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
