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Climat : qu’est-ce que l’équilibre radiatif-convectif ?

Crédits : NASA / CERES.

Les températures agréablement modérées du climat de notre planète sont-elles simplement dues à la présence d’un effet de serre naturel, comme on l’entend souvent ? Dans cet article, nous verrons que les calculs prenant en compte ce seul terme amènent à un monde beaucoup plus chaud que celui observé. Quel est l’élément modérateur fondamental qui permet de réconcilier ce résultat avec les observations ?

On explique fréquemment que sans effet de serre naturel – dû à la présence de gaz minoritaires tels que la vapeur d’eau, le CO2 etc. -, la température moyenne du globe serait de l’ordre de -18 °C. Et ce, contre 14 °C à 15 °C actuellement. Aussi, il est coutume de dire que l’effet de serre naturel nous protège du grand froid en rendant la Terre plus chaude d’une trentaine de degrés.

Toutefois, ce seul effet a en réalité un pouvoir réchauffant bien plus élevé. Aussi, les calculs purement radiatifs montrent qu’il permettrait à la température de surface de facilement dépasser les 35 °C en moyenne planétaire. Autrement dit, un écart supérieur à 50 °C par rapport aux -18 °C évoqués précédemment. A contrario, les conditions seraient nettement plus froides à haute altitude. Alors, pourquoi n’observe-t-on pas une telle structuration des températures dans la réalité ?

climat convection
Profil thermique vertical de l’atmosphère dans le cadre de l’équilibre radiatif (bleu) et radiatif-convectif (rouge et violet). Le cas humide (convection orageuse, courbe violette) est celui qui réajuste le plus le profil. Les calculs sont ici simplifiés. Crédits : P. Tremblin & al. 2019.

Le rôle-clé de la convection dans notre climat

Le fait est que l’atmosphère joue un rôle modulateur double. Elle nous protège du grand froid par son effet de serre mais également de la chaleur excessive qui résulterait directement de ce dernier. L’élément modérateur qui entre ici en jeu est très familier. Il s’agit de la convection atmosphérique. En particulier, celle des violents brassages verticaux portés par les cumulonimbus et retrouvés quotidiennement en région tropicale.

Dès que l’écart thermique entre la surface et l’atmosphère supérieure dépasse une certaine valeur, des mouvements convectifs se déclenchent. L’air chaud est alors évacué en altitude et l’air froid rabattu en surface, réduisant l’écart initial. Pour la convection orageuse, cette valeur critique se situe autour de 6,5 °C par kilomètre. Lorsqu’elle est excédée, un brassage vertical se déclenche – lequel cherche à rappeler le différentiel thermique vers cette valeur.

En conclusion, la température relativement agréable de notre planète n’est pas une simple conséquence de l’effet de serre naturel (modèle purement radiatif). Elle est l’expression d’un équilibre complexe que l’on appelle équilibre radiatif-convectif. Fondamentalement, l’existence de ce dernier tient au fait que le fluide atmosphérique est capable de se mouvoir. Ce faisant, il limite l’espace des solutions définissant les contrastes thermiques physiquement possibles. Ouf !

Source : Global Physical Climatology, Dennis Hartmann.