Bonjour à tous et bienvenue dans cette vidéo où on va parler du climat de notre planète. Je vais essayer de vous expliquer la physique permettant de comprendre la température moyenne sur Terre, ce qui nous amènera à parler, entre autres, de l'effet de serre. Vous allez voir que si c'est un phénomène bien compris des scientifiques, il réserve des subtilités qui sont rarement expliquées.
D'ailleurs, je n'avais pas encore pris le temps de le faire sur cette chaîne. Comprendre la température moyenne de notre belle planète, il faut d'abord s'intéresser au soleil puisque c'est lui qui la réchauffe. Le soleil est constamment chauffé par des réactions de fusion nucléaire.
Du fait de sa température, la surface du soleil émet un rayonnement électromagnétique, un type de rayonnement qui peut se propager dans le vide. Ce mode de transfert d'énergie est central pour cette vidéo, alors détaillons un petit peu. De façon générale, tout objet qui a une température supérieure au zéro absolu émet un rayonnement électromagnétique qui transporte de l'énergie.
C'est vrai pour le soleil, mais c'est également vrai pour la surface terrestre et même pour vous. D'ailleurs, on peut observer avec une caméra thermique le rayonnement que vous émettez. Mais vous avez sans doute conscience que le rayonnement que vous émettez est beaucoup moins puissant que celui du soleil. C'est parce que plus un objet est chaud, plus le rayonnement émis est intense. Ce point est fondamental pour tout le reste de la vidéo.
Si on prend une surface d'1 mètre carré, la puissance émise peut être approximée par cette relation, la loi de Stefan Boltzmann. Vous avez ici une constante et la température comme dans beaucoup de relations physiques s'exprime en Kelvin. Il faut surtout noter que la température est à la puissance 4. Pour vous montrer l'importance de ce point, appliquons la formule. La température moyenne sur Terre est de D'après cette formule, la puissance du rayonnement émis par 1 mètre carré à cette température est légèrement inférieur à 400 watts.
Le Soleil, lui, a une température de surface de 5500 degrés, ce qui donne une puissance d'environ 63 mégawatts par mètre carré. En Kelvin, le Soleil a une température 20 fois plus élevée que la température moyenne à la surface de la Terre, mais le rayonnement émis par 1 mètre carré de sa surface est 160 000 fois plus intense. Bref, une puissance 4 dans une formule physique, c'est violent. Le rayonnement solaire transporte donc une quantité phénoménale d'énergie qui se propage dans le vide à la vitesse de la lumière. Une autre notion fondamentale pour cette vidéo est la conservation de l'énergie.
L'énergie se conserve, elle ne peut pas être créée ou détruite. Quand par exemple un objet absorbe un rayonnement électromagnétique, l'énergie de ce rayonnement est convertie en chaleur. A l'inverse, quand un objet émet un rayonnement électromagnétique, il perd de la chaleur. S'il n'y avait pas de rayonnement électromagnétique, l'énergie de l'énergie est pas de réaction de fusion au sein du soleil, il se refroidirait en rayonnant.
L'énergie se conserve, donc l'énergie qui traverse cette sphère est la même que l'énergie qui traverse celle-ci ou celle-ci. Ce qui implique que la puissance reçue par une surface donnée sur cette sphère est plus grande que celle reçue par une surface de la même taille sur celle-ci, qui est plus grande que la puissance reçue par une surface de la même taille mais encore plus éloignée du soleil. L'énergie reçue par un objet décroît avec le carré de la distance entre cet objet et la source de rayonnement.
C'est quelque chose dont vous pouvez faire l'expérience, par exemple, en vous éloignant d'un feu de camp. Si on s'éloigne suffisamment du Soleil pour être sur l'orbite de la Terre, on peut calculer qu'un mètre carré face au Soleil en haut de l'atmosphère reçoit en moyenne annuelle 1361 watts. La conservation de l'énergie permet également de faire des bilans énergétiques.
Alors c'est quoi un bilan énergétique ? Eh bien, c'est un peu comme un bilan comptable mais on va compter l'énergie plutôt que les euros. C'est donc un inventaire chiffré de l'énergie dans un système. Ou pour ce qu'on va faire dans cette vidéo, c'est un inventaire chiffré des flux d'énergie dans un système.
Regardons ce qui se passe avec un exemple simple. Imaginons un disque d'un mètre carré face au soleil. Absorbant tout le rayonnement et suffisamment fin et conducteur pour que la température soit toujours la même sur les deux faces.
Ce disque reçoit du rayonnement solaire. Si on l'imagine initialement très froid, ce rayonnement solaire va le réchauffer. Comme tout objet, il émet un rayonnement qui dépend de sa température. Plus le disque va être chaud, plus le rayonnement émis est intense. Tant que l'énergie reçue est plus importante que l'énergie émise, la température augmente et donc l'énergie émise.
