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terre_ronde
L’enveloppe
gazeuse de
le couple atmosphère – hydrosphère
Structure thermique
et chimique verticale de l'atmosphère
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B -
Structure thermique et chimique verticale de l'atmosphère |
a -
Troposphère et phénomènes climatiques
Son épaisseur varie de
La température au sol est en moyenne de +
Anaxagore, au V° siècle A.C., reprenant les écrits de Thalès de Milet,
remarquait déjà que l’air chaud s’élève, que les nuages se forment lorsque
l’air refroidit. Il admettait ainsi que la température s’abaisse avec
l’altitude. L’air chaud s’élève en premier lieu par décompression adiabatique.
La convection continue aussi longtemps que les particules montantes sont plus
chaudes que l’air environnant. Lorsque la température a suffisamment baissé, la
condensation de la vapeur d’eau commence, et la chaleur latente libérée relance
la machine, accélérant ainsi l’ascension de l’air.
Au sommet de la stratosphère
la température cesse de décroître (tropopause)
et se stabilise autour de -50 à
b -
Troposphère, siège de l’effet de serre.
Le terme “ serre ”
n’a pas été judicieusement choisi, car dans une serre, la paroi de verre joue
un rôle primordial en interdisant le transfert de chaleur vers l’extérieur (les
IR), mais pas le passage des longueurs d’ondes visibles. La chaleur accumulée
dans la serre résulte donc essentiellement du fait que les IR émis par le sol
ou les plantes sont réfléchis par le verre, alors que l’insolation directe
traverse normalement les parois de la serre. L’atmosphère terrestre, elle, n’a
pas de couvercle, et le mécanisme de l’effet de serre est un peu différent.
Le bilan énergétique de l’atmosphère repose sur deux paramètres fondamentaux, sa composition (nous y
reviendrons) et la distance du soleil.
En effet, les planètes du système solaire étant en équilibre
thermodynamique (leur température moyenne annuelle est
“ constante ”), les lois du rayonnement du corps noir, établies à la
fin du XIX°, leur sont applicables, comme elles le sont au soleil :
1 -
la loi de Planck : elle exprime le fait que l’intensité du
rayonnement émis par le corps en équilibre en fonction de sa longueur d’onde passe
par un maximum (fig. 3a cas du Soleil, 3b cas de la Terre);
2 -
la loi de Wien : elle exprime le fait que la longueur
d’onde maximale émise par le corps noir est inversement proportionnelle à sa
température d’émission;
λmoy
= 2900/T,
λ exprimé en microns et T exprimé
en °K. Autrement dit, plus un corps est chaud plus la fréquence de sa couleur
démission est élevée (Fig. 3a-b, Soleil et Terre ; Fig. 4,
principaux objets cosmiques). En effet, plus la fréquence d’une radiation est
élevée, plus son énergie est importante.
3 -
La loi de Stephan-Boltzman
nous dit que pour un corps noir de rayon R, la luminosité L (voir définition Chp. 1A), à la température T est égale
à
L = 4πR2
. s T4 avec
la cte de Stephan s = 5.67 10-8 SI (erg.s-1.cm-2/K-4).
Pour le Soleil, R = 700
la
luminosité Ls = 3.8 1026 w m‑2.
On appelle “ Constante
solaire ” le flux solaire Cs reçu par une surface
plane située à la distance d du Soleil,
Cs = Ls/(4πd2).
Cette constante solaire n’est d'ailleurs pas strictement constante. Les
mesures montrent des variations de l’ordre de 0.1% en relation avec la surface
cumulée des taches solaires.
Pour la Terre, située
Cs = Ls/(4πd2).
(NB. Surface réceptrice =
jour = πRp2 ; surface rayonnante = 4πRp2).
Le flux solaire reçu par
σ TT4
L’atmosphère et la surface terrestre réfléchissent vers l’espace respectivement 87 W.m-2
et 21 W.m-2 =108 W.m-2 soit 31% de l’énergie reçue (Fig. 6). Cette
fraction de l’énergie renvoyée vers l’extérieur définit l’albédo α de la planète (=0.3) [1],. Les meilleurs réflecteurs
sont les corps blancs ou clairs, les nuages, la neige et la plupart des sols
dépourvus de végétation. On perçoit ici l’effet rétroactif d’un changement
climatique éventuel (variation de la surface réfléchissante des calottes
glaciaires) ou de la déforestation.
Connaissant l’albédo de
Cs/4 (1 – α) = 340 *0.7 = 238 w m-2
et le bilan radiatif de la
Terre s’écrit schématiquement :
Flux reçu Cs/4 (1 – α) = s.T4 Flux émis
TT= [(238/ s]-4= [(238/ 5.67 ]-4 102
=254.7°K
soit -18.3°C.
A cette T° d’équilibre, la
Terre émet essentiellement dans le domaine des IR, en 5 et 50 mm (Fig. 3b)
La différence entre sa température
d’équilibre théorique (-18°c) et sa température moyenne (+13°c) impose que la
Terre tire de l'énergie d’une autre source. L’énergie interne dissipée par la
Terre (Chp. 1) est très insuffisante pour justifier une telle différence,
la source d’énergie réside donc nécessairement dans son atmosphère. Il convient
toutefois de rester prudent, pour plusieurs raisons :
Le calcul de la température
d’équilibre présenté ici est un modèle largement utilisé quoique très
simplifié. Nous avons raisonné à partir d’un flux que recevrait un disque
perpendiculaire au flux, et non une demi-sphère exposée au flux. La quantité
totale reçue calculée est donc bien satisfaisante, mais ensuite nous calculons
une température moyenne comme la racine (quatrième !) de ce flux moyen,
alors qu’il serait plus rigoureux de sommer les températures calculées en
chaque point de la demi-sphère exposée, en fonction du flux réel reçu par
chaque surface unitaire non perpendiculaire au flux sauf sur le plan de
l’écliptique. Par ailleurs, il n’est pas tenu compte de la rotation terrestre,
ni de l’inclinaison de son axe et de l’excentricité de la révolution terrestre.
En résumé, notons que cette valeur de
Nous avons vu qu’une partie du
rayonnement est directement réfléchie par le globe terrestre (albédo) et que ce
phénomène est compliqué par des absorptions dans l’atmosphère (note
infrapaginale page précédente). Les absorptions de rayonnement sont
principalement le fait des molécules qui constituent l’atmosphère. L'absorption
du rayonnement provoque la transition d'un atome ou d'une molécule d'un état
d'énergie stable vers un état d'énergie plus élevé (excité) sous l'action d'un
photon incident d'énergie hn. Pour que l'absorption ait lieu il faut donc que
le quantum d'énergie hn corresponde à la différence entre deux niveaux permis
par les règles de la mécanique quantique: c'est ce que l'on appelle une raie
d'absorption (Fig. 5). En revenant à son niveau d'énergie initial, soit directement,
soit par étapes, la matière émettra à son tour un rayonnement de même énergie.
