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Le bilan radiatif de la Terre

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Introduction :

La Terre reçoit en permanence un rayonnement électromagnétique transportant une très grande quantité d’énergie en provenance du Soleil. Cette énergie apporte lumière et chaleur.
Si la température sur Terre dépend de plusieurs paramètres (heure, latitude, saison…), la température moyenne à la surface du globe n’en demeure pas moins relativement stable.

On peut alors s’interroger sur le lien entre l’énergie libérée par le Soleil et la température de surface de la Terre.

Pour répondre à cette question, nous verrons tout d’abord ce qu’est l’albédo, puis nous étudierons le rôle thermostatique de l’atmosphère.

Énergie solaire et albédo

Puissance du rayonnement solaire

Le Soleil émet un rayonnement électromagnétique dans toutes les directions à travers notre système solaire. Après avoir parcouru la distance Terre-Soleil (150 millions de kilomètres), la totalité de la puissance libérée par le Soleil est répartie sur l’ensemble de la surface d’une sphère de 150 millions de kilomètres de rayon.
Ainsi, seule une infime partie de l’énergie libérée par le Soleil atteint la Terre.

puissance rayonnement solaire Terre

La puissance arrivant sur la Terre est donc égale au rapport entre la surface totale (4πR24\pi\text R^2) et la surface d’un disque du rayon terrestre (πr2\pi\text r^2).

Preçue=4πR2πr2=4R2r2P\,\text{reçue}=\dfrac{4\pi\text R^2}{\pi\text r^2}=\dfrac{4\text R^2}{\text r^2}

portion ondes solaire Terre

On constate que la lumière passant par un disque de rayon terrestre atteint le sol avec un angle d’incidence plus ou moins grand avec la surface de la Terre.
Ainsi, la puissance reçue du Soleil au niveau de l’équateur est plus « directe » et donc plus importante que celle reçue au niveau des pôles.

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À retenir

La puissance solaire reçue par la Terre dépend donc de la distance Terre-Soleil et du rayon de la Terre.

Toutefois, la totalité de cette énergie reçue par l’ensemble globe terrestre-atmosphère n’est pas « utilisable ».
En effet, lorsqu’une onde arrive sur une surface, une partie de cette onde peut être réfléchie, et il en va de même pour l’énergie qu’elle transporte. Cette énergie n’est alors pas absorbée et ne permet pas de réchauffer la Terre.

L’albédo terrestre

L’albédo désigne plus particulièrement le phénomène de réflexion du rayonnement solaire.

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Définition

Albédo :

L’albédo représente la proportion de l’énergie solaire réfléchie par une surface par rapport à l’énergie solaire incidente, c’est à dire celle arrivant du Soleil. C’est une grandeur sans unité.

La valeur de l’albédo est comprise entre 0 (énergie totalement absorbée) et 1 (énergie totalement réfléchie).

énergie solaire absorption réflexion

L’albédo varie en fonction de la nature de la surface sur laquelle arrive l’énergie :

Nature de la surface Valeurs de l’albédo
Océans de 0,05 à 0,15
Sol (terre) de 0,05 à 0,15
Forêt de 0,05 à 0,15
Sable de 0,25 à 0,45
Glace de 0,30 à 0,40
Neige de 0,40 à 0,75
Nuage de 0,40 à 0,90

Globalement, l’albédo de la Terre est d’environ 0,3, c’est-à-dire que 30 % de l’énergie solaire reçue est réfléchie. Cette valeur moyenne est obtenue en tenant compte des différentes surfaces que rencontre le rayonnement solaire, aussi bien dans l’atmosphère qu’au sol.
L’albédo de la Terre est principalement dû aux nuages, à la neige et à la glace.

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Attention

Les activités humaines, et notamment certains gaz contenus dans les aérosols (les chlorofluocarbures, appelés aussi CFC, par exemple) apportent également une contribution non négligeable dans le calcul de cette valeur.

réflexion rayonnement solaire Terre

On peut donc constater que seule une partie de l’énergie solaire arrivant sur la Terre est « utilisée » par celle-ci.
On considère que la puissance surfacique reçue du Soleil au niveau de la Terre et de son atmosphère équivaut à environ 340W/m2340\text W/m^2.

Sur cette puissance reçue :

  • 25 % est réfléchie par l’atmosphère, soit 85W/m285\text W/m^2 ;
  • 6 % est réfléchie par la surface terrestre, soit 20W/m220\text W/m^2 ;
  • le reste (235W/m2235\text W/m^2.) est absorbé par l’atmosphère (1/31/3) et par le sol (2/32/3).
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À retenir

La puissance de l’énergie solaire reçue par la Terre dépend donc aussi de la valeur de l’albédo terrestre.

