Modèles systèmes climatiques
Si vous demandez à chat GPT de vous expliquer l’effet de serre, il vous répond :
«L’effet de serre est un phénomène naturel qui permet à la Terre de retenir une partie de la chaleur émise par le Soleil. Les gaz à effet de serre présents dans l’atmosphère comme le CO2, la vapeur d’eau et le méthane absorbent cette chaleur et maintiennent une température propice à la vie sur Terre»
Cette présentation est trop simpliste et prête le flanc à des polémiques stériles à propos de la soi-disant saturation de l’effet de serre par exemple. Les deux vidéos qui suivent ont pour but de fournir une explication aussi complète que possible tout en restant abordable par un très large public.
La première vidéo YouTube qu’on appellera la piste verte de l’effet de serre ou l’effet de serre pour les nuls se veut abordable pour tous. Elle ne nécessite aucune connaissance préalable, juste un peu d’attention.
La deuxième, la piste rouge, essaie d’aller un peu plus au fond des choses en introduisant la notion d'altitude d'émission et en présentant les différents modes d'interaction des molécules avec le rayonnement. Elle ne nécessite pas, à vrai dire de connaissances particulières puisque tout y est expliqué mais elle est plus complexe et un peu de familiarité avec la physique permettra évidemment une compréhension plus aisée. On y verra aussi que l’effet de serre est très largement validé par les mesures de température de l’atmosphère qui sont effectuées tous les jours depuis les satellites météorologiques.
Le système climatique est commandé par les échanges d'énergie qui y ont lieu.
Si l'on considère la planète dans son ensemble, ses échanges d'énergie avec l'extérieur ne se font que par rayonnement. Sur le long terme, ces échanges doivent être équilibrés faute de quoi, la Terre se réchauffe si elle gagne plus d'énergie qu 'elle n'en perd et réciproquement. Actuellement, la Terre perd moins d'énergie qu'elle n'en gagne.
La Terre reçoit son énergie du soleil sous forme d'un rayonnement de courtes longueurs d'onde, on appelle irradiance solaire F0 la quantité d'énergie reçue par 1 m2 de surface perpendiculaire à la direction du soleil. La quantité totale reçue par toute la planète par unité de temps est donc F0 S, où S = π R2 est la surface du disque face au soleil avec R, le rayon de la Terre. Elle en réfléchit une partie α vers l'espace ; α est appelé l'albédo de la planète. La quantité d'énergie absorbée est donc π R2 (1-α) F0.
La Terre perd aussi son énergie par rayonnement, mais à des longueurs d'onde plus grandes, dans l'infrarouge. Si on appelle Fir(TOA) le flux infrarouge, en W/m2, sortant au sommet de l'atmosphère, la quantité totale d'énergie perdue par la Terre par seconde est 4π R2 Fir(TOA) et l'équilibre énergétique requiert que :
Fir(TOA) = Solabs = (1-α) F0/4
Si l'on s'intéresse, cette fois, aux échanges d'énergie qui ont lieu sur la planète, à l'intérieur du système climatique, il faut faire intervenir les échanges de chaleur qui ont lieu par l'intermédiaire des échanges de matière, c'est à dire par convection et par advection.
On explore quelques une des principales conséquences qui en résultent. On dispose pour cela de trois modèles qui permettent d'estimer la sensibilité climatique, le forçage radiatif du CO2, le forçage des nuages, la rétroaction de la vapeur d'eau etc. Pour les utiliser, cliquer sur ces liens :
Un modèle radiatif convectif (RCM)
Un modèle d’équilibre énergétique (EBCM : Energy Balance Climate Model)