Qu'est-ce qui cause le réchauffement et le refroidissement de l’atmosphère ? What causes the heating and cooling of the atmosphere?
1 - Le rayonnement
La Terre se réchauffe à cause du Soleil. Contrairement à ce que l’on pourrait croire, cette chaleur ne provient pas des rayons qui traversent l’atmosphère. Ces rayons réchauffent en revanche le sol (c’est ce qu’on appelle le rayonnement solaire), et c’est le sol qui dégage ensuite sa chaleur dans l’atmosphère. Une partie du rayonnement est absorbé par la couche d’ozone, l’ionosphère et la stratosphère, mais il est si puissant qu’une partie atteint tout de même la surface de la Terre. Ce rayonnement absorbé est ensuite rediffusé dans l’atmosphère, ce qui entraîne son réchauffement (c’est pour cette raison qu’on l’appelle « rayonnement terrestre »). Au cours de ce phénomène, la surface du globe perd de la chaleur (ce qu’on appelle le « refroidissement par rayonnement »). Il est fascinant de constater qu’à l’échelle de la planète, la quantité de chaleur emmagasinée et libérée par rayonnement terrestre est toujours en situation d’équilibre, ce qui explique pourquoi la Terre ne devient pas tour à tour brûlante ou glaciale. À plus petite échelle, cependant, le rayonnement terrestre varie fortement d’une région à l’autre, raison pour laquelle la température sera différente d’un lieu à l’autre à un même moment. Certains phénomènes (à connaître) ont des répercussions sur le rayonnement :
a) Les variations diurnes : La journée, le rayonnement solaire est plus important que le rayonnement terrestre, ce qui entraîne le réchauffement de la surface du globe. La nuit, le rayonnement terrestre prend le dessus (car quand le soleil disparaît, le rayonnement solaire cesse), ce qui refroidit la surface.
b) L'angle des rayons du soleil : Comme la Terre tourne autour du Soleil et que son axe est incliné, le rayonnement solaire atteint la Terre selon un angle qui varie en fonction de la saison. Selon cet angle, pour une même surface, la concentration du rayonnement sera plus ou moins importante, ce qui modifie l’intensité du réchauffement sur cette surface. Ceci explique pourquoi on a une saison chaude en été et une saison froide en hiver dans l’hémisphère nord (et la situation inverse dans l’hémisphère sud).
À plus petite échelle, la topographie du terrain modifiera également l’angle auquel les rayons du soleil frappent la surface de la Terre.
1 - Radiation
The source of heat warming our atmosphere is the sun. Contrary to what you might think, the heat does not come from the sun's rays as they travel through the atmosphere. The sun warms up the ground through what is called solar radiation, which in turn warms up the atmosphere from below. Part of the sun’s radiation is being absorbed by the ozone layer, the ionosphere and the stratosphere, but it is so powerful that a part of it still reaches the earth’s surface. When the earth absorbs solar radiation, it then radiates it back into the atmosphere, warming it in the process. This is what is called terrestrial radiation. In the process of terrestrial radiation, the earth’s surface loses heat (therefore cooling it down, also referred to as radiation cooling). What is fascinating about radiation is that, on a global scale, the amount of heat gained and lost through terrestrial radiation is always in equilibrium, which is why the earth does not drastically get hotter or colder over time. On a regional scale however, there are big differences in terrestrial radiation, which is why the temperature is different from one place to another at any given time. A few things you should know that affect the radiation process:
a) Diurnal variation: During the day, solar radiation is stronger than terrestrial radiation, which heats up the earth's surface. At night, terrestrial radiation becomes stronger (when the sun is down, solar radiation ceases), therefore cooling the surface down.
b) Angle of the sun’s rays: As the earth revolves around the sun and its axis is tilted, solar radiation will reach earth at a different angle depending on the season. Depending on this angle, for a given surface, the solar radiation concentrated will be more or less significant. This will result in a more or less efficient heating of the surface. This is why summers are generally hotter and winters generally colder in the Northern Hemisphere (and the opposite in the Southern Hemisphere).
At smaller scales, the topography of the terrain also affects this angle.
Sur l'image ci-dessus, l'angle des rayons qui frappent le versant de la montagne est plus prononcé que celui des rayons qui frappent la surface plane; ils sont donc plus concentrés, ce qui cause un réchauffement plus prononcé de la zone.
Ce phénomène est également ressenti quotidiennement, tout au long de la journée : en début de matinée et en fin d’après-midi, les rayons du Soleil frappent une surface plane à un angle plus faible que lorsque le Soleil est à son point le plus élevé dans le ciel (au zénith). Les rayons sont donc moins concentrés, ce qui entraîne des niveaux de rayonnement plus faibles et, par conséquent, une température plus basse. Cet effet peut être observé à travers une expérience simple : si vous dirigez une lampe de poche directement vers un mur, la lumière sera plus intense que si vous éclairez le mur de côté.
c) La latitude : Pour la même raison qu’il existe des variations saisonnières, le rayonnement solaire atteint l’équateur avec un angle moins prononcé qu’aux pôles, créant un climat plus chaud aux tropiques par rapport aux régions polaires, plus froides.