Mais à partir du moment où l'énergie émise est égale à l'énergie qu'il reçoit, il n'accumule plus d'énergie. et ne peut donc plus monter en température. Ce disque est alors à l'équilibre.
C'est le fait qu'un objet perde l'énergie par rayonnement qui explique pourquoi ce disque atteint un équilibre. Et ça reste vrai dans le cas d'une évolution. Si le soleil devenait un peu plus chaud, ce disque se réchaufferait jusqu'à ce que la puissance reçue soit de nouveau égale à la puissance émise.
le nouvel équilibre serait plus chaud. Si le soleil devenait plus froid, la puissance rayonnée serait momentanément plus grande que la puissance reçue. Donc le disque perdrait de l'énergie et descendrait en température jusqu'à l'atteinte d'un nouvel équilibre, plus bas en température.
Dans un cas simple comme celui de mon disque, on peut faire le calcul de cet équilibre. Puisqu'il est à l'équilibre, la puissance reçue est égale à la puissance émise. Si je le place sur l'orbite terrestre, il reçoit 1361 watts sur sa face éclairée.
Comme j'ai fait l'hypothèse que les deux faces de ce disque sont à la même température, il perd de l'énergie sur 2 mètres carrés suivant la relation qu'on a vue plus tôt. Il ne reste plus qu'à faire l'application numérique et on trouve que le disque est, dans cette situation, à 58 degrés. Maintenant, on va appliquer le même raisonnement à la Terre qui est un système beaucoup plus complexe.
La Terre reçoit du rayonnement solaire sur sa face exposée. En tout, c'est une puissance d'environ 170 millions de milliards de watts qui atteint la Terre. Vu qu'on n'a pas l'habitude de manipuler des grands nombres, on divise généralement ça par la surface totale de notre planète pour avoir une puissance par mètre carré. Ça revient à calculer la puissance moyenne reçue par la Terre, ce qui prend en compte la face exposée et la face non exposée.
Puisque le rayonnement solaire atteignant la Terre est capté par un disque de surface PR2 et qu'on le moyenne sur l'ensemble de la surface de la Terre de surface 4 pi r2, ça revient à diviser par 4 les 1361 watts par mètre carré que j'ai évoqué plus haut. En moyenne, 1 mètre carré de surface en haut de l'atmosphère reçoit donc 340 watts par mètre carré. Retenez qu'on va manipuler des moyennes dans cette représentation.
Ce flux est de 0 la nuit et même quand il fait jour, il varie entre l'équateur et les hautes latitudes et au fil de la journée. Pour cette représentation, je vais prendre les quantifications dans le dernier rapport du GIEC. Ce sont des moyennes sur plusieurs années.
et ces quantifications se basent sur de multiples sources observations satellites, compréhensions théoriques et simulations numériques. Par simplicité, je ne vais pas représenter l'incertitude. Ce rayonnement solaire va interagir de deux manières différentes avec notre planète.
Une partie va être réfléchie alors que l'autre va être absorbée. La part du rayonnement solaire réfléchie s'appelle l'albédo. Pour la Terre, l'albédo est autour de 29%.
Donc 29% du rayonnement solaire reçu par la Terre et réfléchit vers l'espace. Ce rayonnement est renvoyé vers l'espace sans avoir perdu d'énergie. Il ne vient pas réchauffer la Terre.
Un quart de cette réflexion est due à la surface et le reste est dû aux nuages ou à d'autres particules solides ou liquides en suspension dans l'atmosphère, ce qu'on appelle des aérosols. Cet effet des nuages vous en faites l'expérience quand vous faites bronzette et qu'un nuage vient momentanément s'interposer entre vous et le soleil. C'est un effet refroidissant. puisqu'il réduit la part du rayonnement solaire absorbée par la Terre.
Encore une fois, il s'agit d'une moyenne. Les surfaces enneigées et englacées ont un albédo beaucoup plus fort que l'océan ou les surfaces boisées, et la répartition des nuages n'est pas homogène sur Terre. Le reste du rayonnement solaire va être absorbé par le sol, mais aussi en partie par l'atmosphère.
Pour le comprendre, il faut dire quelques mots de la nature du rayonnement, et notamment du concept de longueur d'onde. La température de l'objet qui rayonne ne joue pas uniquement sur la puissance émise, mais également sur la longueur d'onde du rayonnement émis. Les interactions entre un rayonnement électromagnétique et la matière vont dépendre de la longueur d'onde, et ça on y est confronté quotidiennement.
Par exemple, le rayonnement solaire est en partie visible. Aux longueurs d'onde visibles, on constate que certaines choses sont transparentes, comme l'eau, une vitre ou l'air, alors que d'autres sont opaques. Par contre, si j'éteins la lumière, vous ne me voyez pas briller.
