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MODÈLE DE BILAN DÉNERGIE TERRESTRE Modèle numérique interactif doté de 4 paramètres ajustables : 1) albédo planétaire 2) a transmissivité atmosphérique.

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1 MODÈLE DE BILAN DÉNERGIE TERRESTRE Modèle numérique interactif doté de 4 paramètres ajustables : 1) albédo planétaire 2) a transmissivité atmosphérique infrarouge 3)D m profondeur de locéan actif 4)F s intensité de la radiation solaire

2 Objectifs Ce modèle permet de simuler lévolution de la température moyenne globale de surface du système Terre-Atmosphère soumis à linfluence de labsorption de la radiation solaire ainsi quà la déperdition de rayonnement infrarouge. La température, T, évolue à partir dune valeur initiale arbitraire, T o, vers une valeur constante lorsque léquilibre entre labsorption de lénergie solaire et lémission de rayonnement infrarouge est réalisé. Labsorption dénergie solaire dépend de lalbédo,, tandis que la déperdition de rayonnement infrarouge est contrôlé par la transmissivité atmosphérique, a. La température dépend aussi de lintensité de la radiation solaire au sommet de latmosphère par lentremise du paramètre F s qui en ajuste lintensité. Finalement, la capacité thermique du système est déterminée en grande partie par la profondeur de la couche mélangée des océans, D m, également désignée «couche active». schéma

3 Menu Principal Définitions Définitions a D m F s Simulations Simulations Conclusions générales Conclusions générales

4 : albédo planétaire : albédo planétaire Lalbédo planétaire détermine le pouvoir de réflexion du système Terre-Atmosphère global à légard du rayonnement solaire. Il est représenté par un paramètre variant de 0 à 1. La réflexion est produite par les effets combinés du sol (océans, forêts, glaces, etc) et de latmosphère (air, nuages, aérosols, etc). = 0absorption intégrale de la radiation solaire incidente par le système = 0absorption intégrale de la radiation solaire incidente par le système 0.3valeur observée 0.3valeur observée 0.5le système absorbe 50% et réfléchit 50% de la radiation solaire incidente 0.5le système absorbe 50% et réfléchit 50% de la radiation solaire incidente 1.0 le système réfléchit lintégralité de la radiation solaire incidente 1.0 le système réfléchit lintégralité de la radiation solaire incidente

5 a : transmissivité atmosphérique infrarouge a : transmissivité atmosphérique infrarouge La transmissivité atmosphérique détermine la transparence de latmosphère à légard du rayonnement infrarouge. Elle est représentée par un paramètre variant de 0 à 1. Linverse de la transparence, donc lopacité, est produite par labsorption du rayonnement infrarouge par les composants de latmosphère (air, nuages, aérosols, etc). a = 0le système est opaque à légard du rayonnement infrarouge a = 0le système est opaque à légard du rayonnement infrarouge 0.60valeur obtenue lorsque la concentration des gaz à effet de serre augmente (ex. 2xCO 2 ) 0.60valeur obtenue lorsque la concentration des gaz à effet de serre augmente (ex. 2xCO 2 ) 0.62valeur observée actuellement 0.62valeur observée actuellement 1.0latmosphère est totalement transparente à légard du rayonnement infrarouge 1.0latmosphère est totalement transparente à légard du rayonnement infrarouge

6 D m : profondeur de locéan actif La couche océanique de surface qui répond le plus rapidement aux sollicitations atmosphériques est une couche bien mélangée dans laquelle les conditions thermiques sont à peu près constantes. La profondeur de la couche active varie denviron 50m à 200m et est produite par la turbulence de leau qui mélange ainsi les propriétés. D m = 50 mcouche peu profonde, capacité thermique réduite et réaction rapide du système = 200 mcouche profonde, capacité thermique importante et réaction lente du système = 200 mcouche profonde, capacité thermique importante et réaction lente du système

