Effet de serre et absorption atmosphérique

Comment la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone et d'autres gaz absorbent et réémettent le rayonnement thermique, réchauffant la surface au-delà de sa température d'équilibre radiatif.

Definition

L'effet de serre est le réchauffement de la surface d'une planète causé par des gaz atmosphériques qui sont transparents au rayonnement solaire entrant mais absorbent et réémettent le rayonnement thermique sortant, élevant la température de surface au-dessus de la valeur déterminée par le seul chauffage solaire.

Scope

Ce sujet couvre les bases physiques de l'effet de serre : l'absorption et l'émission de rayonnement à ondes longues par les gaz moléculaires, les bandes spectrales dans lesquelles ils agissent, et la manière dont le niveau d'émission effectif de l'atmosphère contrôle la température de surface. Il aborde les rôles de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone, du méthane, de l'oxyde nitreux et de l'ozone, le concept de forçage radiatif résultant des changements de leurs concentrations, ainsi que les effets de saturation et de chevauchement de bandes qui régissent la relation entre le forçage et la concentration.

Core questions

• Pourquoi certains gaz sont-ils des absorbeurs efficaces de rayonnement thermique tandis que d'autres ne le sont pas ?
• Comment l'effet de serre élève-t-il la température de surface au-dessus de l'équilibre radiatif ?
• Comment le forçage radiatif évolue-t-il à mesure que la concentration d'un gaz à effet de serre augmente ?
• Quelles sont les contributions relatives de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone ?

Key theories

Niveau d'émission effectif

Les gaz à effet de serre élèvent l'altitude à partir de laquelle la planète rayonne efficacement vers l'espace, et comme ce niveau est plus froid que la surface, la surface doit se réchauffer pour émettre suffisamment d'énergie afin d'équilibrer le rayonnement solaire entrant.

Forçage logarithmique du dioxyde de carbone

Étant donné que les bandes d'absorption centrales du dioxyde de carbone sont presque saturées, son forçage radiatif augmente approximativement avec le logarithme de la concentration, de sorte que chaque doublement ajoute une quantité de forçage similaire.

Mechanisms

Les molécules dotées des transitions vibrationnelles et rotationnelles appropriées absorbent le rayonnement infrarouge sortant et le réémettent dans toutes les directions, y compris vers la surface ; cela élève l'altitude à laquelle le rayonnement s'échappe finalement vers l'espace, et comme la température diminue avec l'altitude dans la troposphère, la surface se réchauffe jusqu'à ce que le niveau d'émission plus froid rayonne suffisamment pour équilibrer le rayonnement solaire absorbé. L'ajout de gaz supplémentaires épaissit la couche absorbante et déplace le niveau d'émission plus haut et plus froid, augmentant ainsi le forçage.

Clinical relevance

Le forçage radiatif dû à l'augmentation du dioxyde de carbone, du méthane et d'autres gaz à effet de serre est le moteur physique direct du changement climatique d'origine anthropique, rendant ce mécanisme essentiel à la compréhension et à la projection du réchauffement climatique.

Evidence & guidelines

Le sixième rapport d'évaluation du GIEC quantifie le forçage radiatif effectif de chaque gaz à effet de serre majeur et attribue la part dominante du réchauffement observé depuis l'ère préindustrielle à ces gaz.

History

Tyndall a démontré au XIXe siècle que la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone absorbent le rayonnement thermique, et Arrhenius a réalisé la première estimation quantitative du réchauffement dû au doublement du dioxyde de carbone ; la spectroscopie et la modélisation radiative-convective du XXe siècle ont affiné ces idées pour aboutir à la théorie quantitative moderne du forçage radiatif.

Debates

Allégations historiques de saturation des bandes

Les premières objections selon lesquelles l'absorption du dioxyde de carbone était déjà saturée ont été résolues en reconnaissant que l'ajout de gaz élève le niveau d'émission froid, de sorte que le forçage continue d'augmenter plutôt que de plafonner.

Key figures

• Svante Arrhenius
• John Tyndall
• Raymond Pierrehumbert
• Syukuro Manabe

Seminal works

• arrhenius1896
• pierrehumbert2010

Frequently asked questions

Quel gaz contribue le plus à l'effet de serre ?

La vapeur d'eau est le principal contributeur global, mais elle agit comme une rétroaction qui réagit à la température, tandis que le dioxyde de carbone est le principal gaz à longue durée de vie que les humains augmentent.

Pourquoi le dioxyde de carbone est-il toujours important si ses bandes sont presque saturées ?

L'ajout de dioxyde de carbone élève l'altitude à partir de laquelle la planète rayonne vers l'espace à un niveau plus froid, de sorte que l'effet de réchauffement continue de croître à chaque doublement de la concentration.