Pas plus que mes murs qui émettent pourtant un rayonnement. Nos yeux ne sont sensibles qu'à certaines longueurs d'onde. Si on représente le rayonnement solaire en fonction de la longueur d'onde, le domaine visible se situe ici, entre 380 et 700 nanomètres.
Votre œil perçoit les ondes électromagnétiques dans cet intervalle. Pour les longueurs d'onde plus courtes, on parle d'ultraviolet. Et pour les longueurs d'onde plus longues, on parle d'infrarouge.
Pour la suite, il faut savoir que plus un objet est chaud, plus le pic d'émission se situe sur de... courte longueur d'onde. C'est grâce à cette différence entre le rayonnement solaire et le rayonnement terrestre qu'on peut les observer séparément. Si je parle de longueur d'onde ici, c'est que la manière dont un rayonnement va interagir avec l'atmosphère dépend de la longueur d'onde. Regardons maintenant pour une journée sans nuages le rayonnement solaire qui atteint le sol.
Il y a des pertes et donc des absorptions et réflexions par l'atmosphère sans nuages. Ces pertes sont dues pour une large part à la vapeur d'eau et à l'ozone. Les capacités d'absorption d'un gaz varient fortement d'une molécule à l'autre. C'est lié à la capacité d'une molécule à vibrer à une fréquence donnée, ce qui dépend des atomes qui la composent et de ses symétries. L'absorption par un gaz va dépendre de sa nature mais également de sa concentration.
Plus il y a de molécules d'un gaz absorbant, plus l'absorption d'un rayonnement est importante. Les molécules diatomiques qui constituent l'essentiel de l'atmosphère, d'iazote et d'oxygène, absorbent très peu de rayonnement dans le domaine visible ou dans les domaines de l'infrarouge correspondant au rayonnement solaire ou terrestre. Cette bande d'absorption de l'oxygène est une des rares exceptions. Mais l'essentiel de l'absorption du rayonnement solaire par la... atmosphère est due à la vapeur d'eau et à l'ozone.
La couche d'ozone, qui se situe entre 15 et 35 km d'altitude, absorbe une part importante du rayonnement ultraviolet, ce qui réchauffe cette couche de l'atmosphère. J'avais déjà parlé du rôle de cette couche d'ozone dans une vidéo sur le trou dans la couche d'ozone, que vous pouvez aller voir si cette sous-question vous intéresse. En plus de l'effet des gaz, une partie du rayonnement solaire peut être absorbée par des aérosols.
La forme du spectre au niveau du sol est également influencée par des mécanismes de diffusion que je ne détaille pas ici parce que l'énergie diffusée finit ultimement par être absorbée ou réfléchie. Donc, pour notre bilan énergétique, comprendre la diffusion n'est pas nécessaire. Si on complète notre bilan énergétique avec les mécanismes mentionnés, on voit que 23% du rayonnement solaire est absorbé par l'atmosphère. A cause de ça et des réflexions, seuls 47% du rayonnement atteignant le haut de l'atmosphère terrestre est absorbé par le sol. Pour comprendre la température moyenne sur Terre, je fais le bilan énergétique à la surface de notre planète.
Avant d'aller plus loin, je vais anticiper certaines questions. Est-ce qu'il faudrait ajouter la chaleur dégagée par les activités humaines ? Après tout, il est indéniable que la combustion de ressources fossiles et les réactions de fission dans les centrales nucléaires dégagent de la chaleur. La production mondiale d'énergie est estimée à environ 600 exajoules par an. ce qui correspondrait à une puissance continue de 19 TWh.
Si on divise par la surface terrestre, on obtient 0,03 W par mètre carré. C'est minuscule devant l'énergie que le Soleil apporte à la surface terrestre qui est en moyenne de 160 W par mètre carré, et encore plus faible devant le flux de 340 W par mètre carré qui atteint le haut de l'atmosphère. Mais la géothermie, me direz-vous, c'est peut-être plus important ? Un petit peu, mais ça reste très faible devant le Soleil.
L'activité interne de la Terre génère un flux estimé à 47 TWh, ce qui donnerait en moyenne 0,09 W par mètre carré. Et si vous pensez à d'autres sources potentielles comme les frictions des marées, c'est encore plus faible. L'absence de telles sources dans le bilan énergétique n'est pas une erreur, mais une simplification vu que ces sources sont toutes petites devant le rayonnement solaire.
Après cette parenthèse, revenons à notre bilan énergétique et regardons comment la surface terrestre perd continuellement de l'énergie. D'abord par conduction. C'est un mode de transfert thermique qui apparaît lorsqu'il y a une différence de température. Il se fait sans déplacement de matière.