Les principaux absorbants qui jouent un rôle dans l'énergétique de l'atmosphère
sont des molécules gazeuses triatomiques: vapeur d'eau (H2O),
dioxyde de carbone (CO2), ozone (O3).Ces molécules ont un
spectre énergétique beaucoup plus riche que celui des molécules diatomiques (O2,
N2, H2) qui absorbent peu le rayonnement solaire ou
terrestre. En outre, les molécules poly atomiques (CH4, CFC) ont un
pouvoir absorbant très élevé : on appelle « gaz à effet de
serre » les gaz fortement absorbants
Le spectre du rayonnement
solaire est caractérisé par des longueurs d’ondes courtes, dans la gamme 0.1 à
5 mm couvrant le domaine des UV, du visible et un peu les IR ; l’essentiel
du rayonnement est compris en 0.3 et 1.5mm (Fig. 3a). Dans ce domaine de
longueurs d’onde, il n’y a pas d’autres raies d’absorption de gaz
atmosphériques autres que celles de
l’eau, tant dans la basse atmosphère (troposphère) qu’en altitude
(fig. 5). Il s’ensuit donc une absorption minimale du flux solaire, et ces
absorptions ne sont pas totales. Dans le domaine 1.5-5mm Le CO2 et le
méthane sont présents, mais dans un domaine de très faible intensité du flux
solaire. Par contre, dans la bande spectrale de l’émission du corps noir
terrestre, 5-50mm, le nombre des raies des gaz atmosphériques est
beaucoup plus important, et leur capacité d’absorption devient très importante,
en particulier dans les couches basses et denses de l’atmosphère
(Fig. 5)où seules trois bandes d’énergies ne sont pas totalement
absorbées, ouvrant autant de fenêtres vers le cosmos :
1 -
8-9 mm;
2 -
10-14 mm;
3 -
18-30 mm.
Plusieurs faits importants sont à noter:
1 -
Dans le domaine de l'émission terrestre(5-50 mm; Fig. 3b),
les fréquences absorbées par H2O
(en bleu pâle) le sont à 100%; une augmentation de la teneur en eau de
l'atmosphère serait donc sans répercutions sur l'effet de serre. En outre
l'atmosphère terrestre est globalement proche de la saturation en H2O.
Il n’y a pas grand chose à redouter d’une augmentation de la teneur en eau.
2 -
Le CO2 (en violet) peut par contre absorber encore une part importante
du rayonnement IR dans la fenêtre 12-16 mm, dans la troposphère en particulier.
Une augmentation de la teneur dans l'atmosphère se traduit donc automatiquement
par un accroissement de l'effet de serre. La concentration en CO2
étant naturellement très basse, l’activité humaine (CO2 d’origine
industrielle, de chauffage, transport) modifie significativement sa teneur et
provoque nécessairement un accroissement de l’effet de serre. Pour l’essentiel
de la communauté scientifique, les effets du CO2 anthropique ne sont
maintenant considérés comme indiscutables, même s’il existe encore ici ou là
quelques chercheurs arcboutés sur des faits scientifiques et leurs
observations, rebelles face à ce consensus, nous y reviendrons.
3 -
Le CH4 (en vert) peut lui aussi absorber une part importante du
rayonnement IR dans la fenêtre 8-10 mm. Le méthane est un produit qui provient
naturellement de la décomposition de matières organiques dans des conditions
réductrices (c'est le gaz des marais et des terrains humides 1.5 à
4 -
L’O3 troposphérique (en jaune) pose un problème comparable à celui de
l’eau, la bande 10-12mm étant d’ores et déjà presque totalement absorbée.
D'origine anthropique elle aussi, l’ozone troposphérique reste limitée aux
bassins industriels et aux mégalopoles. Il en résulte une augmentation locale
de la température, mais qui restera faible. Son inconvénient majeur n’est donc
pas un accroissement important de l’effet de serre il mais réside dans son
impact sur la santé humaine, en raison de l’irritation des voies respiratoires
qu’elle provoque.
C’est donc une fraction
importante de l’énergie émise par le corps noir terrestre qui est ainsi
absorbée par l’atmosphère et rétrocédée avec retard au cosmos. Il s’ensuit une
élévation de la température de –18°C à +13°C : c'est ce que l'on nomme «effet de serre», et les gaz responsables
sont appelés « gaz à effet de serre »
Reprenons en détail le schéma
de bilan énergétique terrestre de Ramanathan et al. (Fig. 6).
Sur les 345 Wm-2 reçus par la Terre dans les UV, le visible
et le proche IR, ce sont finalement 169 W.m-2 seulement qui sont
absorbés par la surface du sol :
1 -
68 W.m-2 sont absorbés par l’atmosphère ;
2 -
87 W.m-2 sont immédiatement réfléchis vers le
cosmos ;
3 -
21 W.m-2 sont
directement renvoyés au cosmos par le sol terrestre
La mesure du rayonnement
IR émis par la surface terrestre est de 390 W.m-2 (en rouge),
avec parmi eux :
1 -
20 W.m-2 perdus
directement dans le cosmos,
2 -
217 W.m-2 (237 reçus –20 car il y a équilibre du bilan)
réémis secondairement mais d’abord absorbés dans l'atmosphère par les gaz à effet
de serre .
Si l’on considère simplement les flux entrant (solaire) et sortant
(terrestre =390 W m-2) l'atmosphère
absorbe donc au total:
1 -
438 W m-2 (68 W.m-2
du flux solaire + 370 W.m-2
du flux terrestre).
2 -
90 W m-2 de
flux emportant la chaleur latente
3 -
16 W m-2 de
chaleur sensible de la surface à l’atmosphère.
En effet, Les changements
d’état de l’eau dans le champ de gravité jouent un rôle prépondérant dans le
transfert de chaleur entre la surface terrestre et l’atmosphère. L’interface
entre les 2 milieux constitue une couche limite qui ne peut donc être franchie
par convection. La géosphère réémet l’énergie reçue vers l’atmosphère par
rayonnement ou conduction. L’évaporation de l’eau contenue dans le sol permet
alors de transférer un excédent de chaleur de la surface terrestre (géosphère
ou hydrosphère) vers l’atmosphère, et inversement, la condensation ou la
congélation (plus la gravité ici aussi), sont le moteur du transfert de chaleur
de l’atmosphère vers la surface. Les flux de chaleur latente sont
particulièrement forts au-dessus des courants marins chauds comme le Gulf
Stream et au-dessus des forêts tropicales humides, couplant les cycles
d’énergie et d’eau. Les flux de chaleur sensible sont importants au-dessus de
terres arides.
C'est donc un total de 438
+90 +16 = 544 W m-2
qui est cédé à l'atmosphère ; or les mesures du flux sortant
vers le cosmos nous indiquent que 217 W m-2 seulement partent dans
le cosmos.
L'excédent est égal à, 544
-217 = 327 W m-2,
redistribués sous forme d'effet
de serre.
Les gaz et aérosols à effet
de serre jouent donc un rôle primordial dans le climat terrestre tant qu’ils ne saturent pas la fenêtre
d’énergie qu’ils occupent.
c – Réchauffement climatique ou
« global warming »
On comprend ainsi que, parmi
les gaz à effet de serre, les
climatologues recherchent les responsables du changement climatique observé de
nos jours, en suspectant particulièrement le CO2. Si les autres gaz
sont beaucoup moins abondants, leur rôle peut aussi être primordial en raison
de le fort pouvoir de réchauffement (tableau 2)
Le
fait que la corrélation entre la
température moyenne et la concentration
en CO2 soit globalement forte est considéré comme la
preuve que le CO2 anthropique est la cause principale de
l’augmentation de la température terrestre. Les paléoclimatologues ont montré
que des évolutions climatiques majeures se sont produites bien avant l'ère industrielle.
