Worldlex Wiki L'emballement de l'effet de serre est souvent modélisé en considérant la vapeur d'eau comme l'espèce condensable. Cette vapeur d'eau atteint la stratosphère et s'échappe dans l'espace par effet hydrodynamique , entraînant la dessiccation de la planète. Ce phénomène s'est probablement produit au début de l'histoire de Vénus .
Une étude de 2012 sur le changement climatique a indiqué que « la Terre absorbe actuellement environ 240 W m⁻² de rayonnement solaire . L'augmentation de la concentration de dioxyde de carbone entraînera un réchauffement de la surface, à flux thermique sortant constant. Selon cette théorie, nous ne sommes pas proches du seuil d'un emballement de l'effet de serre. Cependant, le comportement des atmosphères chaudes et riches en vapeur d'eau est encore mal compris, et une étude approfondie de ces phénomènes est nécessaire. »
Cependant, les auteurs ont averti que « notre compréhension de la dynamique, de la thermodynamique, du transfert radiatif et de la physique des nuages des atmosphères chaudes et humides est faible », et que nous « ne pouvons donc pas complètement exclure la possibilité que les actions humaines puissent provoquer une transition, sinon vers un emballement complet, du moins vers un état climatique beaucoup plus chaud que l'état actuel ».
Un emballement de l'effet de serre semblable à celui de Vénus semble pratiquement impossible à provoquer par les activités humaines . Un article de 2013 concluait qu'un tel emballement « pourrait en théorie être déclenché par une augmentation du forçage radiatif », mais que « les émissions anthropiques sont probablement insuffisantes ». Des conditions similaires à celles de Vénus sur Terre nécessiteraient un forçage radiatif important et durable, peu susceptible de se produire avant que la luminosité du Soleil n'augmente de quelques dizaines de pour cent, ce qui prendra quelques milliards d'années. La Terre devrait connaître un emballement de l'effet de serre « dans environ 2 milliards d'années, à mesure que la luminosité solaire augmentera ».
Bien que le terme ait été initialement employé par Andrew Ingersoll, scientifique du Caltech, dans un article décrivant un modèle de l'atmosphère de Vénus l'idée d'une limite au rayonnement infrarouge sortant terrestre a été publiée par George Simpson en 1927 La physique de ce qui sera plus tard appelé l'emballement de l'effet de serre a été étudiée par Makoto Komabayashi à l'Université de Nagoya . En supposant une stratosphère saturée en vapeur d'eau, Komabayashi et Ingersoll ont calculé indépendamment la limite du rayonnement infrarouge sortant qui définit l'emballement de l'effet de serre. Cette limite est aujourd'hui connue sous le nom de limite de Komabayashi-Ingersoll , en reconnaissance de leurs contributions
Physique
Un emballement de l'effet de serre se produit lorsque les gaz à effet de serre s'accumulent dans l'atmosphère par un cycle de rétroaction positive à tel point qu'ils bloquent considérablement la chaleur rayonnée qui s'échappe dans l'espace, augmentant ainsi considérablement la température de la planète.
L'emballement de l'effet de serre est souvent formulé en fonction de la variation de la température de surface d'une planète selon la quantité de lumière stellaire reçue. Si l'on suppose que la planète est en équilibre radiatif , l'emballement de l'effet de serre correspond à l'état d'équilibre où l'eau ne peut exister à l'état liquide. La vapeur d'eau s'échappe alors dans l'espace par échappement hydrodynamique . À l'équilibre radiatif, le rayonnement infrarouge sortant d'une planète (OLR) doit compenser le flux de lumière stellaire entrant.