Si vous mettez une petite cuillère dans un café brûlant, vous la sentirez se réchauffer par conduction. Cette conduction dépend des matériaux. Par exemple, les métaux conduisent beaucoup mieux la chaleur que le bois et ça on en fait quotidiennement l'expérience. La surface terrestre perd également de l'énergie par convection, un mode de transfert thermique par déplacement de matière.
L'air se réchauffe au niveau du sol, ce qui réduit sa densité et provoque son élévation dans l'atmosphère et son remplacement par de l'air plus froid. Ce mouvement d'air augmente les pertes d'énergie par la surface terrestre par rapport à un cas où il n'y aurait que de la conduction. Comme l'atmosphère est plus froide que le sol, la conduction et la convection permettent au sol de céder de la chaleur à l'atmosphère.
Ces deux flux comptent pour un peu plus de 20 watts par mètre carré. Un autre flux important d'énergie entre la surface et l'atmosphère est la conséquence du cycle de l'eau. Lorsque la vapeur d'eau se condense pour former des nuages, de la chaleur est fournie à l'atmosphère. Cette énergie a été prise à la surface par l'évaporation de l'eau et la transpiration des plantes. Cette évapotranspiration représente un flux important d'énergie du sol à l'atmosphère, près de 80 watts par mètre carré, soit 4 fois plus que le flux précédent.
Il faut également ajouter le rayonnement. On l'a dit, tout objet qui n'est pas... pas au zéro absolu émet un rayonnement électromagnétique qui transporte de l'énergie.
Ce phénomène de rayonnement fait perdre à la surface de notre planète près de 400 watts par mètre carré, 5 fois plus que le flux dû à l'évaporation. Avant de voir ce qui manque au bilan énergétique de notre surface, regardons ce que devient le rayonnement émis par le sol. Ce rayonnement est en grande partie absorbé par l'atmosphère, soit par les nuages ou d'autres aérosols.
soit par les gaz à effet de serre et notamment la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone, le méthane et le protoxyde d'azote. Sur cette figure, vous voyez le pourcentage d'absorption à différentes longueurs d'onde en l'absence de nuages. Les gaz à effet de serre absorbent beaucoup plus efficacement le rayonnement issu de la surface que le rayonnement solaire. Sans nuages, environ 70% du rayonnement solaire atteint le sol alors que toujours sans nuages, seuls 20% du rayonnement émis par le sol atteint directement l'espace. Le rayonnement de la surface terrestre qui atteint directement l'espace est majoritairement émis pour des longueurs d'ondes entre 8 et 14 micromètres.
C'est ce qu'on appelle la fenêtre atmosphérique. Parce que l'atmosphère est transparente à ces longueurs d'onde. Un satellite observant la Terre à ces longueurs d'onde peut directement voir le sol en l'absence de nuages.
Si on ajoute l'absorption par les nuages, l'atmosphère terrestre absorbe 90% du rayonnement émis par la surface. On a également vu que l'atmosphère absorbe 23% du rayonnement solaire et qu'elle est réchauffée par la conduction, la convection et la précipitation de la vapeur d'eau. Et vous vous doutez que l'atmosphère ne peut pas se réchauffer à l'infini. Toute cette énergie doit bien aller quelque part.
Eh bien, l'atmosphère perd elle aussi de l'énergie par rayonnement. Il y a des constituants solides ou liquides dans l'atmosphère tels que les nuages qui vont émettre un rayonnement sur une large plage de longueur d'onde comme les rayonnements qu'on a vus pour la surface terrestre ou le soleil. Pour les gaz à effet de serre, c'est un peu plus compliqué puisque l'émission n'est pas uniforme mais ne se fait qu'aux bandes de longueur d'onde auxquelles ils absorbent. Ces rayonnements sont émis dans toutes les directions et point très important, l'intensité du rayonnement augmente avec la température de la même manière que le rayonnement dont on a parlé au début de la vidéo.
Plus une masse d'air est chaude, plus le rayonnement va être intense. Pour notre bilan énergétique, je peux ajouter les derniers éléments qui nous manquent. Le rayonnement moyen émis par l'atmosphère vers le sol et le rayonnement moyen émis par l'atmosphère vers l'espace.
On voit enfin comment se manifeste l'effet de serre dans notre bilan énergétique. L'effet de serre, c'est l'effet des nuages, des gaz à effet de serre et de certains aérosols sur le rayonnement infrarouge. Il comporte deux phénomènes physiques. L'absorption de certains rayonnements infrarouges et notamment du rayonnement émis par le sol et l'émission de rayonnement par les constituants de l'atmosphère.
L'effet de serre a été nommé ainsi par analogie avec les serres utilisées notamment en agriculture qui permettent d'accumuler de la chaleur. Malheureusement, comme le monde est complexe et cruel, l'effet d'une serre agricole sur la température vient majoritairement du fait qu'elle bloque la convection et vient très peu voire pas du tout d'interaction avec le rayonnement. Autrement dit, la physique derrière l'effet d'une serre agricole n'a pas grand chose à voir avec la physique de l'effet de serre atmosphérique.
