Bilan radiatif de la Terre

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Réception. Vidéo illustrant les fluctuations des courtes longueurs d'onde, qui permet d'évaluer l'énergie reçue du Soleil par la Terre (26 et ).
Émission. Vidéo illustrant les fluctuations des grandes longueurs d'onde, qui permet d'évaluer l'énergie émise par la Terre (26 et ).

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 représentant à peine 0,01 % de l'énergie totale reçue par la surface de la Terre. On parle ainsi de bilan radiatif car l'énergie thermique provient principalement du rayonnement solaire, les autres entrées énergétiques étant négligeables. Le rayonnement solaire reçu par les couches les plus élevées de l'atmosphère est d'environ 340 W/m2 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.

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 (PW). Ce flux est composé de :

  • rayonnement solaire (99,97 %, soit 173 PW) :
    • 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 mètres carrés. L'énergie ainsi reçue, répartie sur l'ensemble du globe terrestre, correspond à une puissance moyenne 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 représente à peu près 0,025 % de la puissance totale reçue, environ 44,2 térawatts[3] ;
  • combustibles fossiles et fission radioactive réalisées par l'homme : ils représentent 0,009 %, 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 estimée à 13,9 × 1021 joules[5] ;
  • les frictions dues aux marées : 0,002 % soit 3 térawatts.

Échanges 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. Plus précisément, 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, estimé à 342 W/m2, se répartit en :
    • 107 W/m2 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 directement absorbés dans l'atmosphère par les molécules d'air et les nuages. Les ultraviolets sont absorbés en grande partie par l'ozone (O3) et les infrarouges par la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone (CO2). La lumière visible est absorbée en partie par les nuages, mais elle atteint majoritairement la surface de la Terre ;
    • 168 W/m2 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, comme mentionné ;
    • 78 W/m2 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 infrarouge émis par la surface terrestre.
Ces 519 W/m2 sont réémis ainsi :
  • 324 W/m2 sont émis par rayonnement infrarouge pour réchauffer la surface terrestre ;
  • 195 W/m2 sont émis par rayonnement infrarouge 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 infrarouge.
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 surface terrestre sous forme de rayonnement infrarouge vers l'atmosphère ;
  • 40 W/m2 sont émis par la surface terrestre sous forme de rayonnement infrarouge vers l'espace.
  • L'espace reçoit 342 W/m2 répartis comme suit :
    • 107 W/m2 réfléchis par l'atmosphère et la surface terrestre ;
    • 195 W/m2 émis par l'atmosphère sous forme de rayonnement infrarouge vers l'espace ;
    • 40 W/m2 émis par la surface terrestre sous forme de rayonnement infrarouge vers l'espace.
Les deux derniers forment le rayonnement sortant à grande longueur d'onde.

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 surface terrestre 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 :

avec :

M : puissance émise par unité de surface (W/m2 ;
T : température du corps en kelvins ;
= 5,670 367(13) × 10−8 W⋅m−2 ⋅K−4 : 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 surface terrestre, appelée température effective[7]. Le rayonnement infrarouge émis vers l'espace est de 235 W/m2 et correspond à 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 l'effet de serre, 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 kelvins 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]

Exemple d'estimation de l'évolution de la part de la chaleur respectivement accumulée par le sol, l'océan superficiel et profond (par rapport aux sols, en rouge), ici depuis 1960.
Article connexe : circulation thermohaline.
.

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 entraînée par un léger déséquilibre du bilan radiatif : la quantité d'énergie absorbée par le système Terre/océan-atmosphère devient légèrement supérieure à celle réémise vers l'espace, si bien que la température moyenne augmente tant que perdure ce déséquilibre, en vertu du principe de conservation de l'énergie.

L'augmentation du forçage radiatif anthropique entre 1750 et 2011 est évaluée à 2,29 (1,13 à 3,33) W/m2 par le cinquième rapport du GIEC[11].

La notion de température effective est parfois utilisée par les climatosceptiques pour contester les ordres de grandeur d'évolution de la température moyenne globale de la terre exploitant des modèles radiatifs[12]. Ces travaux ont suscité de nombreuses critiques[13].

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Rebecca Lindsey, Climate and Earth’s Energy Budget, NASA Earth Observatory, 14 janvier 2009.
  2. Si R est le rayon terrestre et F = 1 361 W/m2 la constante solaire, la puissance reçue par la Terre est, en W, . Mais, répartie sur une surface de , 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,‎ , p. 267–280 (lire en ligne).
  4. (en) AIE Energy Balance for World
  5. a et b (en) Bo Nordell et Bruno Gervet, « Global energy accumulation and net heat emission », International Journal of Global Warming, Université de technologie de Luleå, vol. 1, nos 1/2/3,‎ (lire en ligne [PDF])
  6. (en) « Natural Climate Variations ».
  7. (en) A.E. Roy, D. Clarke Taylor & Francis, « Astronomy Principles and Practice Fourth Edition », , p. 21.,(en) Barrie W. Jones, « Life in the Solar System and Beyond », Springer, .
  8. Marie-Antoinette Mélières, Température moyenne à la surface de la Terre et effet de serre, Laboratoire de glaciologie et géophysique de l’environnement (LGGE)
  9. Sylvie Joussaume, Alerte aux gaz à effet de serre, Pour la science, no 300, octobre 2002, p.85.
  10. La température moyenne mesurée au sol varie en surface grossièrement entre −50 °C et +40 °C selon les lieux.
  11. Changements climatiques 2013. Les éléments scientifiques. Contribution du Groupe de travail I au cinquième Rapport d’évaluation du GIEC. Résumé à l’intention des décideurs (lire en ligne [PDF]), p. 12.
  12. (en) Gerhard Gerlich et Ralf D. Tscheuschner, « Falsification Of The Atmospheric CO2 Greenhouse Effects Within The Frame Of Physics », International Journal of Modern Physics (en) B, vol. 23, no 3,‎ , p. 275-364 (lire en ligne [PDF]).
  13. (en) G. Gerlich and R. D. Tscheuschner, sur RealClimate.