JeanLouis Dufresne

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Jean-Louis Dufresne IPSL/LMD dufresne_at_lmd.jussieu.
fr
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L'équilibre radiatif de la TerreModèle
énérgétique 0D
Absortption du rayonnement solaire (1-A) pi.R2.F0
Emission de rayonnement infrarouge 4.pi R2 sig
Te4
Flux solaire à l'extérieur de l'atmosphère
Coef. d'absorption
Surface de la Terre
Emission du corps noir
Section de la Terre
Equilibre énérgétique flux infrarouge émis
flux solaire absorbé 4 pi R2 sig Te4 (1-A)
pi R2 F0 sig Te4 ¼ (1-A) F0 Avec Te
Température d'équilibre radiatif A
albédo planétaire F0 Flux solaire à
l'extérieur de l'atmosphère sig constante
de Stefan
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L'équilibre radiatif de la Terre (2)Modèle
énérgétique 0D
Albédo (c.-à-d. Pourcentage de rayonnement
solaire réfléchi) de différents type de surface
Neige fraîche 75 à 95 Surface de la mer 2
à 7 Sol sombre 5 à 15 Cultures 15 à 25 La
valeur moyenne actuelle de l'albédo de la Terre
est 30, notamment du fait de la présence de
nuages.
Température d'équilibre radiatif de la Terre pour
diverses valeurs de l'albédo. La valeur moyenne
actuelle du globe est 0,3, ce qui correspond à
une température de 255 K (soit -18C). La
température de surface plus élevée (environ 15C)
est due à l'effet de serre.
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L'équilibre radiatif de la Terre (3)Modèle
énérgétique 0D
Equilibre énérgétique sig.Te4 ¼ (1-A)
F0 Avec Te Température d'équilibre radiatif A
albédo planétaire F0 Flux solaire à
l'extérieur de l'atmosphère sig constante de
Stefan 4.sig.Te3 dT ¼ (1-A) dF0 - ¼ F0 dA
D F0 1 W/m2 gt D T 0.05 K D A 1 gt D T
1K Dans les variations climatiques passées, le
flux solaire F0 n'est pas le seul à avoir varié,
l'albédo A a également varié Rétroaction si A
indépendant de T, D F0gt D Tins si Af(T),
D F0 gt D T gain de rétroaction g D T
1/(1-g) D Tins
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Modèle Atmosphérique 1D Colonne verticale
On considère l'extension verticale de
l'atmosphère. Etude de la structure thermique
verticale des atmosphères planétaires Exemple
étude des échanges radiatifs infrarouges ou
étude de l'effet de serre
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Principe de l'effet de serre (1)

• La plaque, ou l'ensemble "vitre-plaque" perdent
  autant d'énergie qu'ils en reçoivent.
• Vu depuis "l'espace", l'énergie émise est la
  même
• Sans effet de serre, la plaque émet 100
• Avec effet de serre, la plaque émet 200
• Pour émettre 200, la température de la plaque
  est plus élevée que pour émettre 100
• Effet de serre modification du transport
  d'énergie (par rayonnement) entre l'endroit où
  l'énergie est gagnée (rayonnement solaire
  absorbé) et l'endroit où elle est perdue (par
  rayonnement infrarouge)

Effet de serre G Fsurface - Fsortant
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Principe de l'effet de serre (2)
Sans effet de serre
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Principe de l'effet de serre (3)Dans une
atmosphère.
Rayonnement émis vers l'espace
Absorption - emission par les gaz
Rayonnement émis par la surface
Température
Température d'émission
Température de surface
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Spectres d'émission et d'absorption
Pic de gauche spectre solaire (idéalisé) au
sommet de l'atmosphère. - ultraviolet (de 0,01 à
0,40 µm) 9 - visible (de 0,40 à 0,73 µm)
43 - infrarouge (de 0,73 à 100 µm) 48 . Pic
de droite rayonnement émis par un corps à 255 K
(température d'équilibre radiatif de la Terre).
Il se trouve entièrement dans l'infrarouge
lointain. Spectre d'absorption des divers gaz
présents dans l'atmosphère. L'absorption du
rayonnement solaire est totale pour l'ultraviolet
lointain, et nulle ou très faible pour le visible
et le proche infrarouge. Par contre, la plus
grande partie du rayonnement émis par le sol est
absorbé par la vapeur d'eau, sauf dans une
étroite fenêtre, entre 7 et 15 µm.
Source G. Lambert, 1995
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Transmission de quelques gaz à effet de serres
Source G. Lambert, 1995
100 20 10 7 micro
m longueur d'onde
Transmission à travers les principaux gaz à effet
de serre du rayonnement infrarouge émis par le
sol. Les valeurs indiquées correspondent à une
concentration "standard" des gaz de l'atmosphère
terrestre .
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Principe de l'effet de serreDans une atmosphère.
Rayonnement émis vers l'espace
Altitude
Absorption H2O
Température
Fenêtre atmosphérique
Absorption 2xCO2
Absorption CO2
Température d'émission
Température de surface
Rayonnement émis par la surface
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Contribution des différentes gaz à effet de serres