Ainsi, une partie non négligeable de l’énergie solaire n’entre pas dans le bilan énergétique de la Terre. Pour établir un bilan radiatif plus précis, c’est-à-dire un inventaire des flux radiatifs, il convient alors de s’intéresser au rayonnement émis par la Terre mais aussi par l’atmosphère.

Rôle thermostatique de l’atmosphère

Pour mieux appréhender le rôle thermostatique de l’atmosphère, il faut dans un premier comprendre le rôle joué par la surface terrestre.

Rayonnement terrestre

Comme tout corps absorbant de l’énergie, la surface terrestre voit sa température de surface augmenter. À noter que seule une très faible part (0,01 %) de cette température de surface est due à la Terre elle-même.

Or, comme nous l’avons vu dnas le cours précédent avec la loi de Wien, un corps chauffé émet un rayonnement électromagnétique. Ainsi, la Terre réfléchit une partie du rayonnement solaire également sous forme d’un rayonnement électromagnétique.
La température moyenne à la surface de la Terre est d’environ 15°C15\,\degree\text C. Grâce à la loi de Wien, on peut estimer la longueur d’onde du rayonnement émis :

λmax=2,9×103T\lambda{max}=\dfrac{2,9\times 10^{-3}}{T} soit λmax=2,9×103273,15+15\lambda{max}=\dfrac{2,9\times 10^{-3}}{273,15+15} soit λmax=1,0×105m\lambda_{max}=1,0\times 10^{-5}\,\text m

rayonnement électromagnétique longueur onde

D’après le graphique ci-dessus, le rayonnement émis par la surface terrestre appartient donc au domaine de l’infrarouge. Tout comme le rayonnement issu du Soleil, le rayonnement terrestre émis traverse l’atmosphère et une partie de la puissance de ce rayonnement est absorbée par celle-ci.

Effet thermostatique et effet de serre

absorption ondes électromagnétiques atmosphère

En analysant le graphique ci-dessus, on peut constater que :

  • l’atmosphère absorbe très peu le rayonnement visible ;
  • l’atmosphère absorbe une très grande partie du rayonnement infrarouge ;
  • l’atmosphère absorbe une grande partie du rayonnement ultraviolet (notamment à grâce à l’action de l’ozone et du dioxygène).
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Attention

Le dioxyde de carbone n’est pas le seul élément de l’atmosphère responsable de l’absorption des infrafrouges. D’autres constituants chimiques entrent en jeu, tels que l’eau, le méthane et les CFC (aérosols).

En absorbant la puissance véhiculée par ces rayonnements infrarouges provenant du globe terrestre dans les couches basses et ultraviolets provenant du Soleil dans les couches hautes, l’atmosphère se réchauffe et, de ce fait, elle émet aussi un rayonnement électromagnétique vers l’espace et vers le sol.
Le sol absorbe une partie de ce rayonnement provenant de l’atmosphère, il se réchauffe et émet à son tour un rayonnement. Et ainsi de suite.
C’est l’ensemble de ce processus qui est appelé effet de serre.

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Définition

Effet de serre :

L’effet de serre est le phénomène de réchauffement de la surface terrestre et des couches basses de l’atmosphère.

Le phénomène d’effet de serre permet de maintenir une température à la surface de la Terre qui est propice à la vie (15°C15\,\degree\text C en moyenne).

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À retenir

L’atmosphère retient donc une partie de la puissance radiative du Soleil, soit directement (absorption du rayonnement solaire) soit indirectement (absorption du rayonnement terrestre) et joue ainsi un rôle thermostatique, grâce à l’effet de serre, à la condition que les flux entrants et sortants soient équilibrés, c’est-à-dire que la puissance entrante est équivalente à la puissance sortante.

bilan radiatif Terre effet de serre

  • Les flux de chaleur latente et sensible correspondent à l’énergie libérée lors des changements d’états (de solide à liquide par exemple) et par la modification de la température des différentes matières.

Au regard de ce graphique, on observe que le bilan est équilibré (342W/m2=240W/m2+102W/m2342\text W/m^2=240\text W/m^2+102\text W/m^2), les rayonnements absorbés sont équivalents aux rayonnements émis.
Cet équilibre dynamique permet le maintien d’une température moyenne constante à la surface du globe.

Conclusion :

L’énergie libérée par le Soleil est en partie absorbée par l’ensemble globe-atmosphère et en partie réfléchie vers l’espace. Ces deux phénomènes jouent un rôle primordial pour permettre à la Terre d’avoir une température globale clémente, même s’il existe de grandes disparités régionales.

Il apparaît donc qu’une modification de la composition de l’atmosphère a des répercussions sur l’absorption et l’émission des ondes électromagnétiques par celle-ci et donc sur la température globale à la surface de la Terre.