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2021-05-28

L’histoire est bien connue. La croissance économique et industrielle est à l'origine de l'augmentation des niveaux de dioxyde de carbone (CO2) dans l'atmosphère terrestre. Ce dernier étant un gaz à effet de serre, il piège la chaleur du soleil et provoque un réchauffement progressif de l'atmosphère, ce qui bouleverse le système terrestre, sa flore et sa faune. Étonnamment, le CO2 a un autre effet secondaire, un effet de refroidissement. Ne pensez cependant pas que cela pourrait compenser le réchauffement de la planète. Ce processus est en cours et est étudié depuis longtemps déjà, et il est clair qu'il n'a pas neutralisé la tendance au réchauffement. Alors, que se passe-t-il exactement ?

L'atmosphère est comme la tour Eiffel

La chose principale à retenir est que tout dépend de la densité de l'air. Vous pouvez imaginer la fine couche de gaz de la Terre comme une tour Eiffel, très grande et lourde à la base, mais qui s'amincit très rapidement pour atteindre le sommet fin et léger de la tour. De la même manière, la densité de l'atmosphère diminue de façon exponentielle avec l'altitude, ce qui signifie que le nombre de molécules de gaz que l'on trouve dans un mètre cube diminue d'un million entre la surface et 100 km d'altitude. Par conséquent, les différentes couches atmosphériques se comportent très différemment.

  • La troposphère (en dessous de 15 km d'altitude) est assez opaque à la lumière infrarouge car il y a beaucoup de molécules serrées les unes contre les autres. Il y a également beaucoup de mélange, d'interactions et une chimie complexe.
  • Dans l'atmosphère moyenne (stratosphère et mésosphère, entre 15 et 100 km d'altitude), la chimie devient plus simple, car les molécules organiques complexes sont brisées en plus petits morceaux avant d'atteindre cette altitude. Les molécules sont beaucoup plus dispersées, elles entrent en collision et interagissent beaucoup moins. Par conséquent, il n'y a pas d'équilibre thermique dans la mésosphère : différents gaz peuvent avoir des températures différentes, car les molécules sont beaucoup plus isolées (on pourrait dire qu'elles pratiquent la distanciation sociale) et ne peuvent pas échanger efficacement la chaleur.

 

CO2 : un gaz à effet de serre très efficace

Les molécules de dioxyde de carbone sont très efficaces pour absorber et ré-émettre de la chaleur sous forme de rayonnement infrarouge. Dans la basse atmosphère, les molécules d'air sont serrées les unes contre les autres, comme la foule à un festival d'été, et la chaleur qu'une molécule ré-émet est donc immédiatement absorbée dans la même région atmosphérique. Ce phénomène est l'effet de serre, un réchauffement général de la troposphère.

La moyenne atmosphère est beaucoup moins dense (la moyenne et la haute atmosphère ne contiennent que 15 % de la masse totale de l’atmosphère). Le rayonnement infrarouge réémis par les molécules de CO2 y est beaucoup moins ré-absorbé et davantage de rayonnement s'échappe dans l'espace. Cela entraîne une perte globale de chaleur, et il y a donc un effet de refroidissement.

Au fur et à mesure que l’humanité émet du CO2 et freine sa capture à la surface, sa concentration augmente non seulement dans la couche inférieure mais aussi dans les couches moyennes. La différence est que dans la couche inférieure, le réchauffement s'intensifie, tandis que dans les couches moyennes, le refroidissement s'intensifie. Lorsque les molécules se refroidissent, elles ralentissent et restent plus proches les unes des autres, et les couches moyennes et supérieures se rétrécissent légèrement.

Atmospheric heating and cooling
Dans la troposphère, l'augmentation du dioxyde de carbone entraîne un effet de réchauffement, tandis que dans la stratosphère et la mésosphère, elle provoque un effet de refroidissement.
Infographie originale: Marco Saporiti/Density Design Research Lab

 

Un impact tangible sur notre technologie satellitaire

Les satellites orbitent autour de la Terre dans les couches atmosphériques les plus élevées, la thermosphère et l'exosphère. Bien que l'air soit peu abondant dans ces couches, les satellites subissent toujours une résistance lorsqu'ils entrent en contact avec les molécules d'air. C'est pourquoi il faut réajuster périodiquement l’orbite des satellites actifs grâce à de petits moteurs de contrôle pour qu’ils restent sur l'orbite prévue. Lorsque les vieux satellites sont mis hors service, ils retombent lentement vers la Terre car ils perdent de la vitesse en raison de la résistance des molécules d'air qu'ils rencontrent. La résistance accrue à basse altitude les ralentit encore plus, de sorte qu'ils retombent encore plus vite et finissent par se désintégrer dans la mésosphère. Dans la plupart des cas, tous les morceaux brûlent avant d’atteindre la surface.

Mais maintenant que l'augmentation du CO2 entraîne un refroidissement et un rétrécissement des couches atmosphériques moyennes et supérieures, les satellites subissent moins de résistance à l'altitude à laquelle ils orbitent et y restent beaucoup plus longtemps. Notre atmosphère est donc de moins en moins efficace pour se débarasser des débris spatiaux en orbite autour de notre planète. Comme nous mettons de plus en plus de satellites en orbite chaque année, nous ne pouvons pas compter sur la Nature pour maintenir un environnement sûr en orbite terrestre. Le changement climatique impacte ainsi toutes les activités humaines, de la surface jusqu’en orbite terrestre.

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L'augmentation des niveaux de CO2 entraîne également un refroidissement dans les couches supérieures de l'atmosphère
Crédit: NASA
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Les vieux satellites mettent beaucoup de temps à retomber sur Terre, ce qui pose un problème de débris dans l'espace.
Crédit: ESA/United Nations