La loi de Stefan-Boltzmann est un exemple de boucle de rétroaction négative qui stabilise le système climatique d'une planète. Si la Terre recevait davantage de rayonnement solaire, il en résulterait un déséquilibre temporaire (plus d'énergie entrante que sortante) et un réchauffement. Cependant, la réponse de Stefan-Boltzmann implique que cette planète plus chaude émette davantage d'énergie, ce qui finit par établir un nouvel équilibre radiatif et maintenir la température à sa nouvelle valeur plus élevée. Les rétroactions positives amplifient les changements du système climatique et peuvent déstabiliser le climat. L'augmentation de température due aux gaz à effet de serre, qui entraîne une hausse de la vapeur d'eau (elle-même un gaz à effet de serre) et un réchauffement supplémentaire, constitue une rétroaction positive, mais pas un emballement de l'effet de serre sur Terre. Les rétroactions positives sont fréquentes (par exemple, la rétroaction glace-albédo ), mais leur présence n'entraîne pas nécessairement un emballement de l'effet de serre. Bien que l'eau joue un rôle majeur dans ce processus, l'emballement de l'effet de serre n'est pas dû à la rétroaction de la vapeur d'eau .
L'emballement de l'effet de serre peut être vu comme une limite au rayonnement infrarouge sortant d'une planète. Lorsque cette limite est dépassée, l'eau ne peut plus exister à l'état liquide (les océans s'évaporent alors complètement). Le rayonnement infrarouge sortant d'une planète est limité par cette eau évaporée, qui constitue un gaz à effet de serre efficace et bloque le rayonnement infrarouge supplémentaire à mesure qu'elle s'accumule dans l'atmosphère. En supposant l'équilibre radiatif, les limites de l'emballement de l'effet de serre sur le rayonnement infrarouge sortant correspondent aux limites de l'augmentation du flux stellaire reçu par une planète pour déclencher cet emballement. Deux limites du rayonnement infrarouge sortant d'une planète ont été calculées et correspondent au déclenchement de l'emballement de l'effet de serre : la limite de Komabayashi-Ingersoll et la du transfert radiatif qui ne tient pas compte de la dépendance fréquentielle de l'absorption par un gaz. Dans le cas d'une stratosphère ou atmosphère grise, l' approximation d'Eddington peut être utilisée pour calculer les flux radiatifs. Cette approche se concentre sur l'équilibre entre le rayonnement sortant de grandes longueurs d'onde à la tropopause , λ<sub>t</sub> , et l' épaisseur optique de la vapeur d'eau, δ<sub>w </sub>, dans la tropopause, qui est déterminée par la température et la pression à la tropopause, en fonction de la pression de vapeur saturante . Cet équilibre est représenté par les équations suivantes : la première équation représente la condition d'équilibre radiatif à la tropopause et la seconde équation représente la quantité de vapeur d'eau présente à la tropopause. En considérant le rayonnement sortant de grandes longueurs d'onde comme un paramètre libre, ces équations ne se croisent qu'une seule fois pour une valeur unique de ce rayonnement, cette valeur étant considérée comme la limite de Komabayashi-Ingersoll. À cette valeur, la rétroaction de Stefan-Boltzmann cesse car la température troposphérique nécessaire au maintien de la valeur du rayonnement sortant de grandes longueurs d'onde de Komabayashi-Ingersoll induit une épaisseur optique de vapeur d'eau qui bloque le rayonnement sortant de grandes longueurs d'onde nécessaire au refroidissement de la tropopause.
La limite de Simpson-Nakajima est inférieure à la limite de Komabayashi-Ingersoll et, de ce fait, est généralement plus réaliste quant à la valeur à partir de laquelle une planète entre dans un état d'emballement de l'effet de serre. Par exemple, avec les paramètres utilisés pour déterminer une limite de Komabayashi-Ingersoll de 385 W/m² , la limite de Simpson-Nakajima correspondante n'est que d'environ 293 W/m² . [ limite de Simpson-Nakajima s'appuie sur la dérivation de la limite de Komabayashi-Ingersoll en supposant une troposphère convective dont la température et la pression de surface déterminent l'épaisseur optique et le rayonnement infrarouge sortant à la tropopause.
La limite de serre humide
Le modèle utilisé pour établir la limite de Simpson-Nakajima (une stratosphère grise en équilibre radiatif et une troposphère convective) permet de déterminer la concentration en eau en fonction de l'altitude. Il peut donc également servir à déterminer la température de surface (ou, inversement, le flux stellaire) qui induit un fort taux de mélange d'eau dans la stratosphère. Bien que cette valeur critique du rayonnement infrarouge sortant soit inférieure à la limite de Simpson-Nakajima, elle a néanmoins des conséquences importantes sur le climat d'une planète. Un fort taux de mélange d'eau dans la stratosphère compenserait les effets d'un piège froid et créerait une stratosphère « humide », ce qui entraînerait la photolyse de l'eau et, à son tour, la destruction de la couche d'ozone et, à terme, une perte d'eau considérable par échappement hydrodynamique. Cet état climatique a été surnommé l'effet de serre humide, car l'état final est une planète sans eau, bien que de l'eau liquide puisse exister à la surface de la planète pendant ce processus.