Les courbes d’évolution de J.R. Petit et al. 1999 (Fig. 7)
sont caractéristiques ; le climat terrestre apparaît cyclique à l’échelle
de la centaine de millier d’années (cf. § F4b, ce chapitre).
On observera tout d’abord dans la figure 7 que la corrélation
température CO2 est loin d’être parfaite. De plus la covariation de
deux paramètres n’implique pas un lien d’interdépendance ; ils peuvent en
effet dépendre chacun d’un troisième facteur. On notera ensuite, et cela est
essentiel, que ces covariations ne sont pas synchrones. Les variations de teneur en CO2 suivent les variations
de la température avec un décalage à peu près constant de quelques centaines
d’années (moins de 1000 ans ; Nicolas Caillon et al
2003). Ce phénomène n’est pas observable à l’échelle de la figure 7).Lors
de ces variations historiques, la teneur en CO2 de l’atmosphère est
donc le corollaire de l’augmentation de la température et non l’inverse, mais
cela ne signifie pas que cet inverse soit impossible. Un tel diachronisme existe aussi pour le méthane (CH4),
qui est attribué à la fonte du permafrost à la fin des périodes froides. Le sol
gelé des hautes latitudes de Sibérie et d’Alaska contiendrait une fraction
importante (30% ou plus ?) de tout le carbone stocké dans les sols de la
planète. La fonte du pergélisol (autre nom du permafrost) pourrait être suivie
d’émissions à grande échelle de méthane ou de dioxyde de carbone. Dans les
scénarios plus ou moins catastrophiques que l’on nous promet, de telles
émissions pourraient être supérieures à celles produites par les carburants
fossiles.
Les différences essentielles
qui accompagnent l’évolution de l’atmosphère actuelle par rapport à celle de
l’atmosphère ancienne résident donc d’abord dans le fait que l’augmentation de
la T° suit celle de la concentration en gaz à effet de serre et que celle-ci
apparaît extrêmement rapide. Elles résident ensuite dans l’amplitude des
variations ; d’après les mesures effectuées dans les glaces de
l’Antarctique et du Groenland, on dit souvent que les valeurs maximales
« naturelles » de CO2 n’avaient jamais dépassé 300-320 ppmv (Fig. 7),
valeur que nous avons atteinte en 1900 sur la courbe de la
figure 11 et que nous avons largement dépassées depuis. D’après de
nombreux auteurs, la concentration
actuelle en CO2 dans l’atmosphère est de 370-380 ppmv (Fig. 8a).
Dire que cette valeur n’a
jamais été dépassée est néanmoins inexact :
1 -
Concernant la période industrielle, nombre de voix discordantes se
font entendre ; prenons pour exemple
E.G. Beck, 2007 (cf. fig. 11),
qui considère que les courbes d’évolution du CO2 atmosphérique sont
insuffisamment renseignées et qu’il faut prendre en compte l’ensemble des
données historiques fiables, nous y reviendrons.
2 -
Concernant toute l’histoire de la Terre, depuis l’explosion de la vie (600 Ma., début du
Primaire) jusqu’à la deuxième partie du tertiaire, les paléoclimatologues ont
montré que l’atmosphère terrestre a connu les teneurs en CO2
beaucoup plus élevées que de nos jours (Fig. 8b) qui apparaissent
difficilement corrélables aux températures et aux niveaux des océans.
Prenons l’exemple des derniers 100 Ma. Le climat terrestre a
considérablement changé, passant d’une période chaude (jusqu’à la fin du
Paléocène et sans incidence notable de l’accident à 65Ma responsable de la
crise du vivant entre crétacé et Tertiaire) à une période marquée par les
l’existence de calottes polaires (Fig. 9). D’abord douce durant
l’Oligocène, la transition devient abrupte à 33.7 Ma. Elle est appelée
« Eocène-Oligocène Boundary (EOB) et s’accompagne globalement d’une
diminution très importante de la concentration atmosphérique en CO2, mais sans
corrélation évidente à l’échelle de temps de quelques Ma.
Dans les figures 7 et 9,
la température n’est pas mesurée directement mais monitorée par un proxi,
classiquement par le rapport 18O/16O (d18O).
Lorsqu’il s’agit de mesures dans les glaces (Fig. 7) le fonctionnement en
est le suivant. Nous avons vu (Chp.
Dans le cas de mesures faites
à partir de sédiments, le proxi d18O utilisé est celui de la mesure
sur des coquilles fossilisées. Les organismes tirant leur coquille du réservoir
océanique, on considère qu’il s’agit d’un processus de fractionnement
d’équilibre chimique (cf. Chp. 2.C.2.a). La valeur recherchée étant celle
de la température de surface de la mer à l’époque de la construction de ces
coquilles, on utilise surtout les espèces planctoniques pélagiques (vivant à la
surface loin des côtes) et on élimine les espèces benthiques (vivant sur le
fond) qui donneraient la température du fond de l’océan au moment considéré.
Revenant à la figure 7, qui analyse les fluctuations
pré-humaine du CO2 et de la température. On note qu’à une amplitude de
variation thermique de
Le climat terrestre change,
il convient d’essayer d’évaluer la part humaine dans ce
« dérèglement ». Nous comparerons donc les courbes de l’évolution
récente de la température de notre atmosphère avec celle de trois paramètres
essentiels (Fig. 11) :
1 -la concentration de
l’atmosphère en gaz à effet de serre, CH4, CO2, SO2
et N2O ;
2 -l’émission du CO2
liée la consommation des énergies fossiles, ou bien (très similaire) la
production des combustibles fossiles, depuis le début du XVIII°.
3 -l’activité de notre étoile,
dont nous savons qu’elle procure l’essentiel de l’énergie disponible dans notre
atmosphère ; si les conditions de distance au Soleil et de luminance de
celui-ci sont les facteurs clef qui ont permis l’apparition de la vie sur Terre
on peut supposer que des fluctuations, mêmes mineures, de ces paramètres
peuvent influer sur le climat.
Considérons tout d’abord le
gaz à effet de serre principal, le CO2. Avant 1850, la courbe de
concentration montre une augmentation lente et régulière, probablement liée à l’accroissement
régulier de la biomasse cultivée. A cette date, on observe une première rupture
de pente dans la courbe, qui montre clairement que la teneur en CO2
dans l’atmosphère augmente immédiatement avec le décollage de la production de
charbon. La seconde rupture de pente se produit un peu avant 1960, et
correspond à l’explosion de la consommation de pétrole et de gaz.
L’accroissement de la consommation de charbon reste quant-à lui à peu près
linéaire depuis le creux de la fin de la 2° guerre. La corrélation positive
entre la concentration en CO2 atmosphérique et dilapidation des
ressources fossiles apparaît donc clairement établie et non équivoque. Elle
revient à dire en corollaire que l’influence des phénomènes volcaniques sur la
concentration du CO2 atmosphérique est non observable, probablement
masquée par note activité.
