E4 Machine thermique atmosphérique

Topique

L'atmosphère fonctionne comme une machine thermique, convertissant la différence de température entre une source chaude et une source froide en travail mécanique : la source chaude correspond aux tropiques, à environ 300 kelvins, et la source froide aux pôles, à environ 240 kelvins. Le travail mécanique produit par cette machine thermique atmosphérique à partir de cette différence de température se manifeste par les vents, les cyclones et les ondes atmosphériques. Ce cadre thermodynamique est fondamental pour comprendre l'intensité de la circulation atmosphérique générale et sa réaction au changement climatique.

Toute machine thermique, y compris la machine thermique atmosphérique, possède une limite supérieure de rendement qui dépend uniquement du rapport entre la température de la source froide et celle de la source chaude : cette limite supérieure est égale à un moins ce rapport. Par conséquent, plus la température de la source froide est proche de celle de la source chaude – c'est-à-dire plus la différence de température entre les deux sources est faible – plus la limite supérieure de rendement de la machine thermique atmosphérique est basse. L'efficacité réelle de la circulation atmosphérique est bien inférieure à cette limite supérieure, atteignant à peine deux pour cent, car de nombreux processus se déroulant au sein de la machine thermique atmosphérique sont irréversibles et ne peuvent convertir la différence de température entre les réservoirs chauds et froids en travail mécanique avec l'efficacité maximale que permettrait cette limite supérieure.

Cette irréversibilité de la machine thermique atmosphérique s'explique par un bilan d'entropie : le gradient de température même entre les réservoirs chauds et froids, qui alimente la machine thermique atmosphérique, tend, de lui-même, à réduire l'entropie du système climatique, tandis que les processus dissipatifs de cette machine – le frottement et la cascade turbulente qui fragmente les grands tourbillons en tourbillons toujours plus petits – produisent de l'entropie. En régime permanent, l'entropie produite par les processus dissipatifs compense exactement l'entropie réduite par le gradient de température entre les réservoirs chauds et froids. C'est précisément cette production d'entropie par dissipation qui empêche la machine thermique atmosphérique d'atteindre la limite supérieure d'efficacité décrite précédemment.

Dans un contexte de réchauffement climatique, la température du réservoir froid augmente plus rapidement que celle du réservoir chaud, un phénomène appelé amplification polaire. Cette augmentation plus rapide de la température du réservoir froid réduit le gradient thermique entre les réservoirs chaud et froid. Comme la limite supérieure du rendement de la machine thermique atmosphérique dépend de ce même gradient thermique, un gradient plus faible réduit également son rendement. Une machine thermique atmosphérique moins efficace produit moins de travail mécanique : la circulation générale de l’atmosphère et le courant-jet des latitudes moyennes, deux mécanismes par lesquels la machine thermique atmosphérique convertit la différence de température en travail mécanique, s’affaiblissent. Cet affaiblissement de la circulation générale de l’atmosphère et du courant-jet des latitudes moyennes, qui provient de cette même machine thermique atmosphérique et des mêmes réservoirs chaud et froid évoqués au début de cette description, a des conséquences importantes sur les régimes météorologiques qu’ils engendrent.

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