Et cet effet de serre atmosphérique se retrouve donc pour des raisons historiques avec un nom un peu trompeur. Pour revenir à notre représentation du bilan énergétique, il y a un truc à bien comprendre. Ce bilan est juste en haut de l'atmosphère et au niveau du sol.
Ce sont les deux surfaces où on a quantifié les flux d'énergie. On voit que la surface terrestre gagne en moyenne 502 watts par mètre carré et en perd 501 watts par mètre carré. La somme nous donne presque zéro. Pareil au niveau du haut de l'atmosphère où on voit qu'en moyenne 340 watts par mètre carré s'ajoutent au système alors que 339 watts par mètre carré en sortent.
Pourtant, il n'y a pas de problème. mon bilan énergétique est complet. C'est juste qu'il existe actuellement un petit déséquilibre dans ce bilan.
Comme l'énergie se conserve, ça veut dire que la quantité d'énergie sur Terre augmente. Cette accumulation d'énergie dans le système se traduit par le réchauffement de la planète et ses conséquences dont j'ai déjà parlé dans d'autres vidéos. Il y aurait plein de choses à dire sur ce sujet, mais il faudrait une vidéo supplémentaire.
Une vidéo centrée sur ce déséquilibre, ses causes et son évolution dans le temps. N'hésitez pas à me dire si vous voulez des vidéos sur ces sujets ou si vous préférez que je parle d'autres choses. Le but de la vidéo que vous regardez n'est pas de traiter l'évolution du climat mais du bilan énergétique de la Terre de manière plus générale. La Terre aujourd'hui n'est pas à l'équilibre.
Et c'est un petit déséquilibre, en réalité d'un peu moins d'un watt par mètre carré, qui provoque le réchauffement de notre planète. Si le climat de la Terre était stable, les flux entrants et sortants devraient se compenser en moyenne. et la Terre ne devrait ni accumuler ni perdre d'énergie.
Allez, revenons au bilan énergétique parce que j'ai encore des choses à lui faire dire. Vous voyez que le rayonnement infrarouge émis de la Terre vers l'espace est de 239 W par mètre carré. Sur cette valeur, on peut appliquer la relation physique qu'on a utilisée au début de la vidéo pour le rayonnement et on trouve moins 18 degrés.
Autrement dit, notre planète perd autant d'énergie vers l'espace qu'une planète sans atmosphère qui aurait une température uniforme de moins 18°C. On vulgarise parfois cette valeur en disant que ce serait la température de la Terre sans effet de serre. Mais en l'absence d'effet de serre, la Terre se refroidirait rapidement et sa surface s'englasserait.
L'augmentation de l'albédo entraînerait une diminution du rayonnement solaire absorbé et donc un refroidissement qui amènerait la Terre bien en dessous de moins 18°C. Pour avoir un point de repère, la Terre a déjà été quasiment entièrement englacée et dans cette situation, la température globale est estimée à moins 50°C. Malgré tout, la quantification de moins 18°C reste utile pour introduire l'importance de l'effet de serre sur la température au sol.
D'ailleurs, essayons de mieux comprendre cet effet de serre. Si toute l'atmosphère terrestre était une couche homogène, elle émettrait un rayonnement de même intensité vers l'espace et vers le sol. Mais on voit sur notre représentation du bilan énergétique que l'intensité du rayonnement émis vers l'espace est plus faible que l'intensité de rayonnement émis vers le sol.
Cette différence implique que le rayonnement vu de l'espace n'est pas le même que celui vu du sol. Essayons de comprendre pourquoi. Précédemment, j'ai expliqué qu'à certaines longueurs d'onde, le rayonnement émis par la surface était entièrement absorbé.
Pour ces longueurs d'onde, ça peut également être le cas de couches intermédiaires de l'atmosphère. Le rayonnement émis dans toutes les directions par une masse d'air est alors entièrement absorbé par l'atmosphère autour. Un tel comportement dans le visible impliquerait que depuis ce point, vous ne verriez ni l'espace ni le sol.
Vous ne verriez que l'atmosphère, opaque autour de vous. Vous seriez comme perdu dans le brouillard. Quand on monte dans l'atmosphère, la pression diminue et avec elle la probabilité pour un rayonnement d'être absorbé par une molécule.
Il y a donc une altitude à partir de laquelle une partie du rayonnement va pouvoir s'échapper vers l'espace. L'altitude moyenne à laquelle le rayonnement qui atteint l'espace a été émis s'appelle l'altitude d'émission. Si vous observiez la Terre depuis l'espace à cette longueur d'onde, vous observeriez une couche de brouillard opaque et vous seriez incapable de voir le sol. Mais vous vous demandez peut-être pourquoi cette altitude d'émission a une importance ? Et bien parce que la température de l'atmosphère varie avec l'altitude.