L’évolution de la courbe du
méthane est significativement différente de celle du CO2. Comme le
montre la figure 11, la forme de cette courbe est très proche de celle de l’évolution
de la population mondiale pour la même période. L’accroissement de la teneur en
CH4 observable à partir du début du XX° siècle est donc
essentiellement lié à l’augmentation de la consommation de biomasse
méthanogène, le riz en particulier, sans omettre l’élevage bovin souvent mis en
cause. Plus en détail, le GIEC (2007) rapporte
que La concentration atmosphérique mondiale de CH4 est passée d’environ
715 ppb à l’époque préindustrielle à 1 732 ppb au début des années 1990, pour
atteindre 1 774 ppb en 2005 (équivalent à 35-40 ppm de CO2, cf. tableau2). Le
taux de croissance a fléchi depuis le début des années 1990, en cohérence avec
les émissions totales (somme des sources anthropiques et naturelles), qui sont
restées pratiquement constantes au cours de cette période.
La concentration atmosphérique globale de N2O est
passée de 270 ppb à l’époque préindustrielle à 319 ppb en 2005 (GIEC 2007),
équivalent à 100ppm de CO2 (pouvoir réchauffant = 310 fois celui du
CO2, tableau 2). Le protoxyde d’azote gazeux naturel provient des
océans, d’origine biologique il est produit par dénitrification dans les
milieux anaérobies et par nitrification dans les milieux aérobies. 1/3 des
émissions totales de N2O sont anthropogéniques, et proviennent d’une
part des sols agricoles et de l'alimentation de bétail et d’autre part de
l'industrie chimique. Son « fit » avec la courbe de croissance
démographique (non figuré dans la fig. 11) est de ce fait moins bon que
celui du méthane.
Les contributions anthropiques aux aérosols
(essentiellement des sulfates, du carbone organique, du carbone noir, des
nitrates et des poussières) produisent globalement un effet de refroidissement.
La courbe de la concentration en SO4 dans les glaces (Fig. 11)
est le reflet direct de sa concentration dans l’atmosphère. Sa forme est si
particulière qu’elle ne peut être corrélée à la production d’aucun des combustibles fossiles. On admet
généralement une origine industrielle au soufre atmosphérique, même s’il existe
des incertitudes considérables sur les quantités totales de SO2
émises (et de et NOx d’ailleurs). On suppose que les émissions
naturelles représentent 25 à 50% des émissions totales de SO2. La
diminution du taux de soufre dans l’atmosphère depuis les années 90 est le fruit
des efforts des pays dits développés pour réduire leurs émissions, en Europe en
particulier.
Comment se traduisent ces évolutions des gaz à effet de serre sur
la température ? On peut décomposer la courbe des températures de la
figure 11 en 4 périodes :
1 -Il est intéressant de
remarquer que la température n’augmente absolument pas avant 1910-20 (point 1
de la courbe) c’est à dire au moins 50 ans après le premier changement de pente
dans la courbe de concentration en CO2 atmosphérique, et alors que
la consommation de charbon a régulièrement augmenté pendant ce temps! 50 ans
sont une durée bien trop grande pour admettre que ce retard est simplement lié
au temps de transfert et d’homogénéisation du CO2 de l’atmosphère
(environ 10 ans). Il faut donc supposer que les conditions naturelles durant
cette période sont telles qu’elles annulent le forçage anthropique (autre nom
de l’effet de serre) durant cette période.
2 -Inversement, l’augmentation
régulière de la température entre 1920 et 1945 (point 2 de la courbe) ne
correspond pas à une augmentation brutale de la consommation des ressources
fossiles, dont l’inflexion se situe un peu avant 1960 ; ce fait est
confirmé par la courbe des teneurs en CO2 atmosphérique. Face à
cette augmentation régulière des index (ressource et concentration en CO2),
on peut supposer que le forçage anthropique n’a que peu varié par rapport à
l’époque précédente, et admettre que les conditions naturelles se sont
modifiées de telle sorte qu’elles cessent de masquer le forçage anthropique.
Entre les points 2 et 3 de la
courbe de température, la période 1945-1975 apparaît similaire à celle de
l’époque relativement froide ante-1910. Pourtant, le point d’inflexion des
courbes de CO2 et/ou de consommation des ressources fossiles est franchi vers
1955-1960 avec une rupture de pente très marquée pour le CO2! Le
forçage anthropique est donc à nouveau complètement masqué par des conditions
naturelles à nouveau froides, voir encore plus froides que durant la période
historique antéindustrielle indemne de forçage anthropique.
3 -Depuis 1975, la courbe des
températures est repartie à la hausse régulière, avec une pente moyenne un peu
plus forte que celle de la période 1910-1945 ; l’interprétation de la
courbe donne 0.014°Ca-1 et 0.018°Ca-1 respectivement[2]. Seules les dernières
années, depuis 2006, paraissent à nouveau échapper à la hausse. Si l’on
considère l’enveloppe de la consommation des ressources naturelles, sa pente ne
diffère pas de celle de la période précédente (2-3), et reste considérablement plus
forte que celle de la première période de réchauffement. L’augmentation de CO2
est aussi beaucoup plus forte durant ce second épisode de réchauffement que
durant le premier. Devons nous donc supposer que les conditions climatiques
naturelles sont redevenues moins froides (sauf dernières années ?) et ne
permettent à nouveau plus de masquer le forçage anthropique ?
Pourquoi la période de
démarrage industrielle 1850-1910, bien marquée par un accroissement de la
teneur en CO2 atmosphérique ne subit-elle pas un début de
réchauffement ? Les conditions climatiques naturelles étaient-elles déjà orientées vers un
refroidissement masquant les premiers effets d’un réchauffement ?
Durant les 2 épisodes de
réchauffement observés, les conditions climatiques naturelles ont-elles
seulement cessé de masquer le forçage anthropique ou ont-elles contribué au
réchauffement ? La question est complexe, que la communauté scientifique
tente de renseigner en établissant des modèles comme celui qui figure dans le
rapport 2001 de l’IPCC.
Ce modèle climatique IPCC
(Fig. 12) est utilisé pour simuler les changements de température dus à la
fois à des causes naturelles et à des causes anthropiques. Les simulations sont
représentées par la bande grise :
a)
les modélisations sont effectuées avec les forçages naturels
seulement, tenant compte de la variation du rayonnement solaire et de
l'activité volcanique.
b)
les simulations sont effectuées avec les forçages anthropiques,
tenant compte des gaz à effet de serre et des aérosols sulfatés (estimation).
Si le début du siècle semble assez bien modélisé, il est à remarquer que les
valeurs des températures obtenues deux modèles a) naturel pur et b) anthropique
seul, se situent en dessous de la courbe des températures observées (en rouge)
pour la seconde moitié du 20°siècle.
c)
On parvient néanmoins en combinant les deux modèles (en en faisant
varier les proportions) à caler l’ensemble sur la courbe des mesures. La
prédiction serait-elle à notre portée ?