7 F s : intensité de la radiation solaire Ce paramètre détermine lintensité de la radiation solaire incidente. Le soleil émet des ondes électromagnétiques dont le spectre est composé de radiations de longueurs dondes variant entre 0.3 m et 4 m. Lintensité du flux de radiation, I o, est de 1370 W m -2 au sommet de latmosphère. F s = 0le flux de radiation est nul 0.9le flux vaut 90% de I o soit 685 W m le flux vaut 90% de I o soit 685 W m le flux vaut 110% de I o soit 1507 W m le flux vaut 110% de I o soit 1507 W m -2

8 Simulations Proposition de 3 situations pour la simulation de lévolution de la température globale moyenne de surface : 1)Terre sans Atmosphère 2)Climat actuel 3)Doublement des concentrations de CO 2 atmosphérique 4) Influence des aérosols 5) Influence des taches solaires

9 F s intensité de la radiation solaire = 1 soleil actuel = 0.5 intensité solaire réduite de moitié Modèle de Bilan dÉnergie Terrestre a transparence atmosphérique à légard du rayonnement infrarouge = 1 Terre hypothétique sans atmosphère = 0.62 valeur observée = 0.60 atmosphère enrichie en gaz à effet de serre D s océan «actif» = 20 m peu profond = 200 m profond réflexion de la radiation solaire = 0.3 valeur observée = 0.5 présence accrue de nuages T température globale moyenne de la Terre. Résulte de léquilibre existant entre la radiation solaire absorbée et la déperdition de rayonnement infrarouge déperdition de rayonnement infrarouge vers lespace © Stéphane Goyette

10 Simulation dune Terre sans atmosphère… Labsence datmosphère induit une transparence totale à légard du rayonnement infrarouge, le système se comporte alors comme un «corps noir * ». Cette situation implique que le rayonnement infrarouge émis depuis la surface de la Terre, suite à labsorption de la radiation solaire, est perdu en totalité vers lespace. Alors, a = 1 a = 1 F s = 1, la radiation solaire incidente est de 1370 W m -2 F s = 1, la radiation solaire incidente est de 1370 W m -2hypothèse: = 0.3, la réflexion est causée par la surface uniquement = 0.3, la réflexion est causée par la surface uniquement D m = 200 m, la capacité thermique des océans est fixée D m = 200 m, la capacité thermique des océans est fixée (*) températures initiales de la simulation T o = +50C, départ «chaud» T o = +50C, départ «chaud» T o = -50C, départ «froid» T o = -50C, départ «froid»

11 Corps Noir La définition traditionnelle du corps noir est celle dun objet théorique (solide, liquide ou gazeux) qui absorbe toutes les radiations incidentes sur lui. Aussi, tout corps noir émet un rayonnement proportionnel à la 4 e puissance de sa température selon la loi de Stefan-Boltzmann. Le pic démissivité maximal est inversement proportionnel à sa température selon la loi de Wien. © Stéphane Goyette

12 Évolution de la température moyenne globale pour le cas dune Terre sans atmosphère discussion

13 Discussion La température décroît fortement depuis sa valeur initiale de +50C pour se stabiliser à -18.2C après 30 années de simulation. En effet, une température initiale trop élevée induit une déperdition dénergie infrarouge qui nest pas compensée par le gain résultant de labsorption dénergie solaire: le système est alors hors déquilibre. Par conséquent, la perte favorise une décroissance de T jusquà ce que la déperdition dénergie infrarouge équilibre le gain dénergie solaire. En conclusion, une Terre dénuée datmosphère constitue un système «froid», en dépit de la condition initiale T o plutôt élevée.

14 Évolution de la température moyenne globale pour le cas dune Terre sans atmosphère discussion

15 Discussion La température croît fortement depuis sa valeur initiale de -50C pour se stabiliser à -18.2C après 30 années de simulation. En effet, dune température initiale trop faible découle un gain résultant de labsorption dénergie solaire qui nest pas compensé par la déperdition dénergie infrarouge : le système est alors hors déquilibre. Par conséquent, le gain favorise une croissance de T jusquà ce que la perte dénergie infrarouge équilibre labsorption dénergie solaire. En conclusion, une Terre dénuée datmosphère demeure un système «froid», malgré le réchauffement du système depuis la condition initiale très froide.

