Bilan radiatif de la Terre

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Aller à : navigation, rechercher

Le bilan radiatif de la Terre dresse un inventaire de l'énergie reçue et perdue par le système climatique de la Terre, sol-atmosphère-océans. L'apport d'énergie provient principalement du Soleil, celle produite au centre de la Terre représente à peine 0,01 % de l'énergie totale reçue par la surface de la Terre. Le rayonnement solaire reçu par les couches les plus élevées de l'atmosphère est d'environ 340 W.m-2 en moyenne annuelle[1] . Le Soleil étant une étoile de type G2, son spectre d'émission s'étend de 0,2 à 4 micromètres, c'est-à-dire de l'ultraviolet à l'infrarouge en passant par le visible.

On parle de bilan radiatif car l'énergie thermique provient principalement du rayonnement solaire. Les autres entrées énergétiques sont négligeables.

Énergie reçue[modifier | modifier le code]

Spectres de puissance du rayonnement solaire au sommet de l'atmosphère et au sol

La puissance totale entrante dans le système sol-atmosphère-océan est estimée à 174 pétawatts. Ce flux est composé par :

  • rayonnement solaire (99,97 %, soit 173 pétawatts)
    • Cette quantité est calculée en estimant que le rayonnement solaire moyen possède une densité énergétique égale à 1 361 watts par mètre carré à une distance de une unité astronomique, et que ce rayonnement est intercepté par la surface terrestre dont le disque apparent a une superficie de 1,27×1014 mètre carré. L'énergie ainsi reçue, répartie sur l'ensemble du globe terrestre, correspond à une puissance d'environ 340 watts par mètre carré[2].
    • Le système sol-atmosphère-océan n'absorbe pas toute cette énergie incidente, une partie est réfléchie (voir effet albédo, fonction du sol, des océans, des nuages, des glaces et donc du climat, avec des effets rétroactifs ou amplificateurs importants très complexes, d'autant plus qu'on cherche une grande précision). Environ 30% de l'énergie solaire reçue est réfléchie sans être absorbée.
    • Le rayonnement solaire n'est pas constant (voir cycle solaire) et il n'est pas connu avec une précision plus grande qu'à près d'un watt par mètre carré.
  • géothermie, la puissance issue de l'activité radioactive à l'intérieur de la Terre représentant à peu près 0,025 % de la puissance totale reçue, environ 44 térawatts[3].
  • les frictions dues aux marées (0,002 % soit 3 térawatts)
  • l'utilisation de combustibles fossiles et la fission radioactive (0,007 % soit 15 térawatts)[4]. L'énergie totale utilisée à partir des sources commerciales d'énergie entre 1880 et 2000, y compris le pétrole fossile et l’énergie nucléaire, est estimé à 13.9×1021 joules[5].

Echanges entre l'espace, la surface terrestre et l'atmosphère[modifier | modifier le code]

Bilan des échanges thermiques entre l'espace, l'atmosphère et la surface terrestre.

Le bilan radiatif de la Terre est globalement nul, c'est-à-dire que la quantité d'énergie absorbée est égale à la quantité d'énergie réémise, si bien que la température moyenne est sensiblement constante. Il serait plus précis de dire que le rayonnement reçu par la Terre (essentiellement solaire) est globalement réémis. Le bilan global est cependant légèrement positif, du fait de la chaleur issue de la Terre elle-même, modifiée par la chaleur dégagée ou absorbée par les océans[5], sur des temps de l'ordre du millénaire, .

