L’atmosphère
La Terre est entourée d’une enveloppe gazeuse, l’atmosphère. L’essentiel des phénomènes atmosphériques affectant le climat a lieu dans la
troposphère, la couche au contact de la surface. La
stratosphère joue aussi un rôle au niveau du
bilan radiatif, en situation normale par l’absorption des UV par l’ozone, mais aussi en présence d’aérosols de sulfates (injectés dans la stratosphère lors d’éruptions volcaniques majeures). Ces aérosols jouent un rôle de parasol, renvoyant vers l’espace une partie de la lumière solaire. La stratosphère est stratifiée en température, d’où son nom.
La troposphère est marquée par une forte variation verticale de températures, due au fait que l’essentiel des transferts thermiques qu’elle reçoit provient de la surface terrestre, qui la lui transmet :
- par conduction thermique et transport de matière ;
- par rayonnement infrarouge que certains constituants de la troposphère vont absorber en grande partie ;
- par échange thermique lors des changements d’état de l’eau : celle-ci reçoit de l’énergie de liaison lorsqu’elle s’évapore à la surface des océans et la cède à l’air lorsqu’elle se liquéfie en gouttelettes ou se condense en cristaux de glace.
La troposphère est brassée par un
système de vents dont le moteur est thermique. Son fonctionnement est très conditionné par la rotation
de la Terre, et notamment par son relief.
La circulation atmosphérique
Les alizés sont des vents très réguliers venant du nord-est dans l’hémisphère Nord et du sud-est dans l’hémisphère Sud. Très chauds, très secs à l’origine, ils se chargent d’humidité sur leurs longs parcours océaniques. Ils convergent dans la zone équatoriale où leur apport en mouvement, en chaleur et en humidité, procure à l’air l’énergie nécessaire pour se soulever par
convection humide jusqu’à la tropopause à 15 km d’altitude, générant des
précipitations intenses. À 15 km d’altitude, ces masses d’air largement asséchées divergent vers le nord et le sud pour finir, vers 30° de latitude, par redescendre et donc se réchauffer et voir leur humidité relative diminuer fortement, ce qui explique la présence des grands déserts dans les deux hémisphères. Les alizés sont déviés vers l’ouest par la «
force de Coriolis » (voir schéma ci-dessous), qui traduit le fait que le mouvement se fait sur un corps en rotation.
La troposphère concentre presque tous les phénomènes atmosphériques qui agissent
sur le climat. © StockTrek
Pour mieux comprendre
Courants océaniques de surface. © DR
La force de Coriolis
- Mouvement prévisible de la balle
- Mouvement réel vu par le personnage blond sur le plateau
Dans un système de référence en rotation, les corps en
mouvement apparaissent sujets à une force perpendiculaire à la direction
de leur mouvement. Cette force est appelée force de Coriolis. Prenons
par exemple un plateau en rotation sur lequel deux enfants se tiennent
debout. L’un d’eux doit lancer un ballon à son ami. En raison de la
rotation du plateau, son ami ne récupère pas le ballon, car celui-ci est
dévié par une force perpendiculaire à la direction de son mouvement.
(expérience visible au Palais de la Découverte - Paris) Les autres latitudes sont aussi le siège de cellules de convection (voir ci-dessous le schéma sur le
fonctionnement de la circulation atmosphérique) : cellules de Ferrel aux moyennes latitudes, cellules polaires aux hautes latitudes. Dans les moyennes latitudes, ces diverses cellules sont à l’origine des vents d’ouest de surface et des jet streams à haute altitude. La circulation est fortement modulée par les ondes de Rossby, conséquences de la variation de la force de Coriolis avec la latitude. Les instabilités atmosphériques génèrent les successions de systèmes dépressionnaires qui balayent nos régions.
Les divers phénomènes météorologiques se produisant au sein de l’atmosphère (vents, transports, précipitations, nébulosité…) sont évidemment acteurs du climat. Les nuages qui peuvent absorber ou réfléchir les rayonnements solaires et telluriques jouent un rôle fondamental comme régulateur ou comme amplificateur de l’effet de serre, selon leur structure ou leur altitude.
Les composantes du système interagissent constamment. Ainsi, les vents sont le moteur des grands courants marins, dont les caractéristiques sont aussi conditionnées par la topographie du bassin océanique et par la rotation de la Terre.
Fonctionnement de la circulation atmosphérique moyenne. © DR
Les grands courants qui entraînent l’eau océanique mettent en jeu une énergie cinétique considérable, principalement concentrée en surface © PhotoDisc
L'océan
L’océan est un grand réservoir d’eau salée dont la surface couvre 70 % de la Terre, et dont la profondeur moyenne est de 3,7 km.
La circulation océanique
La salinité et la température de l’eau varient d’un point à l’autre. Les masses d’eau circulent dans l’océan mondial en se mélangeant très peu les unes aux autres. De ce fait, leur température et leur salinité évoluent très lentement et servent aux océanographes pour tracer la provenance de ces masses d’eau.
L’eau océanique est entraînée dans de grands courants qui mettent en jeu une énergie cinétique considérable. L’essentiel de cette énergie se trouve dans les courants de surface (généralement moins d’un kilomètre d’épaisseur), dont le moteur est le vent. Chaque grand bassin océanique est le siège d’un courant tournant (à cause de la force de Coriolis) le long de son pourtour : dans le sens des aiguilles d’une montre dans l’hémisphère Nord, dans le sens inverse dans l’hémisphère Sud. Un courant important, également causé par le vent, fait le tour du continent antarctique.
La circulation thermohaline
(source : rapport 2001 du GIEC)
La salinité et la température de l’eau étant variables, il en résulte des différences de densité d’une masse d’eau à l’autre. Ces différences sont la cause d’une autre circulation, profonde, appelée
circulation thermohaline. Dans la mer de Norvège, mais aussi autour de l’Antarctique, les eaux deviennent très froides. Une partie de l’eau gèle (vers - 1,8 °C) pour donner la glace de mer (banquise), et, ce faisant, expulse une partie de son sel, ce qui augmente la salinité de l’eau liquide. Il en résulte une eau très salée et très froide, donc très dense, qui va plonger vers le fond de l’océan.
Cette eau va ensuite parcourir un grand périple au fond de l’ensemble de l’océan mondial. Des remontées d’eau froide profonde se produisent par la diffusion vers les masses plus chaudes ou causées par le vent sur certains bords de côtes ou dans la zone équatoriale. Ces eaux se réchaufferont vers la surface ; elles seront prises par la circulation de surface et finalement ramenées dans les zones de formation d’eau profonde, après un périple pouvant durer 1 000 ans.