Bilan de l'énergie terrestre

Afin de meux documenter le dossier que je rédige sur les fluctuations climatiques de notre environnement, je fais ici le bilan thermique de notre planète en détaillant les mécanismes en jeu dans ce bilan.

Dans ce qui suit, je vais étudier le bilan énergétique de notre planète et essayer de voir pourquoi elle a eu depuis les 10,000 dernières années un climat si propice à la vie. Je commence par l'étude du rayonnement solaire et de ses fluctuations, rayonnement qui ne saurait maintenir des conditions favorables à l'expansion de l'humanité que l'on connait sans le phénomène de l'effet de serre. Pourtant, c'est cet effet de serre et l'accumulation croissante du CO2 généré par les humains qui provoque des inquiétudes pour le futur.

Le rayonnement solaire

Notre planète reçoit son énergie des corps célestes l'environnant sous forme de radiation électromagnétique dont la plus importante contribution provient de la radiation solaire: la lumière que nous voyons est formée de ce rayonnement. Le rayonnement auquel nos yeux sont sensibles ne représente cependant qu'une petite portion du rayonnement que l'on reçoit du Soleil: il y a aussi de la radiation UV, infrarouge et radio. La Terre reçoit l'énergie du Soleil, mais elle en perd également sous forme de rayonnement, en absorbe en la transformant en chaleur et en réfléchit beaucoup vers l'espace comme illustré à la Figure 1

Figure 1 - Illustration du bilan énergétique de la terre
[L'Atmosphère]
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La radiation solaire est de 63 Méga Watts/m2 à la surface du soleil. Sur cette énergie émise par le Soleil il en arrive 1368 W/m2 (constante solaire) en moyenne au sommet de l'atmosphère entre l'équateur et les tropiques donc en moyenne globale l'énergie reçue à la surface de la Terre est de 1368/4 W/m2, soit 342.W/m2. Cette valeur est modulée annuellement par la variation de la distance Terre-Soleil (orbite terrestre elliptique). La valeur maximale de la radiation solaire est d'environ 1415 W/m² au solstice d'été soit en juin et la valeur minimale de 1326 W/m² au solstice d'hiver soit en décembre à laquelle il faut ajouter une incertitude de 10 W/m². Sur les 342 W/m2 que la Terre reçoit du Soleil seul 160 W/m2 atteint le sol alors que 102 W/m2 sont réfléchis (82 W/m2 par l'atmosphère et 20 W/m2 par la surface terrestre) et 80 W/m2 sont absorbés par l'ozone de la stratosphère, la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone de la troposphère. Pour que la Terre atteigne une température de 15°C, il faudrait 490 W/m2. Les 330 W/m2 manquants sont fournis par l'atmosphère et constituent ce que l'on appelle l'effet de serre.

Variations de l'activité solaire

Source ultime de 99,97% des flux d'énergie qui traversent l'atmosphère de notre planète, l'énergie solaire qui nous arrive varie-t-elle ? Elle varie peu mais elle varie. En effet, déjà au moment de la formation de la terre, l'intensité lumineuse du soleil était de 20% inférieure à ce qu'elle est aujourd'hui. On peut donc penser qu'à mesure que l'astre vieillit, son intensité augmente. Cependant, il ne s'agit pas d'une augmentation monotone.

Il apparaît des variations périodiques qui ont été remarquées depuis la comparution de G. Galilei devant le Saint-office en 1633: il étayait la théorie de Copernic selon laquelle la terre n'était pas au centre du monde mais, en plus, il affirmait que le soleil n'était pas un corps parfait car des taches y apparaissaient périodiquement. Celles-ci indiquent comment le soleil tourne (il ne tourne pas comme un corps solide) sur lui-même, générant ainsi un champ magnétique intense (effet Zeeman) qui se manifeste par des taches solaires fréquentes qui apparaissent en groupe, qui affectent la quantité d'énergie émise par l'astre et par conséquent, le climat terrestre

Les astronomes français du XVIIe siècle (l'Abbé Picard, Ch. Huygens, ...) ont compris l'importance de longues séries d'observations et c'est pendant 70 ans qu'ils scrutent le soleil et observent que soleil connaît entre 1660 et 1671  et entre 1690 et 1700 (minimum de Maunder) un calme surprenant (environ 50 taches par année) qui correspond avec un minimum des températures observées en Europe. Il a fallu attendre en 1838 pour qu'un astronome amateur, H. Schwabe, remarque l'existence d'un cycle de onze ans dans l'apparition de taches solaires.