• Effet de serre (W.m-2)
• vapeur d'eau 100
• gaz carbonique 50
• méthane 1,7
• ozone 1,3
• oxyde nitreux 1,3

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Expériences sur l'effet de serre

• Réalisation de serre de type "capteur solaire",
  avec une couverture plus ou moins transparente au
  rayonnement infrarouge.
• Verre, ou plexiglass opaque à l'infrarouge
• Polyéthylène (ou certains plastics horticoles)
  transparent à l'infrarouge

• Mise en évidence de l'existence de rayonnement
  non visible émis par tout corps (par ex. la main)
• Détecteur de présence (alarme)
• Utilisation de différents écrans
• sans
• transparent au visible, opaque à l'infrarouge
  (plexiglass, polycarbonate...)
• transparent au visible et transparent à
  l'infrarouge (polyéthylène...)
• opaque au visible, transparent à l'infrarouge
  (polyéthylène teinté (sac poubelle)...)

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Modèle Atmosphérique 1DBilan énergétique de la
Terre
Rayonnement infrarouge émis par la surface et par
l'atmosphère vers l'espace (240 W/m²)
Rayonnement solaire incident (342 W/m²)
Rayonnement solaire réfléchi (102 W/m²)
Rayonnement infra rouge émis par l'atmosphère
vers l'espace (200 W/m²)
Rayonnement solaire absorbé par l'atmosphère (70
W/m²)
Rayonnement Infra rouge émis par la surface vers
l'espace (40 W/m²)
Evaporation Condensation de l'eau (80 W/m²)
Rayonnement solaire absorbé par la surface (170
W/m²)
Rayonnement Infrarouge (26 W/m²)
Mouvements Atmosphérique (24 W/m²)
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Modèle Atmosphérique 2D et 3DMécanique des
fluides

• Mécanique des fluides
• Equilibre hydrostatique
• Sphère tournante
• Epaisseur de l'atmosphère et de l'océan très
  petite devant le rayon de la planète
• Equation de Navier-Stockes
• Thermodynamique
• atmosphère
• Évaporation-condensation de l'eau
• Gaz parfait
• océan densité fonction de la température et de
  la pression
• Rayonnement
• Variation sous-mailles des variables d'état
• atmosphère nuages, convection...

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Modélisation numérique 3D du climat
Source L. Fairhead, LMD/IPSL
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Modèle climatique de l'IPSL
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Modélisation du climat
Source S. Joussaume, 2000
Source GIEC, 2001
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Modélisation du climat

• Réalisation de simulations numériques avec
  différentes conditions aux limites (différents
  forçages) ou différentes conditions initiales
• Analyses statistiques des résultats de
  simulations
• Exemple simulation de l'évolution du climat de
  1850 à 2100 sous l'effet d'un accroissement des
  gaz à effet de serre

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Évolution des gaz à effet de serre depuis 1000 ans
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Source GIEC, 2001
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Anomalie de température de la surface de la Terre
observée et calculée en prenant en compte
uniquement les perturbations naturelles
(éruptions volcaniques, activité solaire...)
Anomalie de température de la surface de la Terre
observée et calculée en prenant en compte les
mêmes perturbations naturelles et l'accroissement
observé de la quantité de gaz à effet de serre et
des aérosols anthropiques
Source GIEC 2001
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• Les aérosols
• Réflechissent le rayonnement solaire
• Modifient la taille des goutes des nuages
• Modifient la formation des précipitations ?

