historique
• Tendances : Croissance exponentielle des concentrations
Rétroaction positive : Processus qui amplifie le changement initial.
Augmentation de température due aux gaz à effet de serre
Glace blanche fond, surface plus sombre exposée
Albédo passe de ~0.8 (glace) à ~0.1 (océan/sol)
Surface plus sombre absorbe plus d'énergie solaire
Plus d'énergie absorbée → plus de réchauffement → plus de fonte
La fonte des glaces diminue l'albédo, augmentant l'absorption d'énergie et amplifiant le réchauffement par une rétroaction positive.
• Effet boule de neige : Réaction en chaîne amplifiant le changement
• Quantification : ΔF = S₀ × Δα / 4 pour forçage
• Amplification polaire : Réchauffement 2-3 fois plus fort aux pôles
Vapeur d'eau : Le gaz à effet de serre le plus abondant et le plus puissant.
Vapeur d'eau représente ~60% de l'effet de serre total
Capacité de l'air à retenir la vapeur d'eau augmente avec la température
Contenu en vapeur d'eau augmente de ~7% par °C de réchauffement
Plus de CO₂ → plus de réchauffement → plus de vapeur d'eau → plus d'effet de serre
Vapeur d'eau a une durée de vie courte (quelques jours) mais est renouvelée
La vapeur d'eau est le gaz à effet de serre le plus important, agissant comme rétroaction positive amplifiant le réchauffement initial.
• Loi de Clausius-Clapeyron : q = q₀ × exp(L/R(1/T₀ - 1/T))
• Rétroaction : Amplifie le forçage initial de 1.5 à 2 fois
• Contrôle : Température détermine la concentration de vapeur
Rétroaction : Réponse d'un système qui modifie la cause initiale du changement.
Amplifient le changement initial (ex: fonte des glaces, vapeur d'eau)
Atténuent le changement initial (ex: formation de nuages)
Rétroactions positives dominent, multipliant l'effet initial
Les rétroactions déterminent la sensibilité du système climatique
Les rétroactions complexes constituent la principale source d'incertitude
Les rétroactions positives dominent dans le système climatique, amplifiant le forçage initial et déterminant la sensibilité climatique finale.
• Rétroaction vapeur d'eau : ~1.0 W/m²/K
• Rétroaction laps : ~0.3 W/m²/K
• Somme des rétroactions : ~1.5-2.0 W/m²/K
Variations régionales : Différences dans l'impact de l'effet de serre selon la localisation géographique.
Réchauffement 2-3 fois plus fort aux pôles qu'à l'équateur
Continents réchauffent plus vite que les océans (moindre inertie thermique)
Moins de vapeur d'eau → moindre rétroaction positive
Montagnes réchauffent plus rapidement que les plaines
Chaque région a ses propres mécanismes de rétroaction
L'effet de serre a des impacts hétérogènes géographiquement : amplification polaire, réchauffement continental plus marqué, variations selon l'humidité locale.
• Amplification polaire : ~3 fois plus fort aux pôles
• Contraste continent/océan : Différence de capacité thermique
• Réchauffement hémisphérique : Nord > Sud
Doublement CO₂ : Scénario de référence pour quantifier la sensibilité climatique.
ΔF = 5.35 × ln(2) = 3.7 W/m² pour doublement de CO₂
ΔT₀ = 1.2°C pour un doublement de CO₂ sans rétroactions
Rétroactions amplifient la réponse (vapeur d'eau, nuages, etc.)
ΔT_eq = 1.5 à 4.5°C pour un doublement de CO₂
L'équilibre prend des siècles à atteindre, réponse transitoire plus rapide
Le doublement du CO₂ provoque un forçage de 3.7 W/m², entraînant un réchauffement de 1.5 à 4.5°C à l'équilibre, selon la sensibilité climatique.
• Forçage CO₂ double : 3.7 W/m²
• Sensibilité climatique : 1.5-4.5°C pour doublement CO₂
• Réponse transitoire : ~1.5-2.5°C plus rapide