En fait, le Soleil connaît quatre cycles d'activités qui sont plus ou moins importants suivant la durée de cette activité. Ces variations de l'activité solaire ont été étudiées d'après l'analyse du carbone 14. Cet isotope se forme par l'action des rayons cosmiques sur l'azote atmosphérique. Plus le Soleil est actif plus le vent solaire empêche ces rayons cosmiques d'entrer dans l'atmosphère. Donc moins de C14 se forme. Il s'agit des cycles solaires de Schwabe (8-13 ans), de Gleissberg (80-90 ans), de Suess (150 ans) et celui d'Hallstadtzeit (2,300 ans). On peut trouver beaucoup plus de données sur ces cycles en consultant Voyage au coeur de la climatologie par William Fondevilla.

Depuis 4 siècles, deux fois le Soleil a eu une faiblesse, c'est à dire que la constante solaire a été moins importante. Les deux dernières périodes où l'activité du solaire a été plus faible (de 1795 à 1830 pendant le minimum de Dalton et de 1645 à 1715, lors du minimum de Maunder) coïncident avec une diminution des températures de l'hémisphère nord ainsi que celle de l'Optimum climatique médiéval (700-1300).

Depuis 1911 la constante solaire n'a pas cessé d'augmenter, et d'après des analyses informatiques des différents cycles solaires la constante solaire devrait augmenter jusqu'en 2030 pour chuter après. Ce qui à lui seul pourrait augmenter la température d'environ 0,35°C. ( d'après Damon et Jirikowic, 1992). Cependant, il est concevable qu'une augmentation durable de 0,3% de la luminosité solaire entre 1850 et 1950 explique une partie du réchauffement d'alors. Les mesures solaires de cette période n'ont pas la précision nécessaire pour décider cette question.

Effet de serre

Comme on l'a mentionné plus haut, pour que la Terre atteigne une température de 15°C, il faudrait qu'elle reçoive 490 W/m2 d'énergie solaire alors qu'elle n'en reçoit que 160. Les 330 W/m2 manquants sont fournis par l'atmosphère et constituent ce que l'on appelle l'effet de serre.

Les principaux gaz à effet de serre (GES) sont la vapeur d'eau (H2O), le dioxyde de carbone 2), le méthane (CH<4, l'oxyde nitreux (N2O), les oxydes d'azote (NOx), l'ozone (O3) et le monoxyde de carbone (CO):

L'atmosphère terrestre est constitué à 76.5% d'azote et 19.6% d'oxygène. Les gaz à effet de serre ne constituent que 1.04% des constituants atmosphériques mais leur effet est primordial sur le climat. Actuellement, l'effet de serre est surtout causé par la vapeur d'eau (54%) et le CO2 (40%). Le méthane et les autres gaz à effet de serre contribuent beaucoup moins car ils constituent une partie infime de notre atmosphère.

Contribution anthropique à l'effet de serre

Tableau I - Évolution de la population mondiale à travers les âges
Année Population mondiale
-10 000 1 à 10 millions
-6 500 5 à 10 millions
-5 000 5 à 20 millions
-200 150 à 231 millions
1 170 à 400 millions
200 190 à 256 millions
400 190 à 206 millions
600 200 à 206 millions
800 220 à 224 millions
1000 254 à 345 millions
1200 360 à 450 millions
1300 360 à 432 millions
1400 350 à 374 millions
1500 425 à 540 millions
1600 545 à 579 millions
1700 600 à 679 millions
1800 0,813 à 1,125 milliard
1850 1,128 à 1,402 milliard
1900 1,550 à 1,762 milliard
1910 1,750 milliard
1920 1,860 milliard
1930 2,07 milliards
1940 2.3 milliards
1950 2,519 milliards
1955 2,757 milliards
1960 3,023 milliards
1965 3,337 milliards
1970 3,696 milliards
1975 4,073 milliards
1980 4,442 milliards
1985 4,843 milliards
1990 5,279 milliards
1995 5,692 milliards
2000 6,085 milliards
2005 6,5 milliards
2012 7.0 milliards

