 effet de serre |
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Les nuages et l'effet de serre
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Grâce à ses capacités d'
absorption
et de réémission de l'
infrarouge
dans de larges créneaux de
longueurs d'onde
(principalement de 5,5 à 7 µm et de 20 à 100 µm) qui participent fortement au
rayonnement électromagnétique
émis par la surface terrestre, l'eau atmosphérique est de loin le premier agent de l'effet de serre. C'est par là que s'explique la propriété bien connue que possèdent les
nuages
de réduire les variations diurnes de
température
: par
ciel clair
, en effet, le
bilan radiatif
en surface croît rapidement après le lever du
soleil
, reste nettement positif pendant le jour, puis décroît rapidement vers le soir et devient modérément négatif tout au long de la nuit sous l'effet du
rayonnement
terrestre ; mais par
ciel nuageux
, l'effet de serre s'amplifie, la croissance matinale du bilan radiatif et sa décroissance vespérale se font plus lentes, et ce bilan lui-même est moins positif le jour, moins négatif la nuit, d'autant que la base des nuages émet à son tour dans l'infrarouge vers la surface terrestre. Ainsi les nuages ont-ils la faculté de modérer les différences de température entre le jour et la nuit, tandis qu'à l'inverse, on assiste à des chutes spectaculaires de température après le coucher du soleil dans les régions désertiques, où l'
atmosphère
est très pauvre en
vapeur d'eau
. |
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L'influence de la
nébulosité
sur la température de la
basse atmosphère
est toutefois complexe : d'un côté, les nuages contribuent à l'effet de serre et donc au réchauffement de la surface terrestre, mais de l'autre ils favorisent son refroidissement par l'
effet albédo
qu'ils entretiennent en réfléchissant vers l'espace une part importante du
rayonnement solaire
. Il existe à cet égard toute une gamme de comportements suivant les
genres de nuages
: ainsi, les
stratus
tendent à refroidir la surface terrestre, car ils réfléchissent beaucoup le rayonnement solaire et émettent vers le haut de grandes quantités d'
infrarouge thermique
, tandis que les
cirrus
, qui réagissent de façon exactement opposée, inclinent au réchauffement de cette surface. Cet exemple témoigne de la probabilité d'actions en retour contradictoires de la part des nuages en cas de réchauffement de la
troposphère
: une température plus élevée entraînerait davantage d'
humidité
atmosphérique, donc davantage de nébulosité, d'où peut-être une baisse de température ; on voit ainsi qu'il n'est pas si simple qu'il y paraît de conclure à une élévation uniforme de la température en cas d'amplification de l'effet de serre. |
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Effet de serre et profil vertical de température
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Ainsi qu'il est précisé dans l'article de
La météo de A à Z
relatif à la
pression atmosphérique
(cf. résumé sur la relation entre profils verticaux de
pression
et de température), ce ne sont pas les facteurs mécaniques qui déterminent en premier les
profils thermiques verticaux
des différentes couches de l'atmosphère : ces facteurs agissent secondairement par rapport aux facteurs radiatifs, qui établissent le dessin général des variations verticales de la température à partir des sources et des puits de
chaleur
que recèle chaque couche. De ce point de vue, la troposphère se distingue radicalement de la
moyenne atmosphère
et de la
haute atmosphère
par une faible influence des
réactions photochimiques
et par la présence d'une forte teneur en vapeur d'eau : ces deux éléments réunis expliquent que la répartition verticale du bilan des
émissions
et
absorptions
liées à l'effet de serre soit, bien plus que les autres sources et puits de chaleur troposphériques, la raison essentielle du
profil vertical de température
dans la basse atmosphère. Effectivement, plus l'on s'y élève et moins la masse d'eau émettant du
rayonnement infrarouge
vers le bas est importante, d'où une perte croissante en
énergie de rayonnement
que ne compensent ni l'énergie rayonnée par une surface terrestre de plus en plus distante, ni le rayonnement solaire incident auquel l'atmosphère reste largement transparente ; le bilan radiatif, devenant ainsi de plus en plus négatif avec l'altitude, entraîne une décroissance verticale de la température, que renforce une action en retour de l'humidité (l'effet de serre, maximal près de la surface terrestre, s'atténue quand croît l'altitude, et la décroissance consécutive de la température entraîne une diminution de la quantité maximale de vapeur d'eau admissible dans l'
air
, laquelle atténue à son tour l'effet de serre). |
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Des modèles numériques s'appuyant uniquement sur de tels facteurs radiatifs ont été utilisés pour reconstituer par la théorie le profil moyen de la répartition verticale de température de la troposphère réelle. Ces modèles ont révélé plusieurs défauts, principalement : une discontinuité entre les
températures
des basses couches de l'atmosphère et la température de la surface terrestre, cette dernière étant bien trop élevée (de l'ordre de 60
°C
) ; un
gradient
trop rapide en ce qui concerne la variation verticale de la température, variation qui eût produit en fait une
instabilité
forte et permanente de la troposphère ; enfin, une
tropopause
trop basse, décalée de 3 km de hauteur en moyenne par rapport à la moyenne réelle. |
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L'explication de ces défauts réside dans une absence de prise en compte du rôle joué par la
convection
atmosphérique. Celle-ci transmet l'échauffement de la surface terrestre grâce aux
flux
de
chaleur sensible
et de
chaleur latente
qu'elle intègre à la dynamique atmosphérique ; elle brasse les
masses d'air
instables et modifie ainsi leur profil vertical de température de façon à ce qu'il n'excède plus celui de l'équilibre
adiabatique
ou (en cas de
saturation
)
pseudoadiabatique
; elle génère enfin des
courants ascendants
d'une puissance suffisante pour soulever la tropopause à un niveau supérieur à celui où la maintiendrait le seul
équilibre radiatif
(cet effet est particulièrement marqué dans les régions tropicales, là où la convection est la plus puissante) : la tropopause apparaît ainsi comme la limite des
couches atmosphériques
où, premièrement, l'effet de serre joue fortement, et deuxièmement, la convection tempère fortement son influence. En résumé, l'on constate que le
profil thermique vertical
de la troposphère a pour support essentiel l'action conjuguée de l'effet de serre et de la convection, qui apparaît ici comme un facteur de rééquilibrage vertical de l'atmosphère. |
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EN SAVOIR PLUS
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équilibre radiatif