E2 Effet de serre et opacité atmosphérique

Topique

L'effet de serre est un phénomène de transfert radiatif : les gaz à effet de serre absorbent le rayonnement infrarouge dans des bandes spectrales spécifiques et le réémettent dans toutes les directions. Cette absorption et réémission accroît l'opacité de l'atmosphère précisément dans ces bandes spectrales. Plus l'atmosphère devient opaque dans une bande spectrale donnée, moins le rayonnement infrarouge de cette bande peut la traverser de manière continue de la surface à l'espace sans être absorbé et réémis au moins une fois.

La physique décrivant cette absorption et cette réémission du rayonnement infrarouge repose sur deux relations fondamentales : l'une décrit la perte d'intensité du rayonnement infrarouge, couche par couche, lors de sa traversée d'une atmosphère capable de l'absorber ; l'autre, un ensemble d'équations de transfert, rend compte, pour chaque couche atmosphérique, de la quantité de rayonnement infrarouge absorbée, émise et simplement transmise.

Parmi les gaz à effet de serre, le forçage radiatif du dioxyde de carbone n'augmente pas proportionnellement à sa concentration, mais de façon logarithmique. En effet, les principales bandes d'absorption du dioxyde de carbone atteignent la saturation : dès qu'une bande spécifique du spectre absorbe la quasi-totalité du rayonnement infrarouge qui la traverse, l'ajout de dioxyde de carbone à l'atmosphère n'accroît plus significativement l'absorption dans cette bande, même si la concentration de dioxyde de carbone continue de croître. Ainsi, chaque doublement de la concentration de dioxyde de carbone induit un forçage radiatif additionnel sensiblement identique, proche de 3,7 watts par mètre carré, que la concentration initiale soit faible ou élevée.

Lorsque la concentration des gaz à effet de serre augmente, l'atmosphère devient opaque au rayonnement infrarouge, même à des altitudes plus élevées qu'auparavant. Par conséquent, l'altitude d'émission effective – c'est-à-dire la hauteur à partir de laquelle l'atmosphère parvient enfin à émettre un rayonnement infrarouge dans l'espace sans qu'aucune couche supérieure ne le réabsorbe – s'élève. Comme la température de l'atmosphère diminue avec l'altitude, une altitude d'émission effective plus élevée correspond également à une température d'émission plus basse. Cette température d'émission plus basse réduit le rayonnement infrarouge sortant, car une couche plus froide émet moins de rayonnement infrarouge qu'une couche plus chaude. Cette réduction du rayonnement infrarouge sortant est précisément ce qui produit le réchauffement de la surface terrestre : tant que le rayonnement infrarouge sortant reste inférieur à l'énergie solaire absorbée par la Terre, la surface terrestre continue d'accumuler de l'énergie et sa température continue d'augmenter.

L'effet de serre dans son intégralité – de l'absorption et de la réémission du rayonnement infrarouge par les gaz à effet de serre jusqu'au réchauffement final de la surface – peut être résumé par cette même chaîne : une plus grande quantité de gaz à effet de serre augmente l'altitude d'émission effective, ce qui implique une température d'émission plus basse. Cette dernière réduit le rayonnement infrarouge sortant qui compensait l'énergie solaire absorbée, forçant ainsi la surface terrestre à se réchauffer jusqu'à ce qu'un nouvel équilibre, à une température de surface plus élevée, soit à nouveau égal entre le rayonnement infrarouge sortant et l'énergie solaire absorbée.

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