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La vapeur d'eau et les nuages

La vapeur d'eau est le gaz à effet de serre le plus important puisqu'elle est responsable d'environ 60% ¹ de l'effet  de serre. Comme on suppose que la concentration de la vapeur d'eau a toujours été plus ou moins la même, on ne peut pas considérer qu'elle contribue à l'augmentation de l'effet de serre. Mais ceci pourrait changer si la terre se réchauffe ...

Les plus grandes incertitudes sur le climat du futur sont sûrement celles qui concernent le rôle de la vapeur d'eau et des nuages, et leurs interactions avec le rayonnement.  

La saturation

L'air a la possibilité de garder de la vapeur d'eau, et cette capacité augmente avec la température.L'air chaud peut contenir plus d'eau que l'air froid. La courbe de saturation ci-contre indique quelle quantité d'eau peut contenir de l'air à une certaine température, avant que la condensation commence, c'est à dire que l'humidité relative atteigne 100%. Dans l'atmosphère généralement, l'air n'est pas saturé. L'humidité relative est donnée par la relation suivante :

et cette humidité relative peut énormément varier.

p = pression partielle de vapeur d'eau 
p_sat = pression partielle de l'eau à saturation

Cette dernière valeur dépend de la température comme on peut le voir sur le graphe de droite.

D'une façon générale on peut dire que si la température de l'air augmente, l'évaporation augmente, et qu'à ce moment-là il y a davantage de vapeur d'eau dans l'air. Dans la couche limite de la troposphère (jusqu'à 1 ou 2 km d'altitude) ces processus sont relativement simples. Par contre dans la troposphère libre, c'est un peu plus compliqué et c'est pourtant là que le risque d'augmentation de l'effet de serre par la vapeur d'eau est le plus élevé.

La formation des nuages

Si l'humidité dans l'air augmente, il y aura par conséquent davantage de nuages. Les nuages interagissent de deux façons différentes avec le rayonnement. D'un côté, ils agissent comme un gaz à effet de serre, c'est à dire qu'ils retiennent la chaleur émise par la Terre et la lui renvoient. Mais d'un autre côté, ils filtrent les rayons du soleil et font augmenter l'albédo de la Terre, en renvoyant vers l'espace une partie des rayons solaires qui ainsi n'atteignent pas la surface terrestre. Que l'un ou l'autre de ces deux processus domine dépend en grande partie du type de nuage. Les nuages les plus hauts tendent à réchauffer la Terre, tandis que les nuages les plus bas tendent à réfléchir davantage les rayons solaires et donc à refroidir la Terre.  

La double rétroaction

Un processus A peut avoir une conséquence sur un processus B; si ce processus B fait ensuite accroître le processus A et donc le B etc... on appelle cela une rétroaction positive. Si par contre le processus B tend à ralentir le processus A la rétroaction est dite négative.
L'augmentation de la vapeur d'eau et le nombre plus important de nuages pourraient avoir des effets rétroactifs opposés sur le réchauffement planétaire futur, comme indiqué sur le schéma ci-dessous. On n'est pas sûr cependant qu'au total, les conséquences de la formation croissante de nuages aura un effet refroidisseur sur le climat. Selon les modèles les conclusions sont parfois différentes.

3. Rétroactions du cycle de l'eau : Puisque l'augmentation des températures tend à accroître les concentrations de vapeur d'eau, et que davantage de vapeur d'eau conduit à réchauffer la Terre par effet de serre, on pourrait avoir une amplification de l'effet (rétroaction positive). Alors, l'augmentation de la couverture nuageuse pourrait contrebalancer cet effet. Mais les nuages hauts ont un effet de réchauffement (flèche pointillée). Malheureusement, l'état des recherches scientifiques sur les nuages n'est pas assez avancé pour savoir précisément ce qui va se passer. .
schéma: Elmar Uherek

