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    Conservation de l'énergie

    Conservation de l'énergie

    On sait que le climatclimat, malgré sa très grande complexité, obéit nécessairement aux lois de la physique. En schématisant, on peut dégager un certain nombre de faits.

    Le Soleil

    Le flux de rayonnement venant du Soleil - principalement de la lumière visible et du rayonnement du proche infrarouge - chauffe la Terre. Le climat en dépend. Toutefois, ce flux énergétique venant du Soleil (342 Watts par mètre carré en moyenne sur toute la surface du globe) n'a que très peu varié (±0,1% avec le cycle de 11 ans, selon les mesures satellitales) depuis 1970. Et avant 1970 ? Selon la théorie de la structure interne et l'évolution du Soleil, la luminositéluminosité de notre étoileétoile aurait augmenté sensiblement (40% ?) au cours des derniers 4 milliards d'années. Mais la théorie ne permet pas encore de dire si elle a pu varier de ±0,5% sur des échelles de temps allant de plusieurs décennies à quelques millénaires ; les mesures non plus.

    A noter que le flux de chaleurchaleur venant de l'intérieur de la Terre (0,1 Watt par mètre carré en moyenne) est négligeable à côté. A noter aussi que le Soleil n'est en rien affecté par tout de ce qui peut se passer sur Terre. Quant à l'activité solaire (cycle de 11 ans des taches, cycle magnétique de 22 ans, autres variations du champ magnétiquechamp magnétique, du vent solairevent solaire, de la chromosphèrechromosphère et de la couronne), elle agit sans aucun doute sur la haute atmosphèreatmosphère de la Terre, mais elle affecte peu l'irradiationirradiation intégrée sur le spectrespectre, et je considère que son influence sur le climat n'est pas démontrée.

    Que devient le flux d'énergie solaire ?

    Une fraction de ce flux de rayonnement, environ 30%, est réfléchie et diffusée vers l'espace. Ces 30%, à peu près 102 Watts par mètre carré en moyenne, ne contribuent pas au réchauffement de la Terre. C'est ce que j'appelle l'effet parasol.

    La fraction (70%) du flux de rayonnement qui reste est absorbée, en grande partie à la surface du globe, en partie aussi dans l'atmosphère. Cela fait un flux énergétique de 240 Watts par mètre carré en moyenne, continuellement converti en chaleur. La Terre doit se débarrasser de cet apport permanent de chaleur. Le seul moyen possible est l'émissionémission de rayonnement infrarouge moyen vers l'espace. Toutefois, l'évasion de ce rayonnement vers l'espace, à partir de la surface, est entravée par l'atmosphère. Ses couches sont partiellement opaques à ce rayonnement infrarouge thermique (longueurs d'ondelongueurs d'onde de 4 à 50 micromètresmicromètres). Elles absorbent une grande partie du rayonnement montant, le ré-émettant à la fois vers le bas et vers le haut. Cela fait que la température proche du sol atteint +15°C en moyenne sur le globe, plus "confortable" que la température de -18°C qui régnerait sans cet effet de serreeffet de serre.

    Toute action sur l'effet de serre ou l'effet parasol affecte le climat

    Or, l'effet de serre dépend de gazgaz qui ne constituent aujourd'hui qu'une petite fraction de l'atmosphère : surtout de la vapeur d'eau (H2O), et du dioxyde de carbonedioxyde de carbone (CO2). Il dépend aussi des nuagesnuages, qui sont des collections de gouttelettes d'eau liquideliquide ou de cristaux de glace, constituant beaucoup moins de 0,1% de l'atmosphère. D'autres gaz faits de moléculesmolécules contenant au moins trois atomesatomes peuvent également contribuer à l'effet de serre. Depuis 1900, les activités humaines ont sensiblement accru la concentration de CO2 dans l'atmosphère, ainsi que celles de quelques autres gaz à effet de serregaz à effet de serre, notamment le méthane (CH4), le protoxyde d'azoteprotoxyde d'azote (N2O), et les CFCCFC.

    Quant à l'effet parasol, il dépend certes des molécules de l'airair (la diffusiondiffusion Rayleigh, qui donne le ciel bleu) et des surfaces les plus claires (notamment les neiges, les glaces, les désertsdéserts), mais il dépend surtout des nuages, et il peut varier en fonction des autres particules en suspension dans l'air (les aérosolsaérosols). Les activités humaines peuvent perturber l'effet parasol par la production d'aérosols liée à la pollution, et par les modifications de l'utilisation des sols.

    Fig. 1 – Les flux énergétiques (en watts par mètre carré, moyennés sur le globe) et leurs transformations. Il faut aussi tenir compte des flux non radiatifs d'énergie. Le flux de chaleur latente (LE = 85 Wm-2 de la surface vers l'atmosphère) correspond à l'évaporation E de l'eau à la surface du globe, et sa condensation dans l'atmosphère (essentiellement dans les nuages). Exprimé en termes énergétiques, ce flux est bien plus faible que les flux de rayonnement, mais l'eau de l'atmosphère joue un rôle central, à la fois pour l'effet parasol (de par les nuages) et pour l'effet de serre ; et aussi, bien sûr, pour les précipitations (P=E). Moins important mais non négligeable, le flux de chaleur sensible (20 Wm-2) correspond aux transferts de chaleur de la surface vers l'atmosphère par convection (de l'air chaud qui monte, de l'air froid qui descend).
    Fig. 1 – Les flux énergétiques (en watts par mètre carré, moyennés sur le globe) et leurs transformations. Il faut aussi tenir compte des flux non radiatifs d'énergie. Le flux de chaleur latente (LE = 85 Wm-2 de la surface vers l'atmosphère) correspond à l'évaporation E de l'eau à la surface du globe, et sa condensation dans l'atmosphère (essentiellement dans les nuages). Exprimé en termes énergétiques, ce flux est bien plus faible que les flux de rayonnement, mais l'eau de l'atmosphère joue un rôle central, à la fois pour l'effet parasol (de par les nuages) et pour l'effet de serre ; et aussi, bien sûr, pour les précipitations (P=E). Moins important mais non négligeable, le flux de chaleur sensible (20 Wm-2) correspond aux transferts de chaleur de la surface vers l'atmosphère par convection (de l'air chaud qui monte, de l'air froid qui descend).