Lien avec l'habitabilité
Le concept de zone habitable est utilisé par les planétologues et les astrobiologistes pour définir une région orbitale autour d'une étoile où une planète (ou une lune) peut abriter de l'eau liquide. Selon cette définition, la limite interne de la zone habitable (c'est-à-dire le point le plus proche d'une étoile auquel une planète peut se trouver avant que l'eau liquide ne puisse plus s'y maintenir) est déterminée par le seuil de rayonnement infrarouge sortant au-delà duquel l'emballement de l'effet de serre se produit (par exemple, la limite de Simpson-Nakajima). En effet, la distance d'une planète à son étoile détermine le flux lumineux qu'elle reçoit, ce qui détermine à son tour la quantité de rayonnement infrarouge sortant qu'elle émet vers l'espace. Bien que la zone habitable interne soit généralement déterminée à l'aide de la limite de Simpson-Nakajima, elle peut également l'être par rapport à la limite de l'effet de serre humide, même si la différence entre les deux est souvent faible.
Le calcul de la limite intérieure de la zone habitable dépend fortement du modèle utilisé pour calculer la limite de Simpson-Nakajima, ou limite de l'effet de serre humide. Les modèles climatiques utilisés pour calculer ces limites ont évolué au fil du temps. Certains modèles supposent une atmosphère grise unidimensionnelle simple, tandis que d'autres utilisent une solution complète de transfert radiatif pour modéliser les bandes d'absorption de l'eau et du dioxyde de carbone. Ces premiers modèles, qui utilisaient le transfert radiatif, ont dérivé les coefficients d'absorption de l'eau de la base de données HITRAN , tandis que les modèles plus récents utilisent la base de données HITEMP, plus actuelle et plus précise, ce qui a conduit à des valeurs calculées différentes pour les limites du rayonnement thermique. Des calculs plus précis ont été effectués à l'aide de modèles climatiques tridimensionnels qui prennent en compte des effets tels que la rotation planétaire, les rapports de mélange locaux de l'eau et les rétroactions des nuages. L'effet des nuages sur le calcul des limites du rayonnement thermique fait encore débat (en particulier, la question de savoir si les nuages d'eau présentent un effet de rétroaction positif ou négatif).
Emballement de l'effet de serre dans le système solaire
Vénus
Un emballement de l'effet de serre impliquant le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau s'est probablement produit sur Vénus . Dans ce scénario, Vénus primitive aurait pu abriter un océan global si le rayonnement thermique sortant était inférieur à la limite de Simpson-Nakajima mais supérieur à la limite de l'effet de serre humide. À mesure que la luminosité du jeune Soleil augmentait, la quantité de vapeur d'eau dans l'atmosphère augmentait, ce qui entraînait une hausse de la température et, par conséquent, une évaporation accrue de l'océan, aboutissant finalement à l'évaporation complète de celui-ci.
Ce scénario contribue à expliquer la faible teneur en vapeur d'eau de l'atmosphère vénusienne actuelle. Si Vénus s'est initialement formée avec de l'eau, l'emballement de l'effet de serre aurait hydraté sa stratosphère , et l'eau se serait échappée dans l'espace . Ce scénario est étayé par le rapport deutérium /hydrogène extrêmement élevé dans l'atmosphère de Vénus, environ 150 fois supérieur à celui de la Terre, car l'hydrogène léger s'échapperait plus facilement de l'atmosphère que son isotope plus lourd , le deutérium
Vénus est suffisamment chauffée par le Soleil pour que la vapeur d'eau puisse s'élever beaucoup plus haut dans l'atmosphère et se dissocier en hydrogène et en oxygène sous l'effet des rayons ultraviolets. L'hydrogène peut alors s'échapper de l'atmosphère tandis que l'oxygène se recombine ou se lie au fer présent à la surface de la planète. Le déficit en eau sur Vénus, dû à l'emballement de l'effet de serre, expliquerait pourquoi Vénus ne présente pas de caractéristiques de surface compatibles avec la tectonique des plaques, ce qui en ferait une planète à couvercle stagnant .