  • Le rayonnement solaire incident est estimé à 342 W/m2 se répartissant en :
107 W/m2 sont réfléchis par l'atmosphère (77 W/m2) et par la surface terrestre (30 W/m2). L'albédo moyen du système Terre-atmosphère est de 31 %[6], c'est-à-dire que 31% du rayonnement reçu par le sommet de l'atmosphère sont réfléchis par l'atmosphère, les nuages ou la surface de la Terre (océans, neige, etc.), sans changement de longueur d'onde. Le reste est effectivement absorbé par la surface terrestre ou l'atmosphère sous forme de chaleur.
67 W/m2 sont directement absorbés dans l'atmosphère par les molécules d'air et les nuages. Les ultraviolets sont absorbés en grande partie par l'ozone \mathrm{O}_3, et les infrarouges par la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone \mathrm{CO}_2. La lumière visible est absorbée en partie par les nuages mais elle atteint majoritairement la surface de la Terre.
168 W/m2 sont absorbés par la surface terrestre (océans et continents).
  • L'atmosphère reçoit 519 W/m2 répartis comme suit :
67 W/m2 de la part du rayonnement solaire incident
78 W/m2 sont absorbés par l'évaporation de l'eau. L'énergie correspondante est convertie en chaleur latente d'évaporation, et libérée dans l'atmosphère lorsque la vapeur d'eau se condense pour former des nuages.
24 W/m2 par convection de l'air à la surface terrestre. Cet apport d'énergie constitue l'essentiel de l'apport de chaleur de la troposphère, c'est le flux de chaleur sensible[réf. nécessaire]. En effet, les infrarouges et les ultraviolets sont absorbés en grande partie dans la stratosphère, et le visible n'est presque pas absorbé par les molécules d'air.
350 W/m2 par absorption du rayonnement infra-rouge émis par la surface terrestre
Ces 519 W/m2 sont réémis ainsi :
324 W/m2 sont émis par rayonnement infra-rouge pour réchauffer la surface terrestre
195 W/m2 sont émis par rayonnement infra-rouge vers l'espace
  • La surface terrestre reçoit 492 W/m2 répartis comme suit :
168 W/m2 proviennent du rayonnement solaire parvenant à la surface terrestre
324 W/m2 proviennent de l'atmosphère sous forme de rayonnement infra-rouge.
Ces 492 W/m2 sont réémis comme suit :
78 W/m2 par évaporation de l'eau de la surface des océans
24 W/m2 par convection de l'air à la surface de la Terre
350 W/m2 sont émis par la Terre sous forme de rayonnement infra-rouge vers l'atmosphère
40 W/m2 sont émis par la Terre sous forme de rayonnement infra-rouge vers l'espace
  • L'espace reçoit 342 W/m2 répartis comme suit :
107 W/m2 réfléchi par l'atmosphère et la Terre
195 W/m2 sont émis par rayonnement infra-rouge vers l'espace
40 W/m2 sont émis par la Terre sous forme de rayonnement infra-rouge vers l'espace

Température moyenne de la Terre[modifier | modifier le code]

La Terre n'étant pas à petite échelle et à court terme en équilibre thermique, la définition d'une température moyenne de la Terre nécessite de la considérer dans sa globalité et à long terme. De ce point de vue, la surface terrestre émet 390 W/m2 par rayonnement infrarouge. Cette quantité permet d'attribuer à la Terre une température moyenne théorique en assimilant la Terre à un corps noir. La loi de Stefan-Boltzmann permet en effet de déterminer la température d'un tel corps à partir de la quantité de rayonnement qu'il émet, selon la formule :

M = \sigma T^4

avec

M puissance émise par unité de surface.
T température du corps en Kelvin.
\sigma la constante de Stefan-Boltzmann.

Pour M = 390 W/m2, la formule donne une température de +15 °C. Cette valeur correspond à une température théorique radiative de la Terre, appelée température effective[7] . Le rayonnement infra-rouge émis vers l'espace est de 235 W/m2 et correspond une température théorique de -19 °C. La différence entre la puissance émise par la surface terrestre et la puissance émise vers l'espace, à savoir 155 W/m2, correspond à ce qui est appelé communément effet de serre et qui porte également le nom de forçage radiatif. D'origine naturelle, il réchauffe donc la surface terrestre d'environ 30 °C, dont 20 °C sont attribués à la vapeur d'eau dans l'atmosphère, et 10 °C au CO2[8] [9].

