Image en en-tête : les principaux courants océaniques de la Terre qui transportent et distribuent la chaleur à travers la planète. Source : https://www.britannica.com/science/thermohaline-circulation
L’eau est un tampon et un moyen de transport de la chaleur
L’image ci-dessus montre le transport global de chaleur dans les océans via la circulation thermohaline. Elle redistribue en permanence la chaleur sur notre planète. En anglais, ce système est également décrit comme le « tapis roulant ». L’ensemble de ce système a une très forte influence sur tous les climats du monde. En Europe, par exemple, notre climat est beaucoup plus chaud que dans d’autres endroits du monde situés tout aussi loin au nord (à la même latitude). Cela s’explique par le fait que le Gulf Stream apporte de l’eau plus chaude en provenance des régions subtropicales. Est-ce que cela a beaucoup d’importance pour nous ? Oui, cela a de l’importance. Si le Gulf Stream s’arrête, nous devrons nous contenter d’une moyenne de 5 à 10 degrés de moins ici ! Ce n’est pas une simple invention. Il y a environ 12 000 ans, ce phénomène s’est effectivement produit pendant une période relativement courte. Nous appelons ce phénomène le « Young Dryas ». Lis l’intermezzo à ce sujet pour comprendre ce qui s’est passé à l’époque.
La glace de l’Antarctique dépend également de la circulation thermohaline. Autour du pôle Sud, un courant marin tourne complètement en cercle, un peu comme un fossé. Il s’agit du courant circumpolaire antarctique. L’eau de mer plus chaude provenant du nord ne peut donc pas s’approcher du pôle Sud. Sans le courant circumpolaire, la calotte glaciaire serait donc plus petite.
Bien sûr, la circulation thermohaline mondiale n’a pas toujours été la même. Lorsque les continents avaient des positions différentes, le schéma était différent. L’un des exemples les plus célèbres est la fermeture de l’isthme de Panama (il y a environ 3 millions d’années, certains pensent qu’il y a plus longtemps). Cela a ajouté de nouvelles masses continentales entre l’Amérique du Nord et l’Amérique du Sud, fermant finalement le détroit entre les deux. C’est alors que notre bien-aimé Gulf Stream a vu le jour et que s’est formé l’ensemble des courants marins que nous connaissons aujourd’hui, y compris le courant circumpolaire antarctique. L’Europe s’est réchauffée grâce au Gulf Stream, mais l’Arctique a reçu plus de neige, et donc une plus grande couche de glace. La température globale de la Terre a baissé depuis.
En bref, le climat terrestre dépend en grande partie des courants océaniques. Sans redistribution de la chaleur par les océans, nous aurions des climats plus extrêmes et notre planète serait moins vivable. Pour que cela soit possible, il faut donc que la planète soit en grande partie recouverte d’eau liquide. Sur la lune Titan, il y a aussi des piscines, mais là, le liquide est principalement du méthane, pas de l’eau. C’est moins intéressant, car l’eau possède certaines caractéristiques adaptées pour permettre la configuration des courants marins : une capacité thermique élevée et des variations de poids dues aux variations de température et de concentration en sel.
C’est à une température de 4 degrés que l’eau est la plus lourde. Ainsi, lorsque la couche supérieure de l’océan dans le Gulf Stream s’est suffisamment refroidie, elle s’enfonce. De plus, l’eau salée est plus lourde que l’eau douce. La masse d’eau qui voyage du golfe du Mexique vers le nord de l’Europe s’évaporera en partie en cours de route. Les sels ne s’évaporent pas en même temps, de sorte que l’eau de mer devient lentement plus salée. C’est une autre raison pour laquelle elle s’enfonce vers le nord. C’est pourquoi nous parlons de « circulation thermohaline ».
