1.3 Le climat, comment ça marche ?

1.3.1 Les cercles vicieux et vertueux du climat

Lorsqu’un phénomène modifie un paramètre climatique, le climat peut amplifier ou atténuer cette modification : ce sont les boucles de rétroaction, ou rétroactions (Ruddiman, 2001Ruddiman W.F., 2001. Earth’s climate: past and future. Freeman, 465 p.).
Les « rétroactions positives » dérèglent le climat en accentuant la modification. Par exemple le système climatique peut être réchauffé par un processus initial comme l’augmentation du rayonnement solaire ou d’un gaz à effet de serre. Ce réchauffement réduit les calottes glaciaires aux pôles ; les surfaces blanches des calottes sont remplacées par des surfaces de terre plus sombres. Comme toute surface claire réfléchit la lumière, la glace blanche renvoyait l’énergie lumineuse vers l’espace. Au contraire, les terres sombres qui ont remplacé la glace absorbent la lumière et se réchauffent. La planète augmente l’accumulation de chaleur causée par le réchauffement initial et se réchauffe encore plus. Ce phénomène est appelé la rétroaction de l’albédo (Figure 1.2 A).
A l’inverse, les « rétroactions négatives » régulent le climat comme un thermostat. Ainsi un réchauffement augmente l’évaporation des océans et la formation de vapeur d’eau dans l’atmosphère. Il se forme plus de nuages, blancs, qui renvoient la lumière vers l’espace et refroidissent l’atmosphère (Figure 1.2B).
L’objectif final est de déterminer, pour un état du système climatique donné, quelles rétroactions sont les plus puissantes et si le réchauffement initial sera finalement amplifié ou atténué (Figure 1.2 C).

1.3.2 L’effet de serre

L’atmosphère joue le rôle d’une serre : elle permet au rayonnement solaire d’entrer mais conserve cette chaleur à la surface de la planète (Figure 1.4).
Une partie du rayonnement solaire est absorbée par la surface de la Terre et la réchauffe. La surface réchauffée réémet une partie de la chaleur, donc de l’énergie, vers l’atmosphère et l’espace. Comme le verre d’une serre, certains gaz atmosphériques absorbent une fraction de cette énergie ; ce sont les « gaz à effet de serre », comme la vapeur d’eau (H₂0), le dioxyde de carbone (CO₂), le méthane (CH₄) et l’oxyde nitreux. Ils renvoient ensuite cette énergie vers la surface et l’espace. Ils réchauffent la basse atmosphère et la surface de la planète. Ce phénomène constitue l’effet de serre (EnSavoirPlus 1.1). Les gaz à effet de serre sont en très faible concentration dans l’atmosphère (de l’ordre du millionième ou du milliardième) par rapport aux gaz majoritaires (azote et oxygène), ce sont des « gaz traces ».
Sans effet de serre, la température moyenne à la surface de la Terre serait de -16°C alors qu’elle est en fait de + 15°C (Deconinck, 2006Deconinck J.-F., 2006 : Paléoclimats, l’enregistrement des variations climatiques. Vuibert, 198 p.). Cette température permet la présence d’eau à l’état liquide à la surface, ce qui rend la planète idéale pour la vie. Plus les concentrations dans l’air des gaz à effet de serre sont élevées, plus l’énergie est conservée à la surface de la planète et donc plus l’atmosphère se réchauffe. Leur concentration joue un rôle primordial sur le climat.