Dans ce modèle simplifié, la température effective n'est que la transcription en °K d'une émission moyenne d'énergie, sur la globalité de la Terre, sans tenir compte des disparités[10] de température locale entre les pôles et l'équateur, ou selon les saisons.

Impact de l'« effet de serre »[modifier | modifier le code]

Le phénomène de réchauffement climatique récemment constaté est dû à l'augmentation de la concentration en gaz à effet de serre qui accentue à la fois l'absorption directe de la lumière infrarouge émise par le Soleil (mais pas forcément l'absorption globale Terre-atmosphère), et le forçage radiatif consécutif à l'absorption de l'énergie provenant de la Terre. L'augmentation globale de la température est entrainée par un léger déséquilibre du bilan radiatif : la quantité d'énergie absorbée par le système Terre-atmosphère devient légèrement supérieure à celle réémise vers l'espace, si bien que la température moyenne augmente tant que perdure ce déséquilibre.

C'est ce déséquilibre qui produit l'augmentation interne des flux thermiques du système Terre-atmosphère durant le réchauffement global. Cette augmentation du forçage radiatif attribué à l'homme est évalué actuellement à 1,5 W/m2 par le quatrième rapport du GIEC[11]. La température moyenne effective attribuée à la Terre par la loi de Stefan-Boltzmann est trop simpliste pour donner des prévisions fiables mais donne néanmoins un ordre de grandeur de l'impact de l'accroissement des gaz à effet de serre. Une augmentation de 1,5 W se traduit alors par une augmentation de la température moyenne de 0,3 °C. Des prévisions plus fiables nécessitent des études et des mesures complexes, portant en particulier sur les effets rétroactifs qui peuvent amplifier ou au contraire atténuer le phénomène.

La notion de température effective est parfois utilisée par les climato-sceptiques pour contester les ordres de grandeur d'évolution de la température moyenne globale de la terre basés sur des modèles radiatifs[12].

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en)Climate and Earth’s Energy Budget, Rebecca Lindsey, Earthobservatory.nasa.gov, 14 janvier 2009.
  2. Si R est le rayon terrestre et F = 1361 W/m2 la constante solaire, la puissance reçue par la Terre est, en W, \pi R^2 \times F. Mais, répartie sur une surface de 4\pi R^2, la puissance reçue est F/4 W/m2.
  3. (en) H. N. Pollack, S. J. Hurter et J. R. Johnson, « Heat Flow from the Earth's Interior : Analysis of the Global Data Set », Reviews of Geophysics (en), vol. 30, no 3,‎ 1993, p. 267–280 (lire en ligne)
  4. (en) AIE Energy Balance for World
  5. a et b (en) Bo Nordell, « Global energy accumulation and net heat emission » (consulté le 24 mars 2014) Université de technologie de Luleå [PDF]
  6. (en) « Natural Climate Variations »
  7. (en) « Astronomy Principles and Practice Fourth Edition »,‎ 1 juin 2003 ,(en) Barrie W. Jones, « Life in the Solar System and Beyond », Springer,‎ 11 févr. 2004
  8. Marie-Antoinette Mélières, Laboratoire de glaciologie et géophysique de l’environnement (LGGE), Température moyenne à la surface de la Terre et effet de serre
  9. Sylvie Joussaume, Alerte aux gaz à effet de serre, Pour la Science, no 300 (oct. 2002), p.85
  10. La température moyenne mesurée au sol varie en surface grossièrement entre -50 °C et +40 °C selon les lieux.
  11. Voir le « rapport 2007 du GIEC » — p. 48
  12. Voir par exemple : Falsification Of The Atmospheric CO2 Greenhouse Effects Within The Frame Of Physics, p. 62-64. Ces travaux ont suscité de nombreuses critiques