Sciences de l'atmosphère. Une introduction

Extrait

Extrait de l'avant-propos L'étude de l'atmosphère terrestre requiert à la fois un haut niveau de rigueur scientifique et la capacité de décrire un système complexe à des échelles très diverses. Prenant en compte cette particularité, cet ouvrage propose une introduction aux sciences de l'atmosphère qui s'adresse aux étudiants des premières années de sciences physiques et ne présuppose aucune connaissance préalable du sujet. Étant donné le public visé, l'exposé cherche à identifier les concepts et les principes fondamentaux plutôt qu'à se concentrer sur les détails expérimentaux et théoriques qui sont l'objet de la recherche actuelle. Comme souvent dans un cours scientifique, les exemples sont généralement des modélisations simplifiées de situations du monde réel. La présentation adoptée consiste en un mélange d'informations qualitatives et quantitatives. Chaque chapitre débute par des descriptions qualitatives qui visent à présenter les concepts sous-jacents. Ensuite, puisque les sciences de l'atmosphère sont par nature quantitatives, des développements mathématiques reviennent de manière rigoureuse sur une partie du contenu. Le prérequis nécessaire est donc la maîtrise des techniques élémentaires de calcul. Le chapitre 1 porte sur la composition et la structure de l'atmosphère, sujets sur lesquels quelques questions fondamentales se posent. Par exemple, pour commencer, pourquoi une planète a-t-elle une atmosphère ? Quelle est la composition chimique de l'atmosphère terrestre et pourquoi est-ce ainsi ? Quand une atmosphère se développe, des processus physiques décrits dans le cadre de la mécanique classique et de la théorie cinétique conduisent à des distributions de densité et de température aux structures verticales caractéristiques. Ainsi, la température de l'atmosphère terrestre varie avec l'altitude d'une façon bien connue. Ce profil thermique s'explique à l'aide des propriétés des gaz plongés dans un champ gravitationnel et illuminés par la lumière solaire. Ce chapitre décrit la composition chimique de l'atmosphère, sa structure thermique, mais aussi les processus qui déterminent les distributions verticales de pression et de densité. Le chapitre 2 s'intéresse aux rayonnements solaire et terrestre et à leurs interactions avec l'atmosphère, des concepts fondamentaux pour toute théorie du climat. Puisque la lumière du Soleil fournit quasiment toute l'énergie nécessaire au bon fonctionnement du système climatique de la Terre, ce chapitre commence par la description de la lumière solaire en soi, avant de décrire son interaction avec l'atmosphère. La Terre reçoit de l'énergie solaire, mais elle crée également son propre rayonnement, nommé «rayonnement terrestre» ou «rayonnement thermique». Cette énergie radiative se trouve dans la partie infrarouge lointaine du spectre, à laquelle l'oeil humain est insensible, mais bien que ce rayonnement soit invisible, il est omniprésent. Au cours d'une année, la Terre et l'atmosphère perdent à elles deux autant d'énergie sous la forme de rayonnement terrestre émis en direction de l'espace qu'elles n'en reçoivent du Soleil ; cet équilibre entre l'énergie solaire absorbée et l'énergie terrestre perdue est au coeur de la modélisation du climat. Un processus extrêmement important, l'«effet de serre», s'ajoute à l'équilibre radiatif pour déterminer la température terrestre. La partie mathématique du chapitre 2 présente un modèle simple qui permet de prédire la température de surface d'une planète quand des «gaz à effet de serre», tels que le dioxyde de carbone, sont présents dans son atmosphère.