Le dioxyde de carbone, principal gaz à effet de serre de l'atmosphère vénusienne actuelle, doit sa concentration plus élevée à la faiblesse du recyclage du carbone par rapport à la Terre , où le dioxyde de carbone émis par les volcans est efficacement subduit dans la Terre par la tectonique des plaques sur des échelles de temps géologiques à travers le cycle carbonate-silicate , qui nécessite des précipitations pour fonctionner.
Terre
Les premières études sur l'influence des concentrations de dioxyde de carbone atmosphérique sur le seuil d'emballement de l'effet de serre ont montré qu'il faudrait des quantités de dioxyde de carbone considérablement plus élevées pour que la Terre atteigne ce seuil. En effet, le dioxyde de carbone est beaucoup moins efficace que l'eau pour bloquer le rayonnement infrarouge sortant. Selon les modèles actuels d'emballement de l'effet de serre, le dioxyde de carbone (en particulier le dioxyde de carbone d'origine anthropique) ne semble pas capable de fournir l'isolation nécessaire pour que la Terre atteigne la limite de Simpson-Nakajima.
Le débat persiste cependant quant à la capacité du dioxyde de carbone à faire grimper les températures de surface jusqu'à la limite de l'effet de serre humide. Le climatologue John Houghton écrivait en 2005 qu'« il est impossible que les conditions d'emballement de l'effet de serre [de Vénus] se produisent sur Terre ». Toutefois, le climatologue James Hansen affirmait dans son ouvrage *Storms of My Grandchildren * (2009) que la combustion du charbon et l'exploitation des sables bitumineux entraîneraient un emballement de l'effet de serre sur Terre. Une réévaluation en 2013 de l'effet de la vapeur d'eau dans les modèles climatiques a montré que le scénario avancé par James Hansen nécessiterait dix fois la quantité de CO₂ que nous pourrions libérer en brûlant tout le pétrole, le charbon et le gaz naturel présents dans la croûte terrestre.
Comme pour les incertitudes liées au calcul de la limite intérieure de la zone habitable, l'incertitude quant à la capacité du CO₂ à induire un effet de serre humide est due aux différences de modélisation et aux incertitudes qui en découlent. Le passage des listes de raies d'absorption HITRAN aux listes HITEMP, plus récentes, dans les calculs de transfert radiatif a montré que les seuils d'emballement de l'effet de serre précédemment estimés étaient trop élevés, mais que la quantité de dioxyde de carbone nécessaire rendrait improbable un état d'effet de serre humide d'origine anthropique. Des modèles tridimensionnels complets ont montré que le seuil d'effet de serre humide à la température de surface est supérieur à celui trouvé dans les modèles unidimensionnels et nécessiterait donc une quantité de dioxyde de carbone plus importante pour initier un tel effet.
D'autres complications incluent la question de savoir si l'atmosphère est saturée ou sous-saturée à un certain niveau d'humidité, des niveaux de CO 2 plus élevés dans l'atmosphère entraînant un réchauffement de la Terre moins important que prévu en raison de la diffusion de Rayleigh , et si les rétroactions des nuages stabilisent ou déstabilisent le système climatique.
Pour compliquer les choses, les recherches sur l'histoire climatique de la Terre ont souvent utilisé le terme « emballement de l'effet de serre » pour décrire des changements climatiques à grande échelle, alors que cette expression est inappropriée car elle ne dépend pas du rayonnement infrarouge émis par la Terre. Bien que la Terre ait connu une diversité d'événements climatiques extrêmes, ceux-ci ne constituent pas des états finaux de l'évolution climatique ; ils représentent plutôt des équilibres climatiques différents de celui que l'on observe aujourd'hui. Par exemple, il a été suggéré que d'importantes émissions de gaz à effet de serre pourraient avoir eu lieu simultanément à l' extinction Permien-Trias ou au maximum thermique du Paléocène-Éocène . De plus, on pense que pendant 80 % des 500 derniers millions d'années, la Terre a été dans un état de serre en raison de l' effet de serre , lorsqu'il n'y avait pas de glaciers continentaux sur la planète, les niveaux de dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre (tels que la vapeur d'eau et le méthane ) étaient élevés et les températures de surface de la mer (TSM) variaient de 40 °C (104 °F) dans les tropiques à 16 °C (65 °F) dans les régions polaires .
