Planète

Emballement de l'effet de serre

Dossier - Tout savoir sur l'effet de serre
DossierClassé sous :climatologie , changement climatique , gaz à effet de serre

-

Quelles sont les causes de l’effet de serre ? Pourquoi s’agit-il d’un phénomène naturel ? Quel est le rôle de l’activité humaine dans l’augmentation des gaz à effet de serre et quelles sont les conséquences pour la planète ? Pour tout comprendre de l’effet de serre, plongez dans ce dossier au cœur de l’atmosphère terrestre.

  
DossiersTout savoir sur l'effet de serre
 

L'effet de serre ne sature pas : on peut alors se demander si l'augmentation constante de la concentration atmosphérique en CO2 ne pourrait pas conduire à un emballement de l'effet de serre et à une planète inhabitable comme l'est Vénus. Rassurez-vous, on n'en est pas là.

Niveau débutant

L'emballement de l'effet de serre, c'est ce qui arrive quand une planète n'arrive plus à évacuer la chaleur qu'elle reçoit de son étoile. Si elle n'y arrive plus, c'est parce que son isolation, c'est-à-dire son effet de serre, est devenue trop importante. C'est éventuellement possible s'il existe à la surface une source très importante de gaz à effet de serre. Le meilleur candidat pour cela, ce sont les océans puisque la vapeur d'eau est un très puissant gaz à effet de serre.

C'est sans doute ce qui s'est passé sur Vénus. Vénus et la Terre sont très semblables et il semble légitime de penser que l'eau a existé en grandes quantités sur Vénus. La différence, c'est que le flux solaire qui l'atteint est pratiquement le double de celui qui atteint la Terre.

L'emballement de l'effet de serre et l'augmentation constante de la concentration atmosphérique en CO2 peut-il conduire à une planète inhabitable comme l'est Vénus (observée ici avec Mars dans ce paysage nocturne) ? © Jean-Baptiste Feldamnn - Reproduction interdite - Tous droits réservés

L'atmosphère de Vénus

Si Vénus ne possédait pas d'atmosphère, elle émettrait un flux radiatif suivant la loi de Stefan, c'est-à-dire P= σT4 où σ est une constante universelle et T la température de la planète en Kelvins. Cette fonction est représentée par la courbe en noir sur la figure ci-dessous.

Conditions requises pour un emballement de l'effet de serre. Yves Fouquart © Reproduction interdite - Tous droits réservés

Le phénomène de rétroaction

L'horizontale verte marquée 240 W/m2 correspond au flux solaire absorbé par la Terre. Ces deux courbes se croisent pour une température proche de 255 K qui correspond à l'équilibre radiatif entre flux solaire absorbé et flux infrarouge émis. La courbe en rouge représente le flux sortant pour une atmosphère comme celle de la Terre, avec la concentration actuelle en CO2 mais sans vapeur d'eau. Cette fois, l'équilibre est obtenu pour une température de l'ordre de 264 K, la différence est due à l'effet de serre du CO2.

La courbe en bleu correspond à une atmosphère comme celle de la Terre mais saturée en vapeur d'eau, c'est-à-dire pour une humidité relative de 100 %. L'équilibre est obtenu pour une température de l'ordre de 280 K. On remarque que la courbe bleue a tendance à s'aplatir, cela résulte du fait que lorsque la température augmente, la quantité de vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère augmente également, c'est une rétroaction positive (la rétroaction désigne l'action en retour d'un système à la modification d'un paramètre). Puisque la Terre comporte des océans qui constituent une réserve finie mais considérable (300 fois la masse de l'atmosphère), il n'y a pas de limite pratique à cette rétroaction.

Supposons que la quantité d'énergie solaire absorbée augmente de telle sorte que la ligne horizontale correspondante se situe au dessus de l'asymptote de la courbe bleue, alors il n'y a plus d'intersection, ce qui signifie que l'équilibre radiatif ne peut plus être obtenu : l'atmosphère n'évacue plus suffisamment d'énergie pour équilibrer le chauffage solaire. La température augmente jusqu'à ce que les océans se soient complètement évaporés. C'est ce qu'on appelle l'emballement de l'effet de serre et il est fort probable que ce soit ce qui est arrivé sur Vénus.

Sur Terre, une atmosphère sans CO2 ?

Sur Terre, pour une atmosphère sans CO2, la limite se situe vers 350 W/m2 (Kasting Icarus 74 (1988) ) (les calculs présentés sont approximatifs). Il faudrait donc que la Terre absorbe en moyenne plus de 350 W/m2, or la constante solaire est de 1360 W/m2 répartis sur un disque de surface πR2 alors que la surface de la Terre est de 4πR2 ; l'énergie disponible est donc au maximum de 340 W/m2. Si l'on tient compte d'une concentration très élevée de CO2 (3000 ppm), cette limite s'abaisse vers 325 W/m2.

La planète réfléchit environ 30 % de l'énergie qu'elle reçoit du Soleil. Pour une part, cette réflectance est due aux nuages et aux surfaces enneigées mais les surfaces désertiques ont, elles aussi, une réflectance très élevée. © Nasa, DP

L'albédo de la Terre

À première vue les chiffres n'excluent pas cette hypothèse mais ce serait oublier qu'une partie du rayonnement solaire est réfléchie par la surface, par les gaz de l'atmosphère, les poussières en suspension et les nuages qui existeraient toujours. Sans nuages, l'albédo de la Terre est voisin de 0,1, l'énergie absorbée par une Terre sans nuages est donc inférieure à 310 W/m2 et donc inférieure à la limite de 325 W/m2. S'il y a un jour emballement de l'effet de serre, cela ne pourra se produire que si l'énergie émise par le Soleil augmente fortement.

Notez que la réflectance est une quantité bi-directionnelle qui dépend des conditions d'éclairement et d'observation alors que l'albédo est la valeur moyenne du lieu pour toutes les conditions d'observation et d'éclairement.

Les dunes du désert des White Sands, au Nouveau Mexique, réfléchissent plus de 60 % de la lumière quand le soleil est au zénith mais quand le soleil est plus bas sur l'horizon, l'ombre projetée des dunes diminue fortement cette réflectance. L'albédo moyen y est plus proche de 40 %. Les océans ont l'albédo le plus faible, de l'ordre de 6 % en moyenne mais pour une mer d'huile, l'albédo chute aux environs de 3 %.