d) Le type de surface : Les zones terrestres absorbent plus de rayonnement que les zones maritimes et le rediffusent plus rapidement. C’est pour cette raison qu’un plan d’eau (par exemple une piscine) mettra plus de temps à chauffer que le sol qui l’entoure, mais gardera plus longtemps sa chaleur la nuit. Si toutefois le sol est doté de végétation ou a une teneur en humidité importante, on se rapprochera des conditions d’échanges d’une zone aquatique. Ce phénomène explique pourquoi les transferts de chaleur sont si importants dans les déserts (où il fait très chaud le jour et très froid la nuit), alors que les jungles ont une température pratiquement constante nuit et jour. Enfin, la neige réfléchit jusqu’à 90 % du rayonnement solaire (c’est pourquoi on peut facilement attraper un coup de soleil au ski).
e) Les nuages : Pour finir, les nuages réfléchissent une portion du rayonnement solaire, n’en laissant filtrer qu’une partie jusqu’au sol. Plus la couche de nuage est épaisse, plus elle réfléchira les rayons. C’est pour cette raison qu’il fait souvent plus frais par temps couvert que quand le ciel est bleu.
In this image, the angle of the rays striking the mountain slope is more pronounced than the angle of the rays striking the flat surface, so they are more concentrated. This means that that area of the slope will be warmer than the flat surface.
This phenomenon occurs daily and throughout the day: during the early morning and late afternoon, the sun’s rays reach a flat surface at a shallower angle compared to when the sun is at its highest point in the sky (zenith). The shallower angle means that the rays are less concentrated, resulting in lower levels of radiation and, consequently, a lower temperature. You can observe this effect by conducting a simple experiment: shine a flashlight directly onto a wall, and you will see that it produces a brighter light compared to shining it from a sideways angle.
c) Latitude: Similar to seasonal variation, solar radiation will reach the equator at a more direct angle than at the poles, resulting in a warmer climate in the tropics while polar regions will be colder.
d) Type of surface: Land will absorb more radiation than water will. It will also radiate it back faster. This is why a body of water (like a swimming pool) will take longer to heat up than the surrounding ground but will keep its heat longer overnight. The vegetation and moisture content of soil itself will have a similar effect as water. This is why heat transfers are the strongest in deserts with very hot days and very cold nights, while jungles will have almost the same temperature 24 hours a day. Snow also reflects up to 90% of the sun’s radiation (which is why we can easily get sunburnt while skiing).
e) Clouds: Finally, clouds will also reflect some of the solar radiation back into space, letting only part of it reach the ground. The thicker the cloud layer the stronger the reflection. This is why overcast days are generally colder than clear sky days.
Nous avons vu que notre atmosphère est réchauffée (et refroidie) par rayonnement terrestre. Cette chaleur se propage à toutes les couches de l’atmosphère grâce à divers processus :
2 - La convection
Comme dans un four à convection, c’est le processus de réchauffement par en dessous. L’air situé au-dessus d’une surface très chaude (surface préalablement chauffée par le Soleil), s'agite et s’élève dans l’atmosphère, et donc un courant d’air froid descend en même temps pour prendre sa place (ce courant d'air froid descendant est appelé « la subsidence »).
We have seen that our atmosphere is being heated (and cooled down) through terrestrial radiation. This heat is being transferred in all layers of the atmosphere through different processes:
2 - Convection
Like your convection oven, convection is the heating process from underneath. The air over a very warm surface (surface first heated by the sun) rises through the atmosphere. As the warm air rises, a flow of cold air from above descends to take its place (this flow of cold air descending is called subsidence).
Ce mouvement crée une distribution verticale de la chaleur qui va réchauffer les couches supérieures de l’atmosphère, un phénomène que l’on observe aussi bien à petite qu’à grande échelle. La convection est utilisée par les pilotes de planeurs, par exemple pour rester plus longtemps en vol.
This creates a vertical heat distribution, which warms up the upper layers of the atmosphere. This vertical air movement happens on both small and large scales. Convection is used by glider pilots, for example, as one of the techniques to remain in the air longer.
3 - L'advection
En météorologie, l’advection est le mouvement qu’opère une masse d’air au-dessus d’une surface et dont résulte un transfert de chaleur. Quand de l’air froid se déplace horizontalement au-dessus d’une région chaude, il est réchauffé par la chaleur du sol situé en dessous. Ce processus a lieu dans les couches les plus basses de la masse d’air. L’advection est aussi responsable du refroidissement de l’atmosphère (ce qu’on appelle le « refroidissement par advection »). Le principe est le même, à la différence qu’il s’agit d’une masse d’air chaud refroidie par la surface froide située en dessous.
3 - Advection
In meteorology, advection is the movement of a mass of air over a surface resulting in a transfer of heat. When cold air moves horizontally over a warm area, it is heated by the warmth of the ground over which it is moving. This heating process takes place in the lowest layers of the air mass. Advection is also responsible for cooling the atmosphere down (known as advection cooling). The principle is the same as warm air being cooled down by the cold surface it is moving on top of.
4 - Autres
D’autres phénomènes réchauffent l’atmosphère à petite échelle :
a) Les turbulences mécaniques : Ces turbulences sont le résultat de la friction entre l'air et le sol (laquelle est plus importante si les vents sont forts). Outre les turbulences générées, cette friction brasse l'air, ce qui répartit la chaleur de surface dans l'air.
b) La compression : Nous l'avons mentionnée dans la partie sur les propriétés de l'atmosphère. Quand de l'air descend (comme c'est le cas dans les systèmes anticycloniques), sa pression augmente, et donc sa température augmente également. Pour rappel, on appelle ce phénomène la subsidence.
4 - Others
Other phenomena are responsible for the heating of our atmosphere on a smaller scale: