À propos de cette expérience
Sans son atmosphère, la Terre serait une boule gelée à environ −18 °C. La lumière du Soleil traverse facilement l’air et réchauffe le sol, mais le sol chaud émet un rayonnement infrarouge, dont une grande partie est absorbée par des gaz comme la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone, qui en renvoient une partie vers le sol. Cet effet de serre maintient la température moyenne de surface autour de 15 °C. Suivez les flux d’énergie, ajoutez du dioxyde de carbone, modifiez la quantité de lumière solaire réfléchie et observez la surface se réchauffer vers un nouvel équilibre.
Objectifs pédagogiques
- Décrivez les flux de rayonnement solaire et infrarouge entre le Soleil, l’atmosphère et la surface.
- Expliquez comment les gaz à effet de serre réchauffent la surface sans créer d’énergie.
- Expliquez l’équilibre radiatif et pourquoi une planète se réchauffe jusqu’à ce que le rayonnement sortant égale le rayonnement solaire absorbé
- Expliquez le rôle de l’albédo et de la rétroaction de la vapeur d’eau
- Interprétez le réchauffement attendu en cas de doublement du dioxyde de carbone
Comment l’utiliser
- 1Désactivez l’atmosphère. Quelle est la température de surface ? Réactivez-la. De combien l’atmosphère réchauffe-t-elle la Terre ?
- 2Observez les flèches à l’équilibre. Vérifiez que l’énergie qui arrive à la surface est égale à celle qui en repart.
- 3Choisissez « Doublé » (560 ppm). De combien la surface se réchauffe-t-elle, et combien de temps cela prend-il ?
- 4Désactivez la rétroaction de la vapeur d’eau et recommencez. Quelle part du réchauffement est due à cette rétroaction ?
- 5Augmentez l’albédo à 0,4, comme si une plus grande partie de la Terre était couverte de glace ou de nuages. Que se passe-t-il ?
- 6Réglez le dioxyde de carbone sur son niveau actuel. Comparez le réchauffement aux 1,2 °C observés depuis environ 1850.
Le modèle
Hypothèses
- Une seule couche atmosphérique absorbe une fraction ε du rayonnement infrarouge émis par la surface et réémet cette même fraction à sa propre température, vers le haut et vers le bas. Elle laisse passer directement la lumière du Soleil.
- Avec la concentration préindustrielle de CO₂, la couche absorbe 77,9 % du rayonnement infrarouge, ce qui donne 15 °C. Le CO₂ modifie cette fraction de manière à produire le forçage standard.
- La rétroaction de la vapeur d’eau augmente l’absorption des infrarouges de 1 % par kelvin de réchauffement, ce qui donne environ 3 °C pour un doublement du CO₂, une valeur proche de l’estimation centrale de la science du climat. Les nuages et la glace ne sont représentés que par le curseur d’albédo.
- La capacité thermique correspond à celle d’environ 100 m d’océan. L’océan profond, qui retarde le réchauffement pendant des siècles, n’est pas pris en compte.
À essayer en classe
- Q1Utilisez la loi de Stefan-Boltzmann pour montrer que la Terre, sans atmosphère, aurait une température d’environ 255 K.
- Q2Pourquoi un gaz à effet de serre réchauffe-t-il la surface tout en refroidissant la haute atmosphère ?
- Q3Expliquez pourquoi la rétroaction de la vapeur d’eau amplifie le réchauffement causé par le dioxyde de carbone.
- Q4Pourquoi la température continue-t-elle d’augmenter pendant plusieurs années après que la concentration de dioxyde de carbone cesse d’augmenter ?
- Q5La fonte de la banquise réduit l’albédo. S’agit-il d’une rétroaction positive ou négative ? Expliquez.
Foire aux questions
L’effet de serre viole-t-il la conservation de l’énergie ?
Non. La surface reçoit la lumière du soleil ainsi que le rayonnement renvoyé par l’atmosphère. Elle doit donc être plus chaude pour réémettre toute cette énergie. Au sommet de l’atmosphère, la Terre émet toujours exactement autant d’énergie qu’elle en absorbe.
Pourquoi l’effet du dioxyde de carbone est-il logarithmique ?
Le centre de la principale bande d’absorption du CO₂ est déjà presque opaque ; ajouter davantage de gaz élargit donc surtout la bande sur ses bords. Chaque doublement ajoute à peu près le même forçage, soit environ 3,7 W/m².
Dans quelle mesure un modèle à une seule couche est-il réaliste ?
Il estime assez correctement l’ampleur de l’effet de serre naturel et le réchauffement dû au doublement du CO₂, ce qui en fait un bon modèle pédagogique. Les modèles climatiques réels prennent en compte de nombreuses couches, les nuages, les océans et les glaces, et donnent une fourchette probable de 2,5 à 4 °C pour un doublement du CO₂.