16 Simulation de la température moyenne globale actuelle… Afin de simuler la température moyenne globale de surface observée, il faut initialiser le modèle avec des caractéristiques radiatives et thermiques «observées» du système Terre-Atmosphère. Cette situation implique une prise en compte des mesures des divers éléments, ce qui nous permet de prescrire les valeurs suivantes : a = 0.62, valeur mesurée depuis lespace a = 0.62, valeur mesurée depuis lespace F s = 1, radiation solaire de 1370 W m -2 mesurée depuis lespace = 0.3, valeur mesurée depuis lespace = 0.3, valeur mesurée depuis lespace températures initiales océan D m = 50 m D m = 50 m T o = +50C, départ «chaud» D m = 200 m T o = +50C, départ «chaud» D m = 200 m T o = -50C, départ «froid» D m = 50 m T o = -50C, départ «froid» D m = 50 m D m = 200 m D m = 200 m

17 Évolution de la température moyenne globale pour des conditions actuelles du système Terre-Atmosphère discussion

18 Discussion La température décroît depuis sa valeur initiale de +50C pour se stabiliser à +14.2C après 10 années de simulation. En effet, une température initiale trop élevée induit une déperdition dénergie infrarouge qui nest pas compensée par le gain dû à labsorption dénergie solaire: le système est alors hors déquilibre. Par conséquent, ces pertes favorisent une décroissance de T jusquà ce que la déperdition dénergie infrarouge équilibre lénergie solaire absorbée. En conclusion, latmosphère induit un environnement «favorable» au développement de la vie car en plus dêtre un mélange gazeux nécessaire à la respiration, sa présence sur Terre crée un effet de serre naturel qui maintient la température moyenne globale à +14.2C comparativement à -18.2C en son absence. Leffet de serre naturel est ici défini par T = +32.4C, mesure confirmée par les observations.

19 Évolution de la température moyenne globale pour des conditions actuelles du système Terre-Atmosphère discussion

20 Discussion La température décroît depuis sa valeur initiale de +50C pour se stabiliser à +14.2C après 30 années de simulation. En effet, une température initiale trop élevée induit une déperdition dénergie infrarouge qui nest pas compensée par le gain dû à labsorption dénergie solaire: le système est alors hors déquilibre. Par conséquent, ces pertes favorisent une décroissance de T jusquà ce que la déperdition dénergie infrarouge équilibre le gain dénergie solaire. En conclusion, latmosphère induit un environnement «favorable» au développement de la vie car en plus dêtre un mélange gazeux nécessaire à la respiration, sa présence sur Terre crée un effet de serre naturel qui maintient la température moyenne globale à +14.2C comparativement à -18.2C en son absence. Leffet de serre naturel est ici défini par T = +32.4C, mesure confirmée par les observations. La profondeur océanique de 200 m allonge considérablement le temps pour que T parvienne à léquilibre.

21 Évolution de la température moyenne globale pour des conditions actuelles du système Terre-Atmosphère discussion

22 Discussion La température croît fortement depuis sa valeur initiale de -50C pour se stabiliser à +14.2C après 10 années de simulation. En effet, dune température initiale trop faible découle un gain dû à labsorption dénergie solaire qui nest pas compensée par la déperdition dénergie infrarouge : le système est alors hors déquilibre. Par conséquent, le gain favorise une croissance de T jusquà ce que la perte dénergie infrarouge équilibre labsorption dénergie solaire. En conclusion, latmosphère induit un environnement «favorable» au développement de la vie car en plus dêtre un mélange gazeux nécessaire à la respiration, sa présence sur Terre crée un effet de serre naturel qui maintient la température moyenne globale à +14.2C comparativement à -18.2C en son absence et, ceci, indépendamment des conditions initiales, T o, de la simulation !