Futur lointain
Le taux de perte actuel est d'environ un millimètre d'eau océanique par million d'années . Ceci est dû à la couche supérieure froide de la troposphère qui agit comme un piège froid, empêchant actuellement la Terre de perdre définitivement son eau dans l'espace, même avec le réchauffement climatique d'origine humaine (c'est aussi la raison pour laquelle le changement climatique ne fera qu'aggraver les phénomènes météorologiques extrêmes à court terme, car une atmosphère plus chaude peut contenir davantage d'humidité ; en effet, même avec le réchauffement climatique, le piège froid garantit que l'atmosphère actuelle restera trop froide pour permettre à la vapeur d'eau de s'évaporer rapidement dans l'espace). Ce phénomène est masqué par les variations à court terme du niveau de la mer, telles que la montée actuelle du niveau de la mer due à la fonte des glaciers et des glaces polaires. Cependant, ce taux s'accélère progressivement, à mesure que le soleil se réchauffe, pour atteindre peut-être un millimètre tous les 1 000 ans, en rendant l'atmosphère si chaude que le piège froid sera repoussé encore plus haut, jusqu'à ne plus pouvoir empêcher la perte d'eau dans l'espace
Ward et Brownlee prévoient deux scénarios de rétroaction positive sur le réchauffement climatique : l’effet de serre humide, où la vapeur d’eau domine la troposphère et commence à s’accumuler dans la stratosphère , et l’emballement de l’effet de serre, où la vapeur d’eau devient un composant dominant de l’atmosphère, provoquant un réchauffement rapide de la Terre. La température de sa surface pourrait alors dépasser désert d’Atacama au Chili ou du bassin de Badwater dans la Vallée de la Mort. Ces faibles réserves d’eau pourraient permettre à la vie de se maintenir pendant quelques milliards d’années supplémentaires.
À mesure que le Soleil s'illumine, les niveaux de CO₂ devraient diminuer en raison d'une intensification du cycle du carbone et des silicates, liée à l'augmentation de la température. Cela atténuerait en partie le réchauffement que subirait la Terre du fait de l'accroissement de la luminosité solaire. Cependant, à terme, l'eau s'évaporera et le cycle du carbone s'interrompra, la tectonique des plaques s'immobilisant du fait du besoin d'eau comme lubrifiant pour l'activité tectonique.
Effet de réfrigérateur incontrôlable
Mars et la Terre, durant la période cryogénienne , ont peut-être connu l'inverse d'un emballement de l'effet de serre : un emballement de l'effet de réfrigération . Ce phénomène aurait engendré un processus de rétroaction positive qui aurait éliminé une grande quantité de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau de l'atmosphère, refroidissant ainsi la planète. La condensation de l'eau à la surface provoque la dissolution du dioxyde de carbone et sa liaison chimique aux minéraux. Ce processus réduit l'effet de serre, abaissant la température et favorisant la condensation de l'eau. Il en résulte des températures plus basses, l'eau se solidifiant sous forme de pergélisol souterrain et ne laissant subsister qu'une atmosphère ténue. De plus, la glace et la neige sont beaucoup plus réfléchissantes que l'eau libre, avec un albédo respectif de 50 à 70 % et de 85 %. Cela signifie que lorsque la température d'une planète diminue et que son eau gèle davantage, sa capacité à absorber la lumière diminue, ce qui la refroidit encore plus, créant ainsi un cercle vicieux. Cet effet, combiné à la diminution des nuages et de la vapeur retenant la chaleur, devient incontrôlable une fois que la couverture de neige et de glace atteint un certain seuil (à moins de 30 degrés de l'équateur), plongeant la planète dans un état stable de boule de neige .