Chapitre 5 - Le bilan radiatif terrestre

20/01/2020 18:26

    La Terre reçoit l’essentiel de son énergie du Soleil. Cette énergie conditionne la température de surface de la Terre et détermine climats et saisons.

Problématique : Comment le bilan énergétique de la Terre conditionne-t-il sa température ?

 

 B1 – Le bilan radiatif terrestre

Objectif : Comprendre l’équilibre radiatif terrestre.

• Calculer la proportion de la puissance émise par le Soleil qui atteint la Terre à partir d’un schéma.
• L’albédo terrestre étant donné, déterminer la puissance totale reçue par le sol de la part du Soleil.
• Commenter la courbe d’absorption de l’atmosphère terrestre en fonction de la longueur d’onde
• Représenter sur un schéma les différents rayonnements reçus et émis par le sol.

 

I – Le rayonnement solaire reçu par la Terre :

1) La puissance solaire reçue par la Terre :

    Le Soleil émet une immense quantité d’énergie (rayonnement électromagnétique dans le spectre du visible) dans toutes les directions : c’est la puissance solaire. La puissance solaire que reçoit une planète est fonction de :

- son rayon : plus son rayon est grand, plus la puissance solaire captée est grande.

- sa distance au Soleil : plus elle est proche du Soleil, plus elle reçoit d’énergie.

Ex. :  La Terre, à la même distance que la Lune, reçoit plus d’énergie car elle a un diamètre 3,6 fois plus grand.

 Jupiter, 11 fois plus grande que la Terre, reçoit beaucoup moins d’énergie car elle est 5 fois plus éloignée du Soleil.

 Seule une infime partie de la puissance solaire atteint la Terre. L’énergie solaire reçue, appelée constante solaire, est de 342 W/m² en 24h.

N.B. : Rappels du chapitre 4 :

La puissance solaire reçue par unité de surface terrestre varie selon :

 - l’heure de la journée = variation diurne due à la rotation de la Terre sur elle-même.

 - le moment de l’année = variation saisonnière, due à l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre et sa révolution autour au Soleil.

 - la latitude = zonation climatique, due à la forme sphérique de la Terre.

 

    2) L’influence de l’atmosphère :

   L’atmosphère terrestre est constituée de gaz et d’aérosols c’est-à-dire de fines gouttelettes et de poussières. L’énergie solaire qui entre dans l’atmosphère est diffusée dans toutes les directions par ses constituants. Une partie repart donc vers l’espace par réflexion.

    20 % de l’énergie solaire est également absorbée par l’atmosphère, soit 70 W/m².

 

  3) L’albédo :

   L’énergie qui atteint finalement le sol est réfléchie par celui-ci. L’albédo est le rapport entre l’énergie réfléchie et l’énergie reçue par une surface. Il est compris entre 0 pour une surface qui absorbe totalement le rayonnement et 1 pour une surface qui le réfléchit entièrement.

 Ex. : les océans et les forêts sont sombres et ont donc un albédo faible ; les nuages, la glace et les déserts sont clairs et ont donc un albédo élevé.

 L’albédo moyen de la Terre est 0,30 c’est-à-dire que la Terre réfléchit vers l’espace 30% de l’énergie solaire qu’elle reçoit, soit 102 W.m².

 

 II – L’effet de serre :

        1) Le rayonnement infrarouge :

    L’énergie solaire finalement absorbée par le sol représente environ la moitié de la puissance solaire initiale, soit 175 W.m². Cela provoque une augmentation de sa température qui se traduit par l’émission d’un rayonnement thermique infrarouge (IR de λ ≈ 10 µm). Plus la température est élevée, plus l’intensité du rayonnement IR est importante. Ceci limite l’élévation de température de la surface terrestre par accumulation de chaleur. 

 

  2) L’absorption des IR par l’atmosphère :

   L’atmosphère contient des gaz à effet de serre : vapeur d’eau et dioxyde de carbone entre autres. Ils absorbent en partie le rayonnement IR émis par le sol. L’atmosphère émet alors elle-même un rayonnement infrarouge vers le sol et vers l’espace. Le phénomène se répète jusqu’à ce que toute l’énergie accumulée soit renvoyée vers l’espace (240 W/m²).

  Ce mécanisme naturel provoque une augmentation de 38°C de la température moyenne à la surface de la Terre (il fait en moyenne –23°C sur la Lune contre 15°C sur la Terre). C’est l’effet de serre. Sans lui, la présence de Vie sur notre planète n’aurait pas été possible puisqu’il n’y aurait pas d’eau liquide.

 

 III – Le bilan radiatif terrestre :

  Au final, le sol reçoit à la fois un rayonnement visible venant du Soleil et un rayonnement IR venant de l’atmosphère. Ils sont du même ordre de grandeur. En retour il émet un rayonnement IR.

  On dresse le bilan radiatif terrestre en faisant la différence entre l’énergie reçue par la Terre et l’énergie réémise vers l’espace :

Un équilibre, qualifié de dynamique, est atteint puisque le sol reçoit au total une puissance moyenne égale à celle qu’il émet. La température moyenne du sol est alors constante.