23 Évolution de la température moyenne globale pour des conditions actuelles du système Terre-Atmosphère discussion

24 Discussion La température croît fortement depuis sa valeur initiale de -50C pour se stabiliser à +14.2C après 30 années de simulation. En effet, dune température initiale trop faible découle un gain dû à labsorption dénergie solaire qui nest pas compensée par la déperdition dénergie infrarouge : le système est alors hors déquilibre. Par conséquent, le gain favorise une croissance de T jusquà ce que la déperdition dénergie infrarouge équilibre labsorption dénergie solaire. En conclusion, latmosphère induit un environnement «favorable» au développement de la vie car en plus dêtre un mélange gazeux nécessaire à la respiration, sa présence sur Terre crée un effet de serre naturel qui maintient la température moyenne globale à +14.2C comparativement à -18.2C en son absence et, ceci, indépendamment des conditions initiales, T o, de la simulation ! La profondeur océanique de 200 m allonge le temps pour que T parvienne à léquilibre.

25 Simulation de la température moyenne globale suite au doublement du CO 2 … Le doublement des concentrations de CO 2 atmosphérique induit une augmentation de lopacité de latmosphère à légard du rayonnement infrarouge. Afin de simuler cette situation nous devons alors considérer les valeurs suivantes : a = 0.60, valeur initiale réduite de 2.4% a = 0.60, valeur initiale réduite de 2.4% F s = 1, radiation solaire de 1370 W m -2 mesurée depuis lespace = 0.3, valeur actuelle= 0.3, valeur actuelle D m = 200 m profondeur fixe températures initiales T o = +50C, départ «chaud» T o = +50C, départ «chaud» T o = -50C, départ «froid» T o = -50C, départ «froid»

26 Évolution de la température moyenne globale pour des conditions 2 x CO 2 discussion

27 Discussion La température décroît depuis sa valeur initiale de +50C pour se stabiliser à +16.6C après 30 années de simulation. En effet, une température initiale trop élevée induit une déperdition dénergie infrarouge qui nest pas compensée par le gain dû à labsorption dénergie solaire: le système est alors hors déquilibre. Par conséquent, ces pertes favorisent une décroissance de T jusquà ce que la déperdition dénergie infrarouge équilibre le gain dénergie solaire. En conclusion, une atmosphère enrichie en dioxyde de carbone (CO 2 ) induit une perturbation de leffet de serre naturel se traduisant par une hausse supplémentaire des températures denviron 2.4C.

28 Évolution de la température moyenne globale pour des conditions 2 x CO 2 discussion

29 Discussion La température croît fortement depuis sa valeur initiale de -50C pour se stabiliser à +16.6C après 30 années de simulation. En effet, dune température initiale trop faible découle un gain dû à labsorption dénergie solaire qui nest pas compensé par la déperdition dénergie infrarouge : le système est alors hors déquilibre. Par conséquent, le gain favorise une croissance de T jusquà ce que la déperdition dénergie infrarouge équilibre labsorption dénergie solaire. En conclusion, une atmosphère enrichie en dioxyde de carbone (CO 2 ) induit une perturbation de leffet de serre naturel se traduisant par une hausse supplémentaire des températures denviron 2.4C.

30 Simulation de la température moyenne globale suite à laugmentation de la charge en aérosols de latmosphère Les aérosols atmosphériques ont pour effet daugmenter lalbédo planétaire et de diminuer la transparence de latmosphère à légard du rayonnement infrarouge. Doù : a = 0.61, valeur initiale réduite de 1.6 % a = 0.61, valeur initiale réduite de 1.6 % F s = 1, radiation solaire de 1370 W m -2 mesurée depuis lespace = 0.32, valeur augmentée de 6.6 %= 0.32, valeur augmentée de 6.6 % D m = 200 m profondeur fixe températures initiales T o = +50C, départ «chaud» T o = +50C, départ «chaud» T o = -50C, départ «froid» T o = -50C, départ «froid»