L’approche de ces processus très complexes nous a montré combien
l’interaction des nombreux paramètres rend la prévision souvent délicate,
peut-être même n’est-elle pas encore accessible à nos outils de mesure et
d’analyse des valeurs. Comme le souligne C. Allègre (2007) la
courbe des températures retenue n’est pas incontestable, tant les moyennes à
l’échelle de la planète sont difficiles à établir, en raison l’importance
de la variabilité horizontale et verticale de la température dans la
troposphère. Ainsi celle qui figure dans le rapport 2001 (Fig. 13a)
diffère-t-elle considérablement de celle du rapport IPCC de 1990
(Fig. 13b). En effet, celle de 2007 ne montre plus le pic médiéval. Cet
optimum des XI° au XIII° siècle paraît pourtant être d’échelle comparable au
réchauffement actuel. Ainsi connaît-on, durant cette période chaude, l’épopée
Viking au « Pays Vert », la floraison de roses en Janvier et la vigne
cultivée dans le nord de l’Angleterre. Cette période est suivie trois siècles
plus tard d’un petit âge glaciaire lui aussi parfaitement documenté dans les
archives européennes : replis des Viking devant l’invasion des glaces,
difficultés agricoles de toute l’Europe. Fallait-il l’oublier dans le dernier
rapport du GIEC ? En outre, l’approche systémique de ces phénomènes
complexe n’est pas une démarche encore complètement aboutie et l’étude des
variations climatiques est d’abord l’affaire des climatologues. Les mesures des
teneurs en CO2 opérées au XIX° par des chimistes n’ont pas été
utilisées. Les méthodes employées à l’époque sont encore considérées comme
précises (± 6 ppmv en 1857) et elles nous offrent une image avec un pas de
temps (fig. 14, courbe bleue) que les glaces ou les sédiments ne peuvent
atteindre (petites + dans la figure). La distance entre les deux courbes (bleue
et rouge) peut en effet laisser à penser que la dépendance de la température
vis-à-vis de la teneur en CO2 est loin d’être acquise. Néanmoins il
convient d’accueillir ces informations avec prudence, entre autre parce que les
valeurs mesurées à l’époque le sont en zone économiquement développée
seulement, donc potentiellement polluées.
L’une des empreinte des gaz à effet de serre sur la température de
l’atmosphère, prévue par les modèles, considérée comme caractéristique et donc
recherchée, est la présence d’un point chaud aux basses latitudes, à environ
10km d’altitude (tropospheric hotspot, Fig. 15). Aucun point chaud n’a été
observé et depuis 2007 la discussion fait rage : Les modèles de
circulation globale sont-ils pris en défaut ? Les phénomènes
d’amplification de l’effet de serre sont-ils contrôlés par d’autres variables
que celles prises en compte, telles que la variation de la teneur en vapeur
d’eau avec l’altitude par exemple ? Les relevés de température de la
troposphère sont-ils déficient ? Est-ce toute notre appréciation du
principe même de l’effet de serre qui est à revoir ?
En nous proposant « Sa vérité sur la planète » Claude
Allègre (2007) rappelle que le consensus, maître mot de la démarche
actuelle n’a aucun sens dans le domaine de la science, qui doit rester celui de
la raison ; il a en effet servi dans le passé à discréditer les plus
novateurs de leurs contemporains (e.g. A. Wegener ou Giordano Bruno). Bien sûr,
il est tentant pour le scientifique de vouloir éclairer le politique du
résultat de ses recherches. La démarche est elle légitime ?
De même, l’ouvrage « Un appel à la raison » de
Nigel Lawson (2008), ancien secrétaire d'État à l'Énergie en
Grande-Bretagne, vise à démontrer que la pensée dominante ne repose pas
toujours sur des bases solides, que le remède proposé, la réduction des
émissions de gaz à effet de serre, est une solution inapplicable, et que
l’adaptation au changement serait probablement plus féconde. En effet, est-il
raisonnable de penser que les états riches d’énergies fossiles, le charbon en
particulier, vont se priver de cette ressource ? La réponse sera
certainement « oui » dès lors que d’autres énergies, renouvelables
par exemple, seront économiquement acceptables, mais pas avant ! Fermons
cette parenthèse, et revenons à nos incertitudes.
Le recul des glaciers continentaux en de nombreux points du globe
(Fig. 16a) est un indice essentiel de l’augmentation de la température. La
figure 16a montre que l’accélération du recul, lorsqu’elle est observable, se
produit vers les années 1930, en même temps que la rupture de pente dans la
courbe d’élévation du niveau marin. Globalement, le recul des glaciers
continentaux apparaît bien antérieur à cette accélération. La figure montre que
nous disposons même d’observations plus anciennes que 1850 pour 6 glaciers. A
cette période ante-industrielle, le Vatnajokull (Islande) avançait et 2
glaciers alpins, L’Argentière et le Grindenwald, étaient stables. Par contre,
les Glacier du Rhône et le Franz-Joseph (Nouvelle Zélande) étaient déjà
clairement en recul. Est-ce à dire que le recul des glaciers peut être un
phénomène plus ancien que le début de l’accumulation de CO2 industriel?
La courbe d’élévation du niveau marin produite par le GIEC 2007
(Fig. 11) ne débute hélas pas avant 1870. Elle montre d’une part que la
pente de cette courbe change vers 1920-30 et d’autre part qu’une élévation
régulière est mesurable pour la période 1870-1920. On admet que 50% de
l’élévation du niveau des mers au cours du XX° siècle (période de recul maximum
des glaciers) est due à la dilatation thermique de l’océan et 50% est du à la
fonte des glaciers ; donc, durant les décades précédentes plus froides,
1870-1920, non marquées par une augmentation de
C. Vincent.et al. (2005)
ont montré, pour les glaciers alpins, qu’il n’y a pas de corrélation entre le
recul des glaciers et la température (fig. 16b). mais que la cause du
recul réside en fait dans une modification de la pluviosité et des chutes de
neige Pour ces glaciologues du Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de
l’Environnement de Grenoble le paradoxe du recul généralisé des glaciers alpins
à la fin du Petit Age de Glace il y a 150 ans résulterait en fait d’une
diminution de plus de 25% de la précipitation neigeuse hivernale, alors que les
températures estivales restaient stables. Par contre l’accélération du recul
des glaciers durant la seconde partie du XX° siècle pourrait, elle, sans doute
résulter directement de l’augmentation de la température observée ? D’une
manière globale, le problème de la fonte des glaces n’est pas encore bien
compris :
1 -
Dans l’hémisphère Nord, le recul de la banquise et la fonte de
l’inlandsis groenlandais sont incontestables,
rapides, et en accélération ;
2 -
Dans l’hémisphère Sud, le bilan global effectué pour l’antarctique
ces dernières années par les équipes du GIEC (Davis et al.
2005 ; Zwally et al. 2006) a permis de montrer que les bilans
locaux peuvent être positifs ou négatifs (Fig. 17). Les variations sont
faibles et leur amplitude est du même ordre que l’erreur liée à la mesure. Il
faut donc les surveiller de très près en fonction de l’évolution à venir du
climat. Elles signifient en effet que, pour l’heure, la contribution de
l’antarctique à l’élévation du niveau marin est négligeable, mais pourrait ne
pas le rester si la température terrestre devait augmenter.
