L'effet de serre: sa découverte, son analyse et les effets ......

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L'effetdeserre:sadcouverte,sonanalyseetleseffetsdesesvariationsfuturessurla

tempraturedelaTerre

JeanLouisDufresne

LaboratoiredeMtorologieDynamiqueInstitutPierreSimonLaplace

SminaireLSCE,30avril2009

1. Histoire de la dcouverte de l'effet de serre

2. Physique de l'effet de serre, effet de saturation des bandes

3. Analyse de l'accroissement de l'effet de serre d au CO2 et H2O

4. Amplitude du rchauffement en rponse une perturbation radiative

5. Conclusion

Plan

L'hypothsedel'effetdeserre

JosephFourrier(17681830)

Mmoiresurlestempraturesduglobeterrestreetdesespacesplantaire,J.Fourrier,1824

Laquestiondestempraturesterrestres,l'unedesplusimportantesetdesplusdifficilesdetoutelaPhilosophienaturelle,secomposed'lmentsassezdiversquidoiventtreconsidrssousunpointdevuegnral.[...]J'aidsirsurtoutprsenterauxphysiciens,dansuntableaupeutendu,l'ensembledesphnomnesetlesrapportsmathmatiquesqu'ilsontentreeux.

[Dufresne,2006]

Latempratured'uneplanteestdtermineparsonbiland'nergie

Lesprincipauxmodesdetransfertsd'nergiesont1.Rayonnementsolaire2.Rayonnementinfrarouge3.ConductionaveclecentredelaTerre

Leschangesdechaleursentrelasurfaceetl'intrieurdelaTerresontngligeablesenmoyenneannuelle.Signedugradientverticaledetempratureopposdanslesoletdanslesocans.

L'hypothsedel'effetdeserreAnalogieentrel'atmosphreetla boitechaude utilisparH.B.de Saussure.Rledurayonnementinfrarougeethypothsede l'effetdeserre Letransportdechaleurparl'atmosphreetl'ocanauneffetngligeablesurlatempraturedesurface Enhiver,latempraturedesplesestgalelatempraturede l'espaceplantaire Dans cette hypothse du froid absolu de l'espace, s'il est possible de la concevoir,tousleseffetsdelachaleur,telsquenouslesobservonslasurfaceduglobe,seraientdus la prsence du Soleil. Les moindres variations de la distance de cetastre laTerre occasionneraient des changements trs considrables dans les tempratures,l'excentricitdel'orbiteterrestredonneraitnaissancediversessaisons. Toutesvariationsdel'ensoleillementoudespropritsdesurfacemodifierontlatempraturedesurface L'tablissement et le progrs des socits humaines, l'action des forces naturellespeuventchangernotablement,etdansdevastescontres,l'tatdelasurfacedusol,ladistributiondeseauxetlesgrandsmouvementsdel'air.Detelseffetssontpropresfairevarier,danslecoursdeplusieurssicles,ledegrdelachaleurmoyenne

Ladterminationdelaconstantesolaire

ClaudePouillet(17901868)

Lepyrhliomtreetleprotocoleexprimentalpermettent: deminimiserl'effetdeschangesthermiquesavecl'environnement d'estimerprciserlefluxradiatifincident derduirelacontributiondurayonnementinfrarouge

PyrhliomtredeC.Pouillet

[Dufresne,2008]

Mmoiresurlachaleursolaire,surlespouvoirsrayonnantsetabsorbantsdel'airatmosphrique,etsurlatempraturedel'espace,Pouillet,1838

Ladterminationdelaconstantesolaire

VariationdufluxsolaireincidentFsen

fonctiondel'paisseuratmosphrique,mesurparC.Pouilletetcalculavecun

modleradiatifsansetavecarosol

aer

=0,2

aer

=0 Fs:fluxsolaireincident

F0:constantesolaire

:paisseuratmosphrique:transmissivitpour=1

C.PouilletobtientF0=1228W.m

2

Estimationactuelle:F0=1361W.m

2

Estimegalementl'absorptionparl'atmosphre.

Fs

F0

[Dufresne,2008]

Dterminationdelatempraturedusoleil

FluxdurayonnementmisparlesoleilPeenfonctiondelatempraturedesurfacedusoleil

Pe:fluxmisparlesoleil

F0:constantesolaire

:demisanglesouslequellesoleilestvu

[Dufresne,2008]

Mesureduspectreinfrarouge

SamuelLangley(18341906)

Dveloppementduspectrobolomtre Mesureduspectresolaire MesuredurayonnementIRmisparlalune

Schmasduspectrobolomtre

Prismeenselgemme(NaCl)

Lienentreanglededviationetlongueurd'onde=>loidevariationdel'indicederfraction

Mesureduspectreinfrarouge

Long

ueur

d'on

de (

m)

15

10

5

033 35 37 39

Angle dviation ()

Mesureduspectreinfrarouge

Mesureduspectresolaireetinfrarouge

T=100C

T=2C

Spectreinfrarouge,T=178C

calcul

+mesur

051015Longueurd'onde( m)012345678910111213

Longueurd'onde( m)

Observepourlapremirefoislasparationspectraleentrelerayonnementsolaireetlerayonnementinfrarougetellurique

Difficultdemesurelorsquelatempratureducorpsest faible N'obtientpasdemesuresatisfaisantedurayonnementIRmisparlalune

Calculdel'effetdeserre

SvanteArrhenius(18591927)

SvanteArrhenius: Abordeleproblmedanssaglobalit SebasesurlestravauxdeFourier,Pouillet,TyndalletLangley UtiliselesobservationsdeLangleypourestimerl'absorptiondu

rayonnementIRparl'atmosphre Proposeetutiliseunmodledel'effetdeserre

OntheInfluenceofCarbonicAcidintheAirupontheTemperatureoftheGround,S.Arrhenius,1896.