31 Évolution de la température moyenne globale pour une atmosphère chargée en aérosols discussion

32 Discussion La température croît fortement depuis sa valeur initiale de -50C pour se stabiliser à +13.3C après 30 années de simulation. En effet, dune température initiale trop faible découle un gain dû à labsorption dénergie solaire qui nest pas compensé par la déperdition dénergie infrarouge : le système est alors hors déquilibre. Par conséquent, le gain favorise une croissance de T jusquà ce que la déperdition dénergie infrarouge équilibre labsorption dénergie solaire. En conclusion, une atmosphère enrichie en aérosols produit une réflexion de la radiation solaire qui nest pas entièrement compensée par labsorption de rayonnement infrarouge: la température moyenne globale est donc réduite de 0.9C par rapport à la température moyenne globale actuelle.

33 Évolution de la température moyenne globale pour une atmosphère chargée en aérosols discussion

34 Discussion La température décroît depuis sa valeur initiale de +50C pour se stabiliser à +13.3C après 30 années de simulation. En effet, une température initiale trop élevée induit une déperdition dénergie infrarouge qui nest pas compensée par le gain dû à labsorption dénergie solaire: le système est alors hors déquilibre. Par conséquent, ces pertes favorisent une décroissance de T jusquà ce que la déperdition dénergie infrarouge équilibre le gain dénergie solaire. En conclusion, une atmosphère enrichie en aérosols produit une réflexion de la radiation solaire qui nest pas entièrement compensée par labsorption de rayonnement infrarouge, malgré les conditions initiales plutôt favorables: la température moyenne globale est donc réduite de 0.9C par rapport à la température moyenne globale actuelle.

35 Simulation de la température moyenne globale suite à une augmentation des taches solaires Les taches solaires ont pour effet daugmenter lintensité du flux incident de radiation solaire sur la Terre. Alors, afin de simuler la température globale moyenne nous devons considérer les valeurs suivantes : a = 0.62, valeur actuelle a = 0.62, valeur actuelle F s = 1.005, radiation solaire haussée de 0.5% = 0.3, valeur actuelle= 0.3, valeur actuelle D m = 200 m profondeur fixe températures initiales T o = -50C, départ «froid» T o = -50C, départ «froid»

36 Évolution de la température moyenne globale suite à une augmentation des taches solaires discussion

37 Discussion La température croît fortement depuis sa valeur initiale de -50C pour se stabiliser à +14.5C après 30 années de simulation. En effet, dune température initiale trop faible découle un gain dû à labsorption dénergie solaire qui nest pas compensé par la déperdition dénergie infrarouge : le système est alors hors déquilibre. Par conséquent, le gain favorise une croissance de T jusquà ce que la déperdition dénergie infrarouge équilibre labsorption dénergie solaire. En conclusion, la température déquilibre simulée lors dune augmentation du nombre de taches solaires est plus élevée de celle actuelle de 0.3C. Toutefois, il est difficile de conclure fermement à propos dune influence directe de ce phénomène sur le climat sur Terre, celle-ci pouvant être masqué par dautres variations naturelles.

38 Conclusions Générales Ce modèle de bilan dénergie planétaire nous permet de danalyser le rôle joué par les caractéristiques radiatives et thermiques du système Terre-Atmosphère global. La présence dune atmosphère induit un effet de serre naturel qui maintient la température moyenne globale à 14.2C, soit 32.4C de plus quune Terre dénuée datmosphère. La capacité thermique de leau détermine la rapidité avec laquelle le système retrouve un équilibre énergétique, i.e. léquilibre entre lénergie solaire absorbée et lénergie infrarouge émise. Lintensité de la radiation solaire influe directement sur la quantité dénergie disponible et donc sur la température du système Terre-Atmosphère. Leffet des aérosols est cependant plus délicat à analyser avec ce modèle car la température moyenne globale dépend dun équilibre subtil entre la réflexion de la radiation solaire et de labsorption du rayonnement infrarouge. MENU FIN


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