Source Kaufman et al. 2002
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Source GIEC 2001
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Source GIEC 2001
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Variation de la température moyenne de surface
de la Terre
Source GIEC 2001
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Source GIEC 2001
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Et dans 100 ans ?
Changements climatiques, entre 1860 et 2100,
calculés avec le modèle de l'IPSL.
Changement de température (en C) moyenne
3,5C
Source IPSL 2001
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Que signifie un accroissement de température
de quelques degrés Celsius en une centaine
d'année ?
2100
1950
2000
2050
1860
1900
Source IPSL 2001
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Modélisation du climat

• Modèles 3D
• de type encyclopédique
• tentative d'exaustivité
• simulations numériques analyses statitiques
  des résultats
• Modèles 0D et 1D
• modèles simplifiés dédiés à des études
  particulières
• Variations passées du climat
• Atmosphères planétaires
• Etudes de cas effet de serre, campagne
  d'observation...
• modèles de compréhesion pour interpreter les
  résultats des modèles 3D
• Modélisation séparée ou couplée des différentes
  composantes
• - atmsophères, océan, biosphère, crisphère...
• - cycle du carbone, chimie atmosphérique...

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Les prévisions de changement climatique quelle
crédibilité ?

• La concentration des gaz à effet de serre croît
  rapidement du fait des activités humaines
• Cette augmentation serait 2 fois plus rapide si
  les plantes et l'océan n'absorbaient pas la
  moitié de nos rejets de CO2
• Cette augmentation perturbe le bilan énergétique
  de la Terre
• La température de la Terre augmente rapidement
  depuis un siècle
• Paléoclimat (10 000 à 50 0000 ans)
• Le climat a varié dans le passé
• Variation dûe à l'ensoleillement
• Le système climatique amplifie les perturbations
  de l'ensoleillement
• Des changements de température de 5C
  correspondent à des changements climatiques
  majeurs (glaciations)

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Les prévisions de changement climatique quelle
crédibilité ?

• La vapeur d'eau et les nuages influencent
  fortement le bilan énergétique de la Terre
• Amplifieront-ils ou réduiront-ils les
  perturbations dues à l'accroissement des gaz à
  effet de serre?
• Les modèles prévoient en moyenne une
  amplification d'un facteur 2 (1 à 3)
• La moitié du CO2 émis est absorbée par l'océan ou
  l'atmosphère
• Cela continuera-t-il?
• Il y aura changement climatique. Lequel ? Quels
  effets ?
• Amplitude
• Cycle hydrologique
• Ecosystème
• Évènements climatique extrêmes
• Changement brutal de la circulation océanique ?
• Changement du niveau des mers

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Bibliographie

• Le climat est-il devenu fou?, Robert Sadourny,
  ed. Le Pommier, Paris, 2002. Un excellent petit
  livre, simple et clair, qui résume les
  connaissances scientifiques actuelles sur les
  conséquences climatiques d'une augmentation des
  gaz à effet de serre.
• L'effet de serre Allons-nous changer le climat?
  de Hervé Le Treut et Jean-Marc Jancovici, octobre
  2001, Flammarion (Dominos)
• L'air de notre temps. Le climat, les hommes et
  les molécules, de Gérard Lambert, 1995, Seuil. Un
  excellent livre, qui se consacre principalement
  sur la composition de l'atmosphère, son
  évolution
• Climat d'hier à demain, Sylvie Joussaume, CNRS
  éditions/CEA, Paris,2000. Un livre accessible et
  attrayant, présentant à la fois les
  caractéristiques principales du climat et leurs
  évolutions au cours du temps (périodes
  glaciaires...)
• L'incertitude des climats, Robert Kandel, 1998,
  Paris Hachette
• Le climat de la terre, Robert Sadourny,
  Dominos/Flammarion, 1994. Un livre au format "
  poches " qui contient beaucoup d'informations et
  permet une bonne compréhension du climat
  terrestre. Ne comporte pas d'équation mais
  requiert une lecture attentive.
• Océans et Atmosphère, Chapel A., Fieux M.,
  Jacques G., Jacques J.M., Laval K., Letreut H.,
  Synapses-Hachette Education, 1996. Un livre très
  complet, notamment destiné aux enseignants du
  secondaire.
• La Physique de l'atmosphère, J-L Dufresne, in
  Graines de Sciences 4 , pp.59-94, Edition Le
  Pommier, 2002.
• La Physique du climat, J-L Dufresne, in Graines
  de Sciences 2 , pp.77-100, Edition Le Pommier,
  Paris, 2000.