Pour la zone qui nous intéresse principalement, elle décroît. Cette décroissance dépend de l'humidité des saisons et de la latitude, mais varie entre 10°C de perdu par km quand l'atmosphère est très sèche et 5°C perdu par km quand elle est humide. Or, rappelez-vous qu'on a dit que plus une masse d'air est chaude, plus le rayonnement qu'elle émet est intense.
A l'inverse, plus une masse d'air est froide, moins le rayonnement qu'elle émet est intense. C'est donc cette décroissance de la température avec l'altitude qui permet à l'atmosphère d'émettre moins de rayonnement vers l'espace que ne le fait la surface terrestre. Grâce à cette décroissance, la surface est plus chaude que si l'atmosphère était transparente au rayonnement infrarouge. Le profil de température de l'atmosphère joue donc un rôle fondamental dans l'efficacité de l'effet de serre à réchauffer la surface terrestre.
Pour montrer quelques trucs plus en détail, je vais utiliser un modèle simplifié d'atmosphère. Je vous le laisse en description avec les autres sources. alors n'hésitez pas à aller jouer avec.
Si je me place dans un cas particulier, région tempérée en hiver sans nuages, je peux simuler le rayonnement infrarouge émis vers le haut à différentes altitudes. Vous voyez que ce rayonnement décroît quand on monte dans l'atmosphère. Autrement dit, la capacité de l'atmosphère à absorber du rayonnement infrarouge et à en émettre proportionnellement à sa température réduit le rayonnement sortant.
Cette décroissance du rayonnement émis avec la température et donc l'altitude est importante pour comprendre convenablement l'effet de serre. C'est pour ça qu'il faut, à mon avis, éviter de représenter l'effet de serre comme ça. Il ne faut pas croire que le rayonnement infrarouge rebondit sur l'atmosphère ou que le rayonnement absorbé est spontanément rémis. Il est plus juste de considérer et représenter séparément les deux phénomènes physiques qui jouent un rôle dans l'effet de serre.
Premier phénomène, la surface terrestre émet un rayonnement qui est en grande partie absorbé et vient réchauffer l'atmosphère. Second phénomène, l'atmosphère émet elle aussi un rayonnement dépendant de sa température. On va profiter de toutes les choses compliquées que vous savez maintenant pour aller regarder et comprendre le rayonnement infrarouge émis vers l'espace à différentes longueurs d'onde.
Pour cet exemple, je me mets dans la même situation que précédemment. Région tempérée, en hiver et sans nuages. Voici le spectre du rayonnement infrarouge émis vers l'espace, tel qu'un satellite le mesurerait.
Et ici, c'est l'émission par le sol pour faciliter la lecture. Quand l'intensité émise vers l'espace est inférieure à celle émise par le sol, l'atmosphère a permis de réduire les pertes d'énergie de la surface terrestre. Vous voyez que dans cette zone-ci, il y a très peu de différence entre ce qui est émis par le sol et ce qui atteint l'espace. C'est la fenêtre atmosphérique dont on a parlé. À ces longueurs d'onde, l'atmosphère absorbe peu.
On peut quand même noter un creux qui est dû à l'absorption par la couche d'ozone. La bande très marquée autour de 15 micromètres est essentiellement due au CO2. D'ailleurs, on peut s'en convaincre en faisant tourner nos modèles sans CO2.
C'est tout l'intérêt des modèles, on peut faire des expériences numériques pour mieux comprendre certains aspects. Cette bande est très marquée parce que l'altitude d'émission est élevée, plus de 10 km. Le rayonnement qui s'échappe vers l'espace vient donc de couches particulièrement froides de l'atmosphère, autour de moins La vapeur d'eau absorbe les longueurs d'ondes au-dessus de 15 micromètres et limite les pertes vers l'espace. Mais vous voyez que la différence n'est pas aussi grande qu'avec le CO2 parce que la concentration en vapeur d'eau diminue rapidement avec l'altitude.
Par rapport au CO2, ce sont des couches plus basses et donc relativement chaudes qui émettent vers l'espace. C'est avec ce type de modèle qu'on peut évaluer la part des différents gaz à effet de serre et se rendre compte que la vapeur d'eau joue pour environ 60% de l'effet de serre causé par les gaz à effet de serre. La gauche de ce spectre d'émissions est plus complexe puisqu'on y trouve des bandes d'absorption de l'eau.
mais également du méthane et du protoxyde d'azote. Je ne vais pas détailler cette partie. Regardons maintenant le rayonnement qu'émet l'atmosphère vers le sol. Si on compare avec le rayonnement émis par le sol, on voit que la différence se fait essentiellement dans la fenêtre atmosphérique et à des longueurs d'onde où l'absorption par la vapeur d'eau est plus faible, ce qui rend visible des parties plus hautes et plus froides de l'atmosphère. On note également le rayonnement redescendant de la couche d'ozone.