Calculdel'effetdeserre CycleducarboneetvariationduCO2atmosphrique

LeCO2peutexpliquerlesvariationsclimatiques

passesetpourraitinfluencerleclimatfutur

DoublementdeCO2=> T45C

Transmissivitdel'atmosphre

ChercheidentifierlerleindividuelduCO2etdeH2O:

Corrlationentrelatransmissivitmesureetl'humiditensurface Correctionadhocsurlestransmissivitsmesures

TransmissivitCO2+H20Transmissivitpourune

atmosphrestandard,calculed'aprs

lesdonnesd'Arrhenius

unmodleradiatifactuel,pour2quantitsintgresdeH2O(15et30kg.m

2)

Longueurd'onde( m)

Transmissivitdel'atmosphreTransmissivit

CO2+H20

TransmissivitCO2

TransmissivitH2O

Lesobservationsnecouvrentpaslabanded'absorption15 mduCO2L'absorptionparleCO2esttrssurvalue,etcontientunepartiede

l'absorptionparH20.

VariationdelaconcentrationdeCO2

Intgrationsurtoutledomaineinfrarouge,avecpondrationparlespectred'mission

Modledeserre1vitre,purementradiatif

Absorptivitdirectionnelledel'atmosphreenfonctiondelaconcentrationrelativeC/C0deCO2

VariationdelatempraturedesurfaceenfonctiondelaconcentrationrelativeC/C0deCO2

Effet de saturation

Concentration de CO2 (ppm)

Abso

rptiv

it

Longueur d'onde (m)5 10 15 20 25

Absorptivit moyenne sur le spectre infra-rouge en fonction du

CO2, pour diffrentes valeurs de H20

Absorptivit monochromatique du CO2 seul, en fonction de la longueur d'onde, pour diffrente concentration

de CO2

Abso

rptiv

it

0 200 600 1200

1300 ppmatm. sche

180 ppm

atm. moyenne

atm. tropicale

pas de H2O

380 ppm

1.00.80.60.40.20.0

1.00.80.60.40.20.0

Temprature

Z

altitu

de

T

Z

T

Rayonnement IR sortant : ..T(ze)4Ze: altitude dmission vers lespace

Effet de serre dans un milieu isotherme ou stratifi

Temprature

Z

altitu

de

T

Z

T

Rayonnement IR sortant : ..T(ze)4Ze: altitude dmission vers lespace

Effet de serre dans un milieu isotherme ou stratifi

Temprature

Z

altitu

de

T

Z

T

Rayonnement IR sortant : ..T(ze)4Ze: altitude dmission vers lespace

Effet de serre dans un milieu isotherme ou stratifi

Temprature

Z

altitu

de

T

Z

T

Rayonnement IR sortant : ..T(ze)4Ze: altitude dmission vers lespace

Effet de serre dans un milieu isotherme ou stratifi

Effet de saturationOn suppose que la temprature de l'atmosphre est soit uniforme sur la verticale soit dcrot avec l'altitudeVariation, en fonction de l'paisseur optique d'un milieu gris

Flux (W.m-2)

paisseur optique paisseur optique

T (K)

du flux au sommet de l'atmosphre

de l'augmentation de la temprature T de surface pour un doublement de

l'paisseur optique.

T dcrot avec l'altitude

T uniforme

T uniforme

T dcrot avec l'altitude

Effet de saturation

Flux (W.m-2)

paisseur optique paisseur optique

T (K)

du flux au sommet de l'atmosphre

de l'augmentation de la temprature T de surface pour un doublement de

l'paisseur optique.

T dcrot avec l'altitude

T uniforme

T uniforme

T dcrot avec l'altitude

On suppose que la temprature de l'atmosphre est soit uniforme sur la verticale soit dcrot avec l'altitudeVariation, en fonction de l'paisseur optique d'un milieu gris

Atmosphre quasi-transparente: peu d'mission et peu d'absorption

Ze: altitude dmission vers lespace

Ze: altitude dmission vers lespaceLe rayonnement mis est absorb par l'atmosphre avant d'atteindre l'espace

Effet de serre dans une atmosphrestratifie.

Rayonnement solaire netRayonnement solaire net

dT/dz fixpar convection

Rayonnement IR sortant

.T(ze)4= FFss

FFssTemprature

Z

altitu

de

Z

Rayonnement solaire netRayonnement solaire net

dT/dz fixpar convection

Rayonnement IR sortant

.T(ze)4= FFss

FFss

Rayonnement IR sortant

.T(ze)4< FFss

FFss

Rayonnement IR sortant

.T(ze)4= FFss

FFss

Ze augmente, Te diminue:Rayonnement sortant plus faible.

T(z) augmente: Retour lquilibre

Temprature

Z

altitu

de

Z

Effet de serre dans une atmosphrestratifie.

1. Histoire de la dcouverte de