17 Mars 2015

Effet de serre - Effet parasol

La machine climatique

L'énergie disponible à la surface de la Terre provient du Soleil, l'apport de la géosphère étant négligeable. Le rayonnement solaire s'étend de l'ultraviolet à l'infrarouge en passant par la gamme du visible. Environ un tiers de cette énergie est renvoyé vers l'espace, soit par réflexion, soit par diffusion par les nuages et les particules en suspension dans l'atmosphère. C'est l'effet parasol. L'énergie restante est absorbée, soit par l'atmosphère, soit par la surface de la Terre et transformée en chaleur. La surface terrestre, ainsi chauffée par le Soleil, renvoie un rayonnement infrarouge vers l'atmosphère.

Bilan Radiatif
Le bilan radiatif et sa perturbation anthropique.
Impact estimé de l'effet de serre et de l'effet parasol sur le bilan énergétique de la Terre.

Si on calcule la température théorique d'équilibre de la Terre à partir de la quantité d'énergie reçue du Soleil à travers l'atmosphère, on obtient environ -18°C. Or la température moyenne intégrant les variations saisonnières et latitudinaires est d'environ 15°C. Cette différence entre le calcul théorique et les mesures provient du fait que le rayonnement infrarouge terrestre n'est pas entièrement rediffusé vers l'espace. Une grande partie est interceptée par certains gaz de l'atmosphère : les gaz dits à effet de serre (gaz carbonique, vapeur d'eau, méthane, oxyde d'azote, ozone, etc.). Les molécules de ces gaz absorbent le rayonnement infrarouge terrestre. L'énergie est ensuite renvoyée dans toutes les directions et participe donc au réchauffement de la Terre. C'est l'effet de serre naturel, propice au développement de la vie. Les nuages, qui ont une grande opacité au rayonnement infrarouge thermique, participent également à cet effet de serre naturel.

L'Homme, dans son effort d'industrialisation et de développement, tend à modifier la composition de l'atmosphère en injectant de grandes quantités de gaz à effet de serre. Ce phénomène, appelé forçage anthropique de l'effet de serre naturel, conduit à l'augmentation de la température moyenne à la surface de la Terre, de l'ordre de 0,5°C depuis quelques années. Les modèles climatiques s'accordent pour estimer ce phénomène à 2,8 W.m² depuis le milieu du XVIIIe siècle, avec peu de variations géographiques.

Mais dans le même temps la quantité de particules dans l'atmosphère augmente également, d'où un accroissement de l'effet parasol qui va dans le sens du refroidissement. Cet effet parasol peut-il contrecarrer l'augmentation de l'effet de serre ? Tel est l'enjeu du débat actuel et des recherches entreprises afin d'améliorer les modèles utilisés pour estimer l'amplitude, la vitesse et la répartition géographique du réchauffement climatique.

Un bilan radiatif incertain

Le forçage radiatif des aérosols est défini comme la modification du bilan radiatif terrestre qui résulte de la présence d'aérosols introduits par les activités humaines actuelles, comparé à la situation de 1750. Si ce forçage est, à l'heure actuelle, estimé inférieur mais comparable à celui induit par les gaz à effet de serre, les incertitudes liées aux aérosols sont en revanche beaucoup plus importantes. Les effets indirect ou semi-direct via les nuages sont encore mal estimés et, en matière de forçage radiatif direct, la contribution des poussières désertiques, dont les sources ont pu augmenter du fait de l'homme, est difficile à quantifier. De plus, tant à l'échelle régionale que saisonnière, des impacts radiatifs dus aux aérosols de plusieurs dizaines de W.m² sont fréquemment rencontrés mais leurs impacts sur la dynamique atmosphérique restent à être décrits et modélisés.
C'est pour réduire cette incertitude que les scientifiques cherchent, au travers de missions spatiales comme Parasol, à mieux connaître les caractéristiques physiques et microphysiques des nuages et des aérosols. Certains types d'aérosols ont-ils à l'échelle régionale un effet de refroidissement ou de réchauffement ? Quelles sont les origines et la nature de ces particules ? Les nuages sont-ils constitués d'eau ou glace ? Quelle est la forme, la taille et l'orientation des particules qui les composent ? De toutes ces données dépend leur impact radiatif.

Depuis une quinzaine d'années la communauté scientifique internationale se mobilise autour de ces problématiques, pour lesquelles l'observation depuis l'espace permet un suivi global et fréquent très complémentaire à la modélisation. Des instruments comme ScaRaB, embarqués sur des satellites russes, ou comme Polder, sur les satellites japonais Adéos, donnent accès respectivement au bilan radiatif global et au contenu en aérosols de l'atmosphère. Ces observations sont complétées par des campagnes de terrain qui sont l'occasion d'effectuer des mesures in situ, notamment aéroportées. Cette synergie est nécessaire pour quantifier les effets radiatifs des aérosols et leurs impacts.

Bilan radiatif