L’eau est un gaz à effet de serre et un tampon thermique
Une planète recouverte à plus de la moitié par de l’eau liquide possède un très fort tampon de température. La majeure partie de l’énergie solaire qui tombe sur notre Terre finit sur l’eau. La capacité thermique de l’eau liquide est très élevée, puisqu’elle est de 1,163 Wh/kg,K (Watt heures par kg par Kelvin). Tu dois donc ajouter 1,163 watts d’énergie pendant une heure à 1 kg d’eau pour qu’il fasse 1°C (= 1 Kelvin) de plus. Supposons, par exemple, que lorsque le soleil est au zénith, environ 230 watts par m² d’énergie solaire tombent sur la mer. Un kilogramme d’eau a une taille de 1 dm³. Un kilogramme d’eau a le volume d’un cube de 10 x 10 x 10 cm. Ce cube a une surface supérieure de 10 x 10 cm (1dm²) et reçoit donc 2,3 watts d’énergie en plein soleil, c’est-à-dire théoriquement assez pour se réchauffer de près de 2 degrés en une heure. Cependant, cette eau se mélange constamment aux millions de kg d’eau qui se trouvent en dessous et qui ne reçoivent pas d’énergie solaire. Dans la pratique, le réchauffement est donc minime. Ainsi, la Terre dispose d’un gigantesque tampon de température.
Une grande partie de l’énergie solaire incidente est d’ailleurs utilisée comme chaleur d’évaporation. L’eau de mer s’évapore en permanence et fournit à l’atmosphère de grandes quantités de vapeur d’eau. L’eau sous forme gazeuse est un très bon gaz à effet de serre. En fait, l’eau est le gaz à effet de serre le plus important sur Terre. Cependant, le cycle de l’eau provoque des mouvements rapides entre la glace, le liquide et la vapeur, de sorte que la concentration de ce gaz à effet de serre est variable en permanence.
Pourquoi l’eau est-elle un gaz à effet de serre alors que l’azote gazeux, par exemple, ne l’est pas ? Eh bien, les gaz à effet de serre ont des structures moléculaires un peu plus complexes qui forment plus facilement des variations de forme et de charge. Ces molécules sont donc plus aptes à se mettre à vibrer lorsque l’énergie rayonnante (transfert de chaleur infrarouge) frappe la molécule. Les vibrations captent en partie l’énergie capturée dans la molécule elle-même. L’oxygène gazeux ou l’azote gazeux n’ont pas cette caractéristique. Ce sont des molécules dont la structure est symétrique et très stable, et il peut donc être beaucoup plus difficile d’induire des vibrations internes.
L’eau et le climat : rétroactions négatives et positives
Sur Terre, le comportement de l’eau peut conduire dans certains cas à ce que l’on appelle une « rétroaction négative ». L’évaporation de l’eau de mer en est un exemple. Lorsqu’il fait plus chaud, une plus grande quantité d’eau s’évapore. Comme plus de vapeur d’eau pénètre dans l’air, plus de nuages se formeront. Mais plus il y a de nuages, plus il y a d’ombre. Moins de chaleur solaire tombe alors sur l’eau à la surface et l’évaporation recommence à diminuer. En raison de la réduction de l’évaporation, moins de nuages se forment. Par la suite, il y a moins d’ombre et le réchauffement reprend. La rétroaction négative consiste donc à ralentir le changement. Par conséquent, de tels mécanismes aident à prévenir les extrêmes.
Cependant, il existe aussi de nombreux cas de l’inverse : des retours positifs, ou des changements qui se renforcent d’eux-mêmes. Quelques exemples :
L’un d’entre eux, très connu, est l’effet d’albédo : à mesure que le climat de la Terre se refroidit, davantage de glace se forme au pôle Nord et au pôle Sud. La glace et la neige sont blanches et réfléchissent donc plus de rayonnement solaire que les autres surfaces. Par conséquent, si des couches de glace plus importantes se forment en raison d’un climat plus froid, la surface totale de la Terre va réfléchir davantage de rayonnement solaire au lieu de l’absorber. La Terre se réchauffe alors encore moins et le climat se refroidit encore plus. Ainsi, un climat qui se refroidit peut devenir tout à fait incontrôlable. Notre Terre a connu des périodes de son histoire où cela s’est produit. La planète aurait alors été largement recouverte par des couches de glace globales. Ces épisodes sont souvent appelés « Terre boule de neige » dans la littérature populaire. Ce sujet sera abordé plus en détail dans le cours.
L’eau est synonyme d’habitabilité
Il devrait être clair maintenant que la présence d’eau liquide sur la Terre est extrêmement importante pour de très nombreuses raisons. C’est l’environnement idéal pour que la vie existe et se développe, et pour maintenir l’environnement dans des limites vivables. Outre les nombreux exemples décrits dans les sections précédentes, l’eau joue également un rôle important dans le maintien de la tectonique des plaques. Mais il s’agit là d’un sujet pour les chapitres suivants.