Un paramètre déterminant pour le climat d’une planète est sa distance par rapport à son soleil qui est son principal pourvoyeur d’énergie. Dans un système solaire, on peut définir une zone habitable, c’est-à-dire l’espace dans lequel on trouve des planètes dont les températures de surface sont compatibles avec l’existence d’eau liquide. Mais ce critère de distance par rapport au soleil est insuffisant pour garantir la pérennité d’eau liquide. Deux autres paramètres interviennent, qui déterminent la manière dont la planète renvoie l’énergie solaire vers l’espace. Le premier est l’albédo, c’est-à-dire sa capacité à réfléchir les rayons lumineux. Plus la surface du sol est claire (neige, glace, sols nus) et plus l’atmosphère comporte de nuages, plus la planète et son atmosphère renvoient directement les rayons vers l’espace, et donc l’énergie solaire. Au contraire, plus la surface est sombre (eau, végétation…) et plus l’énergie pénètre dans le système planétaire. Le second paramètre est l’effet de serre de son atmosphère, qui résulte des molécules de gaz capables de capter le rayonnement de la surface planétaire, émis sous la forme d’infrarouges. Plus une atmosphère contient de telles molécules et plus elle peut conserver l’énergie de ce rayonnement ; au contraire, moins elle en contient et plus cette énergie s’échappe vers l’espace. Le caractère réfléchissant de la surface planétaire et de son atmosphère et la quantité de gaz à effet de serre jouent donc un rôle décisif dans l’établissement d’un climat par l’intermédiaire du bilan radiatif, c’est-à-dire des échanges d’énergie entre le soleil, la planète et l’espace. Ainsi, si la température de surface de la planète Vénus atteint plus de 450 °C, c’est surtout le résultat du très intense effet de serre de son atmosphère. Si Mars est beaucoup plus froide que la Terre, ce n’est pas seulement dû à un éloignement plus important du Soleil, mais surtout à son très faible effet de serre.
Sur Terre, la présence d’eau liquide depuis 4 milliards d’années a favorisé l’apparition et l’essor de la vie : telle qu’on la connaît, celle-ci est née dans l’eau liquide, il y a près de 3,7 milliards d’années. Et, malgré de fortes variations climatiques, les conditions physiques nécessaires à la préservation de l’eau liquide, à côté des glaces et de la vapeur, n’ont jamais disparu. La vie est longtemps restée confinée dans les océans et a colonisé les surfaces continentales il y a seulement 450 millions d’années. Présente dans la cryosphère (calottes de glace, glaciers, couvertures neigeuses), dans l’hydrosphère (océans, lacs, rivières, aquifères) et sous forme de gaz dans l’atmosphère où sa condensation en fines gouttelettes donne naissance aux nuages, l’eau est partout et joue un rôle essentiel dans la régulation thermique de notre planète.
C’est elle qui lui donne sa couleur bleue, car l’océan couvre plus de 70 % de sa surface. Elle lui apporte une touche blanche par le biais des banquises dont l’étendue varie avec les saisons sur les océans Arctique et Austral, les calottes du Groenland et de l’Antarctique, et par les nuages. Son effet climatique le plus important est invisible. Telle une « couverture chauffante », la vapeur d’eau est en effet le principal gaz responsable de l’effet de serre de l’atmosphère. Sans cet effet de serre, la température globale annuelle moyenne de la Terre serait de -18 °C, alors que nous bénéficions d’un doux 15 °C. Mais l’eau n’est pas le seul gaz à effet de serre de notre atmosphère. Le dioxyde de carbone (CO2) ou le méthane (CH4) sont des composants bien moins abondants mais très efficaces pour réchauffer notre planète.
En dehors de sa distance au Soleil et de la composition de son atmosphère, deux propriétés spécifiques de la Terre sont fondamentales pour la régulation de son climat à long terme. D’abord, sa Lune. Les calculs astronomiques montrent que sa présence « bloque » les variations de l’obliquité (l’angle que dessine l’axe des pôles avec le plan de la trajectoire de la Terre autour du Soleil) dans une petite fenêtre entre 22 et 24,5°. L’obliquité terrestre ne peut pas être très élevée, ce qui exclut la situation où la Terre pointerait le Soleil avec l’un de ses pôles. Une telle situation induirait des contrastes climatiques extrêmes. Ensuite, la tectonique des plaques, c’est-à-dire la dérive des continents, en lien avec les mouvements profonds de la Terre. La disposition des continents, et donc des océans, ainsi que les conséquences de leurs déplacements influencent fortement le climat sur de très longues durées, à la mesure de l’extrême lenteur de ces mouvements.