Au regard de l’ensemble des
données rapportées dans ce poly, il est tentant de conclure qu’elles sont
souvent largement contradictoires, contrairement à l’utilisation médiatique qui
en est faite. Faut-il alors admettre que les causes de l’augmentation de
température de notre atmosphère sont multiples ? Qu’elles ne résident pas
dans le seul accroissement anthropique de la concentration en gaz et en
aérosols à effet de serre? N’oublions pas qu’avant l’homme, se sont les
variations de la température qui ont déclenché une covariation des gaz à effet
de serre et non l’inverse. Faut-il aller, à contre-courant, à la recherche de
causes externes (non anthropiques) pouvant expliquer aussi bien les variations
de température de notre atmosphère ? Cette piste n’est pas nouvelle,
tentons de la remonter un peu et revenons alors à la source même de l’énergie
dissipée dans notre atmosphère.
Les radiations solaires, UV,
visible et IR sont en fait le premier facteur qui régit le climat. Cette source
d’énergie n’est pas exactement constante, et il a été observé depuis le début
du XX° siècle des corrélations étroites entre l’activité magnétique du soleil
et la fréquence des taches solaires. Celles-ci sont d’ailleurs observées depuis
plusieurs siècles et les variations de leur nombre ont été mises en relation
avec un cycle d’activité de 11 ans
environ. En fait, cette période n’est pas exactement constante, et plus le
soleil est actif (plus le nombre des taches augmente) plus la période de ce
cycle se raccourcit, jusqu’à moins de 10 ans. Parmi plusieurs tentatives menées
dans les années 85-95 pour évaluer l’incidence de l’activité solaire sur le
climat terrestre, celle d’E. Friis - Christensen et K. Lassen en 1990 est la plus « probante ».
Les auteurs ont comparé pour la période 1860-1980 (Fig. 18) la
courbe de température moyenne de l’atmosphère (courbe rouge) avec la moyenne de
l’activité solaire (à gauche), définie par l’intervalle entre deux maxima de
taches solaires (courbe noire). La coïncidence est remarquable, bien meilleure
que celle entre la courbe de température et de la teneur en CO2
(même figure à droite, et « presque aussi bonne » que le modèle
complexe anthropique + naturel de l’IPCC, qui rappelons le, prend en compte
l’activité solaire (Fig. 12c). A en croire les auteurs, l’activité solaire
seule aurait suffi à expliquer l’essentiel de la variance de la température de
l’atmosphère pour la période 1890-1990. Les variations de la luminosité du
Soleil sont faibles et ne montre pas un accord aussi parfait (pas de figure).
Aussi en l’absence d’une
théorie explicative convaincante de l’influence solaire, les modèles les plus
récents continue-t-il à minimiser l’influence solaire en face de celle des gaz
à effet de serre et le rapport du GIEC 2007 considère que « les variations de l’éclairement énergétique solaire ont
provoqué, depuis 1750, un léger forçage radiatif de + 0,12 [+ 0,06 à + 0,30]
W/m2, soit moins de la moitié de la valeur estimée figurant dans le
troisième Rapport d’évaluation ».
Mais plusieurs
astrophysiciens considèrent que le problème est mal posé, et que seule la
partie haute énergie du spectre UV du Soleil, responsable de la fabrication de
l’Ozone mais aussi en même temps du chauffage de la haute atmosphère qui
conditionne toute la structure thermique de l’atmosphère doit être pris en
compte ; or les variations de la concentration d’ozone avec les cycles
solaires pourraient expliquer 20% de la variation de la température. Les données
les plus récentes obtenues sur la tranche de 8 premiers Km à partir des
satellites et non les valeurs au sol, suggèrent qu’un découplage entre valeurs
du CO2 atmosphérique et température est en train de se produire, confirmant le
rôle essentiel de l’activité solaire. D'après R. Fairbridge, et selon I. R. G. Wilson, B. D. Carter et
I. A. Waite 2008, ce sont les déplacements du Soleil autour du
Barycentre de notre système qui sont à l'origine des variations de l'intensité et des durées
des cycles éruptifs du soleil. Bien évidemment la position des deux géantes
gazeuses, Jupiter et Saturne jouent un rôle prépondérant. L’étude historique
des cycles solaire a montré que l’activité solaire est minimale et la durée du
cycle est maximale lors de leur alignement, correspondant à un déplacement
maximum du Soleil. L’affaiblissement du cycle 23 et le démarrage très retardé
du cycle 24 (Fig. 19) sont conformes au le modèle "SIM" (Solar Inertial
Motion, mouvement inertiel du soleil) de R.
Fairbridge. Celui-ci prédit une atténuation nette et progressive des cycles solaires de 2010
à 2040. Faut-il en conclure, par opposition au modèle GIEC un refroidissement
généralisé de la planète ?
Pour Enrik Svensmark (2007)
et son équipe du Centre national danois de l’espace (DNSC, Copenhague) la
relation entre l’activité solaire et le réchauffement climatique réside dans
l’interaction entre la formation des nuages de basse altitude, qui accroissent
l’effet de serre (contrairement aux cirrus dont les paillettes de glace
augmentent l’albédo de la planète) et le rayonnement cosmique d’origine
galactique. Plus celui-ci pénètre notre atmosphère et plus l’ionisation qu’il y
produit est favorable à la nucléation des gouttes d’eau. Les nuages se forment
en effet par condensation de la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère. Pour
que cette condensation se fasse, un peu comme la buée se forme sur une surface
froide, il faut, outre le refroidissement de la parcelle d’air environnante, la
présence de petites particules (aérosols). La variation de l’activité solaire,
que traduit le nombre des taches, accroît ou diminue l’intensité de son champ
magnétique. Celui-ci constitue donc un bouclier d’efficacité variable,
détournant plus ou moins le rayonnement cosmique de
Le déstockage des
combustibles fossiles est considérable. Il rend à l’atmosphère une partie du
carbone lentement minéralisé, mais ne nous trompons pas, l’essentiel du CO2
atmosphérique initial n’est pas stocké en charbon ou en pétrole, mais bien en
calcaire (CaCO3, voir § F3), et il nous faudrait bétonner, et
bétonner encore pour épuiser cette ressource carbonée et retourner à
l’atmosphère primitive de la Terre ! Faut-il pour autant balayer d’un
revers notre capacité à nous nuire à nous-mêmes ?
2 - La
stratosphère et la protection contre les UV solaires
Elle s’étend jusque vers
a -
Cycle de Chapman
Dès 1930, S. Chapman suppose que
l’augmentation de la température dans la stratosphère est liée à la production
de l’ozone par photodissociation de l’oxygène sous l’effet des UV solaires
(Fig. 13). La concentration en ozone est
maximum entre 20 et
Son rôle n’en est pas moins fondamental dans la protection de la
vie non aquatique puisque comme nous allons le voir, sa production absorbe une
part essentielle des UV à haute énergie du spectre solaire.
La production de l’ozone dans
l’atmosphère est assurée par la photodissociation
du dioxygène O2 sous
l’effet des UV courts. Ce mécanisme est double :
1) faible dissociation dans la
mésosphère en dessous de
2) forte dissociation dans la
stratosphère au-dessous de
Après cette réaction de
dissociation
(
1 ), O2
+ hn → O +O
deux cas sont possibles:
1 -
soit une recombinaison en
présence d’une tierce molécule M (N2, O2 ou particule
solide),
(
1' ) O +O (+M) →
O2 +M,
{réaction
qui a lieu surtout à haute altitude (≥70Km)
2 -
soit la formation d’ozone
(
2 ) O +O2
(+M) → O3 +M.
