1Les premiers philosophes de la Grèce antique considéraient l'eau comme l'élément central de la toute la création. Aujourd'hui, chacun sait que l'atmosphère terrestre contient de l'eau, sous forme de vapeur, de nuages ou de précipitations. Mais réalise-t-on suffisamment combien la présence d'eau dans l'atmosphère conditionne le fonctionnement de la machine atmosphérique et la régulation du climat ? Ce rôle fondamental de l'eau l'atmosphérique paraît particulièrement remarquable au regard de sa faible proportion : elle contribue pour moins de 0,25 % à la masse totale de l'atmosphère. Sa condensation totale à la surface de la Terre ne représenterait guère plus qu'une fine couche d'eau de 2,5 cm d'épaisseur. En comparaison, si l'eau contenue dans l'ensemble des océans était répartie uniformément à la surface de la Terre, cela représenterait une couche d'eau d'environ 2,8 km d'épaisseur. Par ailleurs, l'eau douce à la surface de la Terre contenue dans les calottes polaires, les glaciers, les lacs et les rivières est 2 000 à 3 000 fois plus abondante que l'eau atmosphérique. D'autre part, la durée moyenne de transit d'une molécule d'eau dans l'atmosphère, entre le moment où elle s'évapore à la surface de la Terre et le moment où elle y retombe sous forme de précipitation, est de l'ordre d'une dizaine de jours. Ces ordres de grandeurs montrent donc qu'il est extrêmement improbable, pour une molécule d'eau, de se trouver en suspension dans l'atmosphère... et pourtant, le ciel et le climat ne ressembleraient à rien de ce que nous connaissons si l'atmosphère ne contenait pas ces rares molécules d'eau.

Les différentes formes de l’eau atmosphérique

2Environ 99,5 % de l'eau atmosphérique se présente sous forme de vapeur, et 0,5 % sous forme de gouttelettes d'eau liquide et de cristaux de glace. Le rôle considérable de l'eau dans la physique de l'atmosphère et du climat tient aux propriétés radiatives et thermodynamiques de ses molécules.

3Comme un récepteur radio, les molécules ne sont sensibles à la lumière qu'à certaines fréquences, déterminées par la structure de la molécule. La molécule d'eau est composée de deux atomes d'hydrogène liés à un atome d'oxygène (cf. II.4). Cet arrangement lui confère une géométrie, et notamment des mouvements de vibration et de rotation, qui lui permettent d'absorber le rayonnement sur une très vaste gamme de longueurs d'onde, notamment dans le domaine du rayonnement visible, et plus encore dans celui du rayonnement infrarouge. L'eau atmosphérique (vapeur d'eau et nuages) est ainsi le principal responsable de l'effet de serre terrestre, loin devant le dioxyde de carbone ou le méthane. L'eau condensée dans l'atmosphère (ou hydrométéores*) peut prendre plusieurs formes, telles que des cristaux, des gouttelettes, des flocons de neige ou des grêlons. Les propriétés de diffusion de ces hydrométéores dépendent de leur indice de réfraction* et de la taille des particules par rapport à la longueur d'onde du rayonnement (cf. II.14). Les gouttelettes d'eau nuageuse et les cristaux de glace en suspension dans l'atmosphère sont particulièrement efficaces dans la diffusion du rayonnement solaire. Ainsi, bien que ne contenant pas plus de 0,5 % de l'eau atmosphérique, les nuages contribuent considérablement à réfléchir le rayonnement solaire vers l'espace.