Pour les zones où il y a de fortes absorptions par des gaz à effet de serre, l'émission de rayonnement par ces gaz permet à la surface de recevoir de l'énergie de l'atmosphère et donc d'être plus haute en température. Pour compléter notre compréhension de l'effet de serre, regardons le cas des nuages. Si on ajoute un nuage à la situation précédente, ça peut beaucoup changer ces deux spectres. Mais tous les nuages n'ont pas le même effet en fonction de leur hauteur, de leur épaisseur et de leur nature.
gouttelettes d'eau ou cristaux de glace. Je vais prendre un des cas les plus impressionnants, un nuage de 2 km d'épaisseur. Depuis l'espace, on voit qu'il réduit les pertes d'énergie essentiellement en venant boucher la fenêtre atmosphérique.
Le rayonnement qui s'échappe ici vers l'espace n'est plus celui du sol, mais celui émis par le nuage, qui est plus bas en température à environ moins 23°C alors que le sol était à moins 1°C. Pour le rayonnement infrarouge redescendant, La différence est encore plus marquée. En présence d'un nuage de ce type, il y a très peu de pertes.
Le nuage rayonne vers le sol à toutes les longueurs d'onde et s'il est suffisamment bas, permet de réchauffer considérablement la surface par rapport à une situation sans nuage. On peut facilement faire l'expérience de l'effet des nuages pendant la nuit. Sans nuage, la température se réduit beaucoup plus rapidement que quand le ciel est couvert. C'est l'absence de vapeur d'eau et de nuages dans l'atmosphère qui fait que les déserts ont souvent des nuits très froide malgré des journées brûlantes. S'il est indéniable que les nuages participent à l'effet de serre, il faut se souvenir qu'ils renvoient également une partie du rayonnement solaire vers l'espace, ce qui refroidit la planète.
L'effet net des nuages est de refroidir la Terre. S'il n'y en avait plus, la Terre serait plus chaude qu'aujourd'hui. Mais l'effet net d'un nuage peut être de réchauffer ou de refroidir suivant ses caractéristiques.
Pour aller vite, les nuages de basse altitude vont plutôt avoir un effet refroidissant. La réflexion du rayonnement solaire l'emporte sur l'effet de serre, alors que les nuages de haute altitude ont plutôt un effet net réchauffant. Le rôle des nuages est compliqué parce qu'ils affectent en plusieurs endroits le bilan énergétique de la Terre, mais c'est vrai pour d'autres éléments, comme le rôle de l'eau dans le système climatique qui nous a occupés dans la vidéo précédente.
Pour finir, j'aimerais sortir de cette représentation moyenne ou de cas particuliers pour vous montrer l'ensemble de la Terre dans toute sa complexité et sa beauté. Et ça, je peux le faire grâce à Thomas Auriel et à un jeu de données du programme européen d'observation satellite, Copernicus. Ce que vous voyez ici, c'est le rayonnement solaire reçu par la Terre.
Chaque image représente une heure. Le rayonnement solaire est centré sur l'équateur parce qu'on est à l'équinoxe. Si je vous montre la même chose mais autour du 21 juin, on voit que le rayonnement solaire reçu par l'hémisphère nord est maintenant plus important. Plutôt que le rayonnement solaire entrant, On peut regarder le rayonnement solaire net, c'est-à-dire dont on a retiré le rayonnement solaire réfléchi.
On voit bien l'action des nuages qui réfléchissent une partie du rayonnement solaire. Représentons également le rayonnement infrarouge sortant. Vous voyez que ce rayonnement est beaucoup mieux réparti spatialement que le rayonnement solaire entrant. Même la nuit, la planète émet un rayonnement vers l'espace puisque sa température n'est pas nulle. Bon, ça donne un peu le tournis, alors regardons plutôt des moyennes journalières.
Chaque image correspond maintenant à la moyenne sur une journée. On voit encore le balai des nuages sur le rayonnement solaire net et sur le rayonnement infrarouge émis par la Terre. Je peux aussi sommer ces deux rayonnements.
Maintenant, vous voyez en orange les zones de la Terre qui reçoivent sur une journée plus de rayonnements qu'elles en émettent. et en bleu les zones qui émettent plus de rayonnement qu'elles en reçoivent. Si on laisse le film se dérouler, on voit l'alternance des saisons, avec le maximum d'ensoleillement qui change régulièrement d'hémisphère. Personnellement, je trouve que de pouvoir quantifier ce type de flux sur l'ensemble de la surface terrestre est très impressionnant, et que ce film d'une partie du bilan énergétique est de toute beauté.