La
molécule M sert à absorber l’énergie de vibration de la molécule formée, liée à
l’association O+O ou O+O2. Le maximum de photodissociation de
l’oxygène à lieu vers
b -
Quatre types de réactions rendent l'ozone formé instable:
En premier lieu
il peut être simplement recombiné
à l’oxygène atomique
( 3' ) O3
+O →
O2 + O2
En
second lieu
il peut être dissocié par des UV plus longs (l<310nm)
que
ceux qui provoquent la
dissociation de l'O2 :
O3
+ hn → O2 +O(1D) ( 3 )
L’oxygène monoatomique O(1D)
produit dans cette réaction est très excité et joue un rôle ultérieur sur la
stabilité de l’ozone, à travers celle des constituants minoritaires de la
stratosphère, H2O, NO2 en particulier. Il est en effet beaucoup plus réactif
que l'oxygène normal au repos O(3P).
En troisième lieu,
certains des constituants
minoritaires de l'atmosphère interviennent naturellement à travers un cycle
catalytique de destruction de l’ozone, que l'on peut schématiser comme
suit:
X +O3 → XO +O2
XO
+O → X +O2
L'hydrogène
monoatomique
et le radical hydroxyle, H et OH, qui interviennent dans ce cycle comme suit,
H
+O3 → OH +O2
(
4 )
OH +O →
H +O2
H et OH ne sont pas produits
dans la stratosphère, par photodissociation de l'eau comme dans la mésosphère,
mais par des réactions avec l'oxygène excité O(1D):
l'hydrogène
diatomique,
(4a) O(1D)
+ H2 →
OH + H
l'eau,
(4b) O(1D)
+ H2O →
OH + OH
le méthane
(4c) O(1D) + CH4
→ OH + CH3
Les réactions (4a) et (4b) ne peuvent pas être significativement
renforcées par l'activité humaine. En effet, la teneur en eau de la
stratosphère est d'une part extrêmement basse, et d'autre part en équilibre
avec celle de la troposphère. Or celle-ci ne peut évoluer de manière importante
car l'air terrestre est quasiment saturé en eau. Seule la destruction du méthane
(4c) peut donc évoluer réellement négativement dans le futur.
Le monoxyde d'azote, NO, qui intervient aussi de la
même manière dans le cycle suivant
NO
+O3 → NO2
+O2
( 5 ) NO2
+O → NO +O2
trouve son origine encore dans
une réaction de l'oxygène excité O(1D) avec de l’hémioxyde d’azote N2O;
deux réactions sont possibles:
réaction
productrice de NO
(5a) O(1D) + N2O → NO + NO
réaction non productrice de NO
O(1D) + N2O →
N2 + O2
Cette dernière réaction
n'alimente pas le cycle, et au contraire en diminue l'efficacité. Compte tenu
de l'abondance des produits azotés dans l'atmosphère, le cycle (5) pourrait s'avérer extrêmement
destructeur s'il n'existait des réactions parasites qui attaquent le NO2
formé dans ce cycle:
(5b) a) NO2 + hn(l<240nm)
→ NO + O
et O + O2 → O3
cette photodissociation très
rapide du dioxyde mène donc finalement à la régénération de l'ozone. C'est le
même phénomène qui provoque la production d'ozone troposphérique irritant pour
nos bronches dans les régions polluées, par les gaz d'échappement en
particulier.
(5c)
b) NO2 + H + (M) → M + HNO3
l'acide nitrique produit de
cette manière est un composé abondant de la stratosphère. Mais il est soluble
dans l'eau et gagne la troposphère avec elle en franchissant la tropopause. Sa
solubilisation régule ainsi sa concentration (constante) dans la stratosphère.
La production de l'hémioxyde N2O
est donc une clé essentielle de la destruction de l'ozone; N2O
présente une double origine:
a)
il peut être produit en altitude par
la combustion de l'azote diatomique avec l'oxygène, N2+2O2 à très haute
Température, naturellement sous l'effet de la foudre, et artificiellement dans
les réacteurs des avions volant à très haute altitude;
b)
l’azote de l’air est transformé dans
le sol en nitrates, dont une partie donne lieu (action de bactéries
dénitrifiantes) à des produits gazeux, N2 et N2O, qui
s’échappent dans l’atmosphère. Comme la durée de vie de ce dernier composé est
suffisamment longue dans la troposphère, il atteint la stratosphère où, avant
d’être photodissocié en N2 et O, il réagit en présence d'oxygène excité O(1D)
suivant le processus (5a) pour
produire du monoxyde
d’azote.
En quatrième lieu,
certains
composés naturellement rares, les composés halogènés[3]
ont été introduits massivement dans l'atmosphère par l'homme, sous forme de halocarbones, les CFC.
Ils interviennent tous de la
même manière que le chlore, pris en exemple:
Cl
+O3 Þ ClO
+O2
( 6 ) ClO
+O Þ Cl +O2
Mais
ClO est instable et réagit avec le monoxyde d'azote, ce qui réduit d'autant les
processus de destruction de l'ozone
ClO + NO Þ Cl + NO2
Certes, Cl est rendu au cycle
catalytique, mais 1 NO est consommé en échange, et NO2 rentre dans les
réactions positives (5b) et (5c).
Parmi les réactions qui
limitent l'efficacité des cycles de destruction de l'ozone par les composés
halogénés, on citera l'intervention du méthane sur le chlore:
Cl + CH4 Þ CH3 + HCl
Bien que l'acide chlorhydrique
formé ici soit instable et réagisse avec les hydroxyles (1 OH consommé
restituant 1 Cl) dans la réaction
HCl + OH Þ H2O + Cl
De la même façon que l'acide
nitrique dans le cycle azoté, HCl constitue un puits troposphérique pour les
produits chlorés de la stratosphère, en se solubilisant dans l'eau après avoir
traversé la tropopause. La consommation de CH4 est doublement intéressante car,
outre le fait qu'il s'agit d'un gaz à effet de serre redoutable, le méthane
intervient aussi dans la production d'hydroxyles dans le cycle (4c).
Les halocarbones sont des composés remarquablement stables dans la basse
atmosphère, ce qui leur a conféré un intérêt industriel tout particulier. En
contrepartie, ils ne sont pas détruits dans la troposphère par des réactions
chimiques, et finissent par gagner la stratosphère, où ils sont photodissociés
et où ils libèrent les atomes de chlore qui attaquent l’ozone (6)
Un seul produit halocarboné est naturel, le chlorure de méthyle,
CH3Cl; d’origine naturelle marine,
il est aussi certainement un constituant de la fumée qui apparaît lors de la
combustion des végétaux, qu'il s'agisse du brûlage des terres, de l'essartage
des forêts ou de la culture sur brûlis, mais aussi de la combustion de produits
chlorés (polyvinyles). Tous les autres composés halogénés présents dans
l'atmosphère terrestre sont des produits
industriels, citons le tétrachlorure de carbone, CCl4, et parmi les fréons, le
trichlorofluorométhane CFCl3 (Fréon
11) et le dichlorodifluorométhane, CF2Cl2
(Fréon 12), gaz propulseurs et/ou réfrigérants. La production annuelle de
CFCl3 est passée de 1 000 T. en 1947 à
35 000 T. en 1957, puis 150 000 T en 1967 et 310 000 en 1989 …
imposant, dès lors que des solutions techniques de remplacement étaient
trouvées, une réflexion mondiale sur leur utilisation.
c –
Impact des SAO
Il est difficile d’établir le
bilan global sur l’effet de serre des effets cumulés de la destruction d’O3
(qui compte au nombre des gaz à effet de serre) par les halocarbures et autres substances
anti ozone (SAO) et du forçage radiatif induit par ces mêmes substances, dont
les raies d’absorption sont observables dans les fenêtres 8-9 et 10-14 mm que
nous avons définies plus avant (fig. 5) et ci-dessous dans la figure 14a. A la
complexité chimique du cycle de l’Ozone s’ajoute une complexité de stockage.