L'eau atmosphérique vue depuis le satellite Météosat au travers de mesures du rayonnement infrarouge à 6,2 microns. L'image illustre le lien entre la circulation atmosphérique et la distribution de la vapeur d'eau aux alentours de 5 km. Les nuances de gris montrent la vapeur d'eau, les couleurs foncées indiquant les zones les plus sèches, et les points blancs figurent les zones les plus saturées (nuageuses)

4D’après les lois de la thermodynamique, la concentration de vapeur d'eau dans une parcelle d'air est limitée, et cette limite dépend de la température et de la pression (loi de Clausius-Clapeyron*). Etant donnée la valeur particulièrement élevée de la chaleur latente* de vaporisation de l'eau (l'énergie nécessaire pour transformer l'eau de l'état liquide à l'état vapeur à pression constante), cette limite dépend très fortement de la température. Cette propriété rend la distribution de l'eau très dépendante de celle de la température : l'atmosphère étant stratifiée et sa température décroissant avec l'altitude, les mouvements verticaux de l'air provoquent facilement de la condensation et donc la formation de nuages et éventuellement de précipitation. Ainsi, l'air chargé en humidité au voisinage de la surface ne contient plus que très peu de vapeur d'eau lorsqu'il arrive en altitude, et il redescend vers la surface avec une humidité très faible. De ce fait, la distribution de l'eau atmosphérique constitue un assez bon traceur de la circulation générale de l'atmosphère (figure). Ensuite, la condensation de l'eau qui se produit lors de l'ascension des parcelles d'air s'accompagne d'un dégagement de chaleur latente, qui affecte considérablement la structure thermique de l'atmosphère (l'atmosphère se refroidit presque deux fois moins vite avec l'altitude qu'elle le ferait en l'absence de changement de phase), tandis que la ré-évaporation partielle ou totale de l'eau liquide introduit un refroidissement de l'atmosphère.

Rôle de l’eau atmosphérique dans le climat

5De par ses propriétés radiatives et thermodynamiques, l'eau atmosphérique joue un rôle fondamental dans le climat actuel. Par exemple, en l'absence d'interaction entre l'eau et le rayonnement, la température moyenne à la surface de la Terre serait une vingtaine de degrés plus basse qu'elle ne l'est aujourd'hui. Cette interaction contrôle également l'intensité de la circulation atmosphérique, et l'altitude jusqu'à laquelle l'atmosphère peut être brassée par des mouvements de convection* (qui coïncide aussi avec la hauteur des nuages de type cumulonimbus). Les propriétés thermodynamiques de l'eau sont aussi responsables de la dissymétrie entre la surface de la Terre couverte par les zones sèches (étendues) et les zones humides qui sont souvent étroites et beaucoup plus concentrées.

6L'eau atmosphérique affecte également, de façon encore plus critique, la régulation du climat sous l'effet d'une perturbation externe. En l'absence d'eau dans l'atmosphère, un doublement de la concentration atmosphérique en gaz carbonique entraînerait un réchauffement global de la Terre d'environ 1 degré. Mais du fait des propriétés radiatives et thermodynamiques de l’eau, ce réchauffement est amplifié (d'un facteur deux au moins). Cependant, une incertitude importante demeure quant à la réponse des nuages au réchauffement global, notamment celle de ceux qui se forment dans les tous premiers kilomètres de l'atmosphère. Les recherches récentes suggèrent que ces nuages pourraient devenir moins étendus dans un climat plus chaud, ce qui aura pour effet de réduire la réflexion du rayonnement solaire vers l'espace et donc d'amplifier encore davantage le réchauffement global de la Terre. Mais cet effet reste quantitativement imprécis, et il constitue actuellement la principale source d'incertitude dans l'amplitude du réchauffement climatique pour un scénario donné d'évolution du gaz carbonique.

7Le rôle de l'eau atmosphérique dans le changement climatique reste encore plus incertain lorsqu'il s'agit de prévoir les impacts régionaux du réchauffement global. L'eau est transportée par la circulation atmosphérique et, en retour, elle modifie considérablement la circulation : les interactions entre l'eau (vapeur ou nuages) et la circulation contrôlent de façon déterminante la distribution et la fréquence des pluies et l'occurrence des événements extrêmes, tels que sécheresses, inondations ou canicules. Une meilleure compréhension de ces interactions est nécessaire pour mieux prédire la façon dont les zones de pluie, la force du vent et la propension des nuages à s'agréger en cyclones ou en dépressions extra-tropicales, sera affectée par le réchauffement global. Notre capacité à relever ce défi déterminera notre aptitude à anticiper les changements climatiques et sociétaux futurs.