Les incertitudes

Les modèles climatiques font des simulations sur une taille donnée (on peut comprendre qu'ils ne simulent pas ce qui va se passer au mètre près). Or les variations locales des concentrations de la vapeur d'eau et la formation des nuages se font sur des tailles inférieures à celles des modèles. Les modèles sont trop imprécis pour prendre par exemple en compte chaque nuage qui apparaît au dessus d'un grand lac. Il y a donc de nombreuses incertitudes sur les processus, en particulier à propos des :

- mouvements de l'air à grande échelle
- mouvements de l'air à trop petite échelle pour les modèles
- microphysique des nuages
- interactions des nuages avec le rayonnement en fonction de la taille des gouttes d'eau qui les composent
- distinction entre les nuages faits d'eau liquide ou de cristaux de glace
et autres.

L'atmosphère est un système constamment en mouvement et loin du simple équilibre. Selon la latitude, le transport de l'humidité se fait par plusieurs processus :

1. la convection (transport vertical) aux tropiques, où se forment d'énormes cumulonimbus
2. les mouvements à grande échelle aux latitudes moyennes et hautes, où on trouve surtout des nuages stratiformes
3. l'advection (transport horizontal) dans les régions sèches, entre les tropiques et les latitudes moyennes.

5. La répartition planétaire de l'humidité relative en % dans la troposphère libre, entre 600 et 250 hPa (soit environ entre 5 et 11 km d'latitude). Attention, il faut regarder cette carte attentivement! La troposphère libre au dessus du pôle sud est plus saturée que dans les tropiques de part le maximum de saturation qui y est plus bas (températures plus basses), mais il y a en réalité beaucoup moins d'eau par mètre cube, c'est à dire en valeurs absolues.  
source: IPCC TAR Fig. 7-1 (haute résolution: 120 K)

Estimations des rétroactions de la vapeur d'eau et des nuages

D'après les estimations scientifiques récentes, si les concentrations de CO₂ dans l'air étaient multipliées par deux, entre la valeur préindustrielle de 280 ppm qui passerait donc à 560 ppm (nous avons actuellement 370 ppm en 2001), la température augmenterait de 1,5 à 4,5°C. Cette incertitude importante (3°C ça change beaucoup de choses!) est due essentiellement aux incertitudes qui planent autour de la formation des nuages.

Dans le cas où le CO₂ doublerait, sans autre changement, le forçage radiatif serait augmenté de 3,5 à 4 W/m² (correspondant à une augmentation de température de 1,2°C). En prenant en compte les effets de la vapeur d'eau qui serait augmentée dans l'air, cette valeur du forçage doublerait (7 ou 8 W/m²). Il f aut alors ajouter l'impact des nuages, qui pourraient faire soit légèrement baisser (ce qui semble plus probable) soit augmenter encore la température. L'incertitude est estimée entre -3 et +3 W/m². Ceci  conduit à une forçage radiatif d'environ 4 à 11 W/m² si le CO₂ double, soit à une augmentation de température entre 1.5 et 4.5 °C.

Au final si on se rappelle de l'augmentation de 1,2°C si le CO₂ doublait sans rien considérer d'autre, on se rend compte de l'importance qu'il y a à  estimer l'impact de la vapeur d'eau sur le climat pour connaître ce que l'avenir nous réserve!

¹ A propos de l'influence de la vapeur d'eau sur l'effet de serre, certains scientifiques avancent même le chiffre de 80% en prenant en compte l'absorption IR par les nuages (Curry&Webster, Thermodynamics of Atmospheres and oceans, Academic Press, 1999).

A lire aussi :

Sur les interactions entre les nuages et le rayonnement, et leur impact sur le climat, vous pouvez aussi lire :
Nuages et Particules - Bases - 3ème partie - Nuages et Climat

A propos de cette page:

auteur: Dr. Elmar Uherek - MPI for Chemistry Mainz
relecteurs scientifiques: Dr. Benedikt Steil - MPI for chemistry, Mainz 2004-05-16, Dr. Susanne Nawrath, Potsdam Institute for Climate Impact Research - 2003-06-10
relecteur pédagogique: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-07-02
dernière version: 2004-05-17