Remontons six, sept ou même dix millions d'années en arrière. Les préhumains, qui vivaient  en Afrique tropicale, évoluaient dans la forêt. Les plus anciens sont ainsi à la fois bipèdes et arboricoles. Viennent ensuite des bipèdes exclusifs. Puis, aux environs de deux millions d'années à 800,000 ans en arrière, on commence à rencontrer des êtres appartenant au genre Homo. On passe donc d'êtres avec une capacité crânienne de 400 cm2 à des humains dotés de 800 cm2, des bipèdes capables de courir vite et pourvu d'une dentition omnivore.

Les humains ont passé le plus gros de leur temps (de -85,000 jusque vers -12,000 ans) sur la planète en tant que chasseurs-cueilleurs. Pendant cette période, ils ont combiné la viande résultant de la chasse avec les fruits provenant de la cueillette. Les humains étaient nomades, les sociétés étaient égalitaires et les ressources étaient partagées. Il y a environ 12,000 ans, ils ont découvert l'agriculture et la sédentarité et ainsi s'est développé le sens de la propriété.

Après avoir exploité sa propre force, puis celle des esclaves, des animaux et de la nature, l'homme a appris à exploiter les énergies contenues dans la nature et capables de lui fournir une quantité croissante de travail mécanique par l'emploi de machines. L'énergie est alors fournie par la réaction exo-thermique de la combustion, un processus qui met en jeux un combustible (bois, charbon, gaz naturel, pétrole) et un comburant (l'oxygène moléculaire O2) pour produire de l'énergie, de l'eau, du gaz carbonique (CO2)et d'autres débris.

Jusqu'à l'ère industrielle. la contribution de l'humanité à la production des gaz à effet de serre et au réchauffement climatique a été négligeable mais à ce moment là a débuté le harnachement massif des énergies fossiles aux fins de rencontrer les besoins croissants de l'humanité.  Au tout début, il s'agissait de remplacer le travail humain et animal par un travail mécanique basé sur la vapeur et le la combustion du charbon. Il y a eu ensuite le développement de la distribution d'électricité faite dans des centrales au charbon ou  à partir de centrales hydroélectriques.

À ce moment là, l'humanité semblait se diriger vers de plus hauts niveaux de population et de niveau de vie, tout au moins dans les sociétés occidentales. Les inventions se succédèrent introduisant les chemins de fer, le téléphone, l'électricité, le cinéma et des accessoires ménagers nombreux entraînant une hausse du niveau de vie. La science médicale, l'hygiène alimentaire et la distribution massive d'eau et de vivres ont aussi augmenté l'espérance de vie et du même coup ont contribué à une explosion de la population comme on peut le voir au Tableau I tiré d'un article intitulé "Population Mondiale" de l'Encyclopédie en ligne Wikipédia. On peut remarquer que s'il a fallu près de 12,000 ans pour que la population mondiale se chiffre à 1 milliard et un peu plus de 130 ans pour qu'elle arrive à 2 milliard, elle a ensuite doublé à tous les 40 ans.

Avec un peu plus de 6.5 milliards d'habitants sur la terre et un niveau de vie toujours croissant, les dépenses en énergie augmentent constamment. Que ce soit pour l'alimentation en électricité et en chauffage ou pour celle des moyens de transports, la combustion des matériaux fossiles demeure la source la plus importante d'énergie et de production de CO2.

Aujourd'hui, les émissions annuelles de CO2 par habitant vont de 20 tonnes aux États-Unis et 9 pour l'Union Européenne (6 seulement pour la France, grâce au nucléaire), à moins de 2 pour les pays du Tiers Monde. Contrairement à ce que l'on lit parfois, le problème n'est pas principalement dans la croissance des populations au Tiers Monde. Les pays pauvres à très forte croissance démographique tendent à rester pauvres, à avoir les plus faibles taux de développement et d'émission de CO2  ; les pays à forte croissance économique, comme la Chine, sont en voie de maîtriser leur démographie. Suivront-ils le modèle du gaspillage tous azimuts ?

L'augmentation anthropique de gaz à effet de serre dans l'atmosphère, susceptible de créer un réchauffement de la planète de plusieurs degrés au siècle prochain, constitue désormais un risque que plus personne n'ignore. Pourtant, la complexité du problème scientifique posé, conjuguée sans doute à l'importance des mesures économiques ou politiques qu'il serait ou sera nécessaire de prendre pour stabiliser la composition chimique de notre atmosphère, conduisent périodiquement à remettre en question la réalité de ce problème[Robert Kandel, "Risques et réalités du réchauffement climatique"].

Contribution du volcanisme

Avant de considérer la contribution de l'humanité à l'effet de serre, il faut mentionner que la composition de l'atmosphère peut être perturbée par des phénomènes naturels, le plus important d'entre tous pour ses effets sur le climat, étant le volcanisme. Une éruption volcanique de forte ampleur peut influencer le climat d'une façon importante pour plusieurs années. Bien que les éruptions elles-mêmes ne soient cependant pas prévisibles, on peut avoir une idée de leur effet sur le climat. Une bonne partie de la poussière et des particules montent jusqu¹à la stratosphère, à 20.km d'altitude et même parfois à plus de 50.km. A ces altitudes, les vents sont forts et le gaz peut faire souvent plusieurs fois le tour de la planète. Comme la stratosphère est stable et les mouvements verticaux réduits, les gaz éjectés peuvent y rester pendant plusieurs années. La cendre qui a été envoyée dans l'atmosphère tombe graduellement de la haute stratosphère stable, et aide à augmenter la création des nuages et des précipitations dans l'atmosphère inférieure. Mais ce n'est pas la cendre qui a le plus d'effet sur le climat.

Quand le dioxyde de soufre éjecté dans la stratosphère se mélange avec la vapeur d'eau de l'atmosphère, alors ce gaz se transforme en acide sulfurique liquide (H2S04) et devient ce qu'on appelle un "aérosol", c'est-à-dire de fines gouttelettes de quelques dixièmes de microns de diamètre. Ces aérosols d'acide sulfurique, absorbent et réfléchissent vers l'espace le rayonnement solaire, alors un réchauffement a lieu dans la stratosphère il peut atteindre quelques degrés au plus fort de la couche. Puis la température de la troposphère a tendance à baisser comme ce fut le cas lors de beaucoup d'éruptions. Et parfois cela peut durer 2 à 3.ans après l'éruption. De façon générale, il y a une réduction nette de 5 à 10% de l'énergie reçue sur la surface de la Terre. Alors la température peut baisser de 0,10°C à 1°C parfois. Le refroidissement climatique déclenché par ces éruptions serait toujours initialement décelé sous les tropiques, peu après l'éruption. Puis il se propagerait ensuite aux latitudes moyennes au cours des années suivantes.

Discussion

Comme on a pu le constater dans ce qui précède, la Terre reçoit de l'énergie des corps célestes qui l'entourent, principalement du Soleil, et en rejette par rayonnement. Le reste est absorbé de diverses manières et transformé en chaleur. L'effet de serre est un phénomène ineluctable et la part de la contribution anthropique est indiscutable. La population a augmenté de façon exponentielle depuis plus de 100 ans et l'amélioration du niveau de vie ajoute à cette croissance. Est-ce la principale raison de du réchauffement climatique? Je crois que oui quoique certains soient d'une opinion contraire.

Annexes

Références

  1. Cours de thermodynamique - Un cours de thermodynamique, cette partie de la physique qui traite des relations permettant de déterminer formellement les échanges (variations) d'énergie sous forme de travail mécanique et de chaleur dans le cadre de l'étude de transformations des 4 états de la matière (mais principalement des gaz parfaits dans le cadre scolaire) sous la base d'hypothèses simplificatrices entre un système (isolé, ouvert ou fermé) et son environnement extérieur.
  2. L'atmosphère et l'énergie -
  3. Les facteurs climatiques - Cet article très détaillé
  4. Encyclopédie de l'Agora/Entropie - La thermodynamique a pour objet les effets du travail, de la chaleur et de l’énergie sur un système. C’est, on s’en doute bien, après l’invention de la machine à vapeur que cette branche de la physique s’est développée. L'entropie est une des notions importante de la thermodynamique.
  5. Risques de réchauffement climatique par Robert Kandell;


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