L’O3 est produite essentiellement sous les basses latitudes et elle
rejoint ensuite les hautes latitudes où elle reste piégée dans le vortex
solaire (voir § C2). Sa concentration y est maximale au printemps et passe, en
automne, par un minimum, inférieur de quelques % relatifs.
Les mesures de concentration
effectuées montrèrent, dans les années 85-90, que le minimum automnal
atteignait 30 à 40% relatif au pôle Sud, le pôle Nord étant épargné par le
phénomène (Fig. 14b, valeurs corrigées des variations saisonnières). La bonne
connaissance du cycle de Chapman fit rapidement suspecter les CFC, bien que
produits et utilisés principalement dans l’hémisphère Nord. La grande
réactivité de l’industrie des aérosols — rapidement prête à mettre avec
avantage sur le marché un gaz propulseur sans Chlore dans nos bombes et des
fluides caloriporteurs dans la plupart des installations réfrigérantes ou
climatisations — a fait disparaître très vite la pollution par le Fréon !
Et le trou de l’Ozone a
commencé à se refermer, rapidement tout d’abord, puis ensuite à un rythme que
la communauté scientifique considère comme anormalement lent, alors qu’aucune
source de CFC ne vient plus détruire l’Ozone depuis l’accord de Montréal en
1997. Aurait-on imputé aux SAO une agressivité excessive, ou bien le poids
volumique des CFC les entraînait-il moins que prévu vers la stratosphère,
rendant leur éradication moins performante ? Faudra-t-il (et
pourra-t-on ?) appliquer la même politique contraignante avec les NO2
dont nous avons souligné la nocivité ? Aurait-on omis quelque molécule
dans le panel des SAO ?
Il convient, on le voit, de
rester prudent à cet égard. La taille du trou autour du pôle dans la couche
d’ozone reste une préoccupation de santé publique sous les hautes latitudes
Sud, Chili, Argentine, Nouvelle Zélande en particulier, même si l’on espérer un
retour à la normale d’ici moins d’un siècle.
La connaissance de la mésosphère remonte aux années 50. On y a
appliqué une méthode d’étude comparable à celle que Lindeman et Dobson utilisèrent pour la stratosphère, en
mettant au point le suivi radar de billes lâchées à haute altitude par fusées.
L’analyse de leur trajectoire permet de remonter à la densité de l’air et à sa température
aux altitudes considérées. La
température décroît rapidement avec l’altitude. Vers
Au-dessous de
La mésosphère est aussi le
lieu de la photodissociation de H2O et de CH4, toujours
par des UV courts (<200 nm):
H2O + hn Þ OH +H ou O +H2;
CH4 + hn Þ CH2 + H2
Cette région de l’atmosphère est en outre le siège des nuages noctiluques. La nature de ces nuages,
observables seulement après le coucher du soleil, n’est pas encore bien connue.
Il ne s’agit probablement pas de nuages de glace, car la quantité de vapeur
d’eau disponible à cette altitude est très faible. Ils seraient plus
probablement constitués de débris météoritiques ou de poussières cométaires,
et/ou de poussières volcaniques (Fig. 15). En effet, on a pu observer à maintes
reprises lors des éruptions à caractère explosif, éruptions pliniennes ou
ignimbritiques[4], que les éléments fins de la colonne de produits volcaniques[5] peuvent atteindre plusieurs dizaines de Km d’altitude. En
incorporant de l’air froid qui se dilate, les mouvements convectifs internes au
panache entretiennent l’ascension des matériaux
volcaniques. Ils atteignent ainsi
aisément la stratosphère. A partir de là, une petite fraction de poussière
pourrait rejoindre la mésosphère pour y former les nuages noctiluques.
Avec la dispersion du nuage dans la stratosphère les
éruptions peuvent provoquer une
diminution de l’insolation qui peut être à l’échelle planétaire mais qui ne
dépasse pas quelques mois (Tambora 1815, Krakatoa 1883, El Chichon 1982,
Pinatubo juin 1991). La dispersion du nuage volcanique est aussi responsable de
l’introduction d’aérosols (composés soufrés en particulier) dans la
stratosphère. Leur rôle climatique est encore largement discuté.
Au-delà de la mésopause
débute la thermosphère (Fig. 2). Elle s’étend jusqu’aux confins de l’exosphère,
vers
La température des molécules et atomes y
croît très fortement, par absorption des UV très courts. Elle peut atteindre
La photodissociation des gaz atmosphériques
donne à ce brouet très clair une composition complexe, mélange d’oxydes d’azote, de molécules
diatomiques, N2, O2, H2, et d’atomes, principalement d’oxygène et
quelques hydrogènes. Elle est le siège des aurores
polaires..
Au voisinage de l’exosphère,
il semblerait exister un début de stratification par densité des gaz
atmosphériques qui ne sont plus brassés par aucun vent.
haut
retour
( Composition ) précédente page suivante ( Stratification
électromagnétique )
plan
[1] Dans le détail, le problème est plus complexe car l’albédo
de l’atmosphère aa et celui de la
géosphère ag sont
différents : l’atmosphère laisse passer le visible ou le réfléchit vers le
cosmos, et absorbe la moitié des infra rouges (IR) qu’elle renvoie ensuite vers
le cosmos ; le sol réfléchit ou absorbe le visible, et il absorbe tous les
IR qui lui sont transmis par l’atmosphère. Si on appelle Irabs le
coefficient d’absorption des IR par l’atmosphère, la fraction de flux IR
absorbée par
[2] Notez que la courbe utilisée donne une moyenne de
[3] à base de fluor (F), chlore (Cl), iode (I) et de brome
(Br).
[4] La distinction entre les 2 types d’éruptions ne réside pas
dans la nature du matériau, essentiellement rhyolitique (composition d’un
granite), mais dans le mode de dissipation de l’énergie :
1 -
dans une éruption
plinienne, en colonne, la plus grande partie de l’énergie est dissipée dans une
explosion initiale canalisée par un conduit étroit (Ø < 200m). Les vitesses
d’émission peuvent atteindre 300m sec-1
2 -
dans le cas d’une
éruption ignimbritique, la nuée ardente présente à l'émission une densité
supérieure à celle de l'air ambiant. Mais elle incorpore en dévalant les pentes
du volcan une quantité importante d’air ambiant (froid) qui se dilate,
conduisant le mélange vers une densité inférieure à la densité de l’air
ambiant. Le panache volcanique peut alors s'élever, mais contrairement à celui
d'une éruption plinienne, celui d’une ignimbrite prend naissance au front de la
coulée et non au droit de la bouche d’émission.
[5] éléments fins = poussières, cendres et ponces, aérosols.