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Sans convection atmosphérique, la Terre serait une véritable étuve !

Crédits : Wikimedia Commons.

À l’origine de phénomènes météorologiques souvent redoutés tels que les orages ou les cyclones tropicaux, la convection atmosphérique joue néanmoins un rôle majeur dans la régulation du climat global. Ainsi que nous le verrons dans cet article, sans elle, le paysage de la Terre serait plus proche d’une étuve que du milieu agréablement tempéré que nous lui connaissons. 

On explique souvent que sans l’effet de serre naturel dû à la vapeur d’eau, au CO2, etc. la température moyenne de la Terre ne serait pas de 15 °C, comme c’est le cas actuellement, mais avoisinerait plutôt les -18 °C. Néanmoins, il s’agit là d’une température calculée toutes choses égales par ailleurs. Or, en réduisant l’effet de serre à néant, le visage du globe deviendrait rapidement très différent et toutes choses ne resteraient pas égales par ailleurs. Aussi, la température planétaire plongerait en fait à un niveau bien plus bas, mais dont la valeur reste difficile à estimer avec précision.

L’effet modérateur de la convection atmosphérique

Un second point qu’il convient de mentionner concerne l’écart entre les deux chiffres. L’effet de serre, explique-t-on souvent, nous réchauffe d’une trentaine de degrés en faisant passer la température mondiale de -18 °C à environ 15 °C. En disant cela, on oublie cependant l’influence majeure de la convection atmosphérique. Sans cette dernière, le climat à la surface du globe serait en réalité invivable pour la très grande majorité des espèces, la température moyenne mondiale pouvant facilement atteindre les 40 °C. Par conséquent, l’effet de serre ne réchauffe pas d’une trentaine de degrés, mais plutôt d’une cinquantaine. Ce chauffage intense se trouve heureusement modéré par les mouvements verticaux de l’atmosphère.

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Orages au-dessus du Brésil, capturés depuis l’espace par un astronaute. Crédits : Wikimedia Commons.

Ainsi, de simples considérations radiatives nous amènent à la conclusion que l’effet de serre permettrait à la température de surface d’être beaucoup plus chaude que celle que nous observons et à la température en altitude d’être beaucoup plus froide. Si tout était statique, le profil thermique vertical serait donc marqué par une décroissance très rapide. Néanmoins, l’atmosphère est un fluide, donc capable de se mouvoir. Par conséquent, à partir d’un certain taux de décroissance verticale, des circulations convectives se mettent en place.

Dans les conditions de référence, cette valeur seuil est de – 9,8 °C par kilomètre. Chaque fois qu’un gradient plus élevé apparaît, l’air se met en mouvement de sorte à rejeter la chaleur en altitude et rabattre le froid en surface. Le rappel vers la valeur-limite est si rapide et efficace que l’on observe difficilement des gradients verticaux plus marqués. Et lorsqu’ils surviennent, ils se concentrent la plupart du temps dans une couche très mince en contact direct avec le sol durant les chaudes journées d’été. Pour décrire cette instabilité et le rappel associé, on parle de convection sèche.

Un mode convectif humide encore plus efficace

Sur Terre, la présence de l’eau sous ses trois phases accentue les processus de convection. En effet, lorsque l’air s’élève, la vapeur d’eau qu’il contient peut se condenser en gouttelettes et cristaux de glace. Ce faisant, de la chaleur latente est libérée et permet à l’air de rester anormalement chaud plus longtemps. Dans ces conditions, l’atmosphère est plus facilement instable et des mouvements se mettent en place à partir d’un gradient vertical plus faible, de l’ordre de – 6,5 °C par kilomètre. Le supplément de chaleur libéré en altitude et le supplément de refroidissement associé en surface dictent ainsi une décroissance thermique verticale plus lente que celle trouvée en atmosphère sèche.

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Profil thermique vertical de l’atmosphère dans le cadre de l’équilibre radiatif (bleu) et radiatif-convectif (sec : rouge, humide : violet). Le cas humide (convection orageuse) est celui qui réajuste le plus le profil thermique vertical. Crédits : P. Tremblin & coll. 2019.

Comme la condensation de l’eau se produit à une certaine distance du sol, notre atmosphère organise un gradient thermique vertical sec sur le premier kilomètre, répondant au mécanisme de convection sèche. Au-delà, c’est un gradient thermique vertical humide qui prévaut, répondant au mécanisme de convection humide (orages, averses, etc.). Ce raisonnement de premier ordre décrit très bien la structure du monde tropical comme celle de la saison chaude. Pour la saison froide, en particulier aux latitudes extratropicales, des mécanismes supplémentaires participent à réguler le gradient vertical. Citons entre autres les dépressions baroclines et autres ondes de Rossby atmosphériques.

En résumé, l’atmosphère terrestre 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. La température relativement agréable de notre planète est ainsi l’expression d’un équilibre fin, mais complexe que l’on appelle équilibre radiatif-convectif. Pensez-y la prochaine fois que vous vous retrouvez sous une averse ou un orage : c’est un mal pour un bien !

Sources : Atmospheric convection, Kerry A. Emanuel / Atmosphere-Ocean Dynamics, Adrian Gill / Nouveau climat sur la Terre : comprendre, prédire, réagir, Hervé Le Treut.