Pour finir, on peut regarder ça en moyenne annuelle. On voit clairement que la zone tropicale reçoit en général plus d'énergie qu'elle en perd, alors que les pôles perdent plus d'énergie qu'ils en reçoivent. La machine climatique permet de transférer de l'énergie de l'équateur, qui est bien illuminée par le soleil, vers les pôles. L'effet de serre permet d'homogénéiser la température sur la planète. Il réduit considérablement l'écart entre les latitudes, mais également entre le jour et la nuit.
Sans lui, les variations de température sur Terre seraient beaucoup plus importantes. Cet effet d'homogénéisation par notre système climatique est fascinant. Mais on peut le rater si on se contente de regarder le bilan énergétique en termes de moyenne sur 1m² comme on l'a majoritairement fait pendant cette vidéo.
C'est aussi pour ça que je tenais à cette dernière partie. Dans cette vidéo, j'ai essayé de vous présenter la physique qui explique la température moyenne de la surface de notre planète. Pour ça, on a fait le bilan énergétique de la Terre. On a vu que notre planète reçoit du rayonnement solaire qui réfléchit à 29% vers l'espace. La quantité restante vient réchauffer l'atmosphère et la surface.
La surface terrestre perd de l'énergie par conduction, convection, évapotranspiration et rayonnement. Enfin, pour comprendre la température à la surface de notre planète, il faut considérer l'effet de serre. L'effet de serre, c'est l'effet sur le rayonnement infrarouge des nuages, des gaz à effet de serre et de certains aérosols qui absorbent des rayonnements infrarouges et en émettent à leur tour.
La décroissance de la température avec l'altitude dans la basse atmosphère permet à cet effet de réduire considérablement les pertes par rayonnement de la surface terrestre, et donc d'avoir une température moyenne à la surface de la Terre plus élevée que sans effet de serre. Honnêtement, expliquer l'effet de serre est bien plus compliqué qu'on pourrait le croire. La physique du climat en général n'est pas triviale, mais cette physique est bien comprise par les scientifiques, même si accéder à cette compréhension demande des efforts considérables.
Et encore, cette vidéo n'est pas exhaustive et apporte son lot de simplifications. Mon but était, entre autres, que vous puissiez comprendre la définition que donne le GIEC de l'effet de serre. Je vous la laisse en description avec toutes mes sources.
Personnellement, je trouve la physique de l'effet de serre intéressante et ce point pourrait justifier à lui seul que je fasse une vidéo sur ce sujet. Mais les notions introduites dans cette vidéo sont également indispensables pour comprendre certains aspects du changement climatique ou déconstruire certains arguments climato-sceptiques. Reste à savoir si ce format plaira suffisamment pour que je continue à développer du contenu similaire ou si ce que j'ai essayé de faire ici est trop complexe ou abstrait.
Dans tous les cas, ne vous inquiétez pas pour moi, j'ai encore plein de vidéos à faire et je ne manque pas de sujets. Voilà, j'espère que cette vidéo vous a plu et que vous la trouverez intéressante et utile. En fait, ça fait longtemps que j'avais envie de faire des vidéos comme celle-ci, mais la complexité m'a un peu rebuté jusqu'ici.
Si j'ai osé franchir le pas, c'est parce que je pense que les supports graphiques rendent le contenu plus digeste. Alors j'espère que les belles animations d'Adrien vous auront facilité la compréhension. Aujourd'hui, si je peux payer un graphiste et me payer, c'est essentiellement grâce au financement participatif. Et donc grâce à ceux qui soutiennent financièrement la chaîne et que je remercie du fond du cœur.
Vous vous en doutez, mais cette vidéo m'a demandé un temps considérable. Le financement participatif me permet de travailler en toute indépendance. et de passer le temps que je juge nécessaire sur un sujet. Et je me rends bien compte que j'ai une chance incroyable de pouvoir travailler dans ces conditions.
Beaucoup de personnes produisant de l'information ne peuvent pas le faire correctement à cause de contraintes de temps ou d'argent. Je remercie également toutes les autres personnes qui m'aident à faire ces vidéos et notamment les relecteurs qui aident ce contenu à être plus juste et plus précis. Vous l'avez sûrement remarqué, j'ai un nouveau décor, donc d'abord j'espère qu'il vous plaît, et d'ailleurs certains d'entre vous...
ont influencé le choix des photos sur Twitter. Et après avoir déménagé deux fois en moins d'un an, j'espère garder celui-ci quelques temps et qu'il sera le cadre de nombreuses vidéos. C'était Le Réveilleur et à bientôt sur le net. D'ailleurs, je finis toujours par à bientôt sur le net et il n'y a même pas une vidéo par mois.
On est à la limite de la publicité mensongère quand même.