2-2 Le bilan radiatif terrestre

 

Rappel de 3eme :

La surface de la Terre est inondée d’énergie issue du Soleil. Sur ce schéma, on aperçoit une pellicule de gaz autour de la terre qu’on appelle l’atmosphère. Cette dernière est composée principalement d’azote (78%) et d’oxygène (21%), les 1% restants sont constitués de nombreux gaz présents en toute petite quantité comme la vapeur d’eau, le méthane, le dioxyde de carbone.  La surface terrestre rayonne vers l’espace une lumière invisible à l’œil. 

Quelle est la puissance solaire reçue par la Terre ?

A la fin de la séance je sais :

❑ que la puissance radiative reçue du Soleil par une surface varie selon différents facteurs :

  • son  rayon et sa distance au soleil (vu en physique)
  • l’albédo, l’effet de serre
  • l’absorption des rayons par l’atmosphère

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

A/ Importance de l’albédo Livre p84-85

TP Albédo

Si un objet reçoit plus d’énergie qu’il n’en perd, sa température augmente.

Comme sa température augmente, l’énergie perdue par émission de rayonnement augmente. L’équilibre est atteint lorsque l’énergie que perd l’objet est exactement compensée par l’énergie qu’il reçoit.

Lorsque le rayonnement solaire atteint la surface de la planète, une partie de ce rayonnement (puissance reçue Pr) est diffusée (puissance diffusée Pdiff) sous forme de rayonnement et une autre partie est convertie en énergie thermique (puissance absorbée Pa). Pr = Pdiff +Pa

La puissance diffusée est liée aux caractéristiques de surface et en particulier l’albédo noté A. A = Pdiff / Pr

L’albédo dépend de la nature de la surface terrestre (voir ci-contre)

Le sol émet un rayonnement dont la puissance par unité de surface augmente avec la température et est conditionné par la nature du sol.

Une fraction de la puissance reçue du Soleil, quantifiée par l’albédo terrestre moyen, est diffusée par la Terre vers l’espace, le reste est absorbé par l’atmosphère, les continents et les océans.

Pour aller plus loin

exercices 6p93 la température des planètes telluriques et 5p93 l’albédo de Vénus

Si la banquise fond avec le réchauffement climatique, comment varie l’albédo ? Quelles seront les conséquences sur la température terrestre moyenne ?

B/ Importance de l’atmosphère

La surface de la Terre reçoit de l’énergie solaire : voir ci-dessous le rayonnement solaire reçu.

Spectre du rayonnement solaire mesuré au sommet de l’atmosphère (trait plein) et au niveau de la mer (en rouge)

La puissance du rayonnement parvenant au sommet de l’atmosphère est 

  • faible pour les UV (de 250 nm à 400 nm)
  • forte pour le visible (de 400 nm à 900 nm)
  • faible pour le proche IR (de 900 nm à 2500 nm)

Après filtration par les gaz de l’atmosphère, la puissance du rayonnement solaire au niveau de la mer (courbe en rouge) est différente : 

  • nulle pour les UV inférieurs à 300 nm : ils ont été absorbés, 
  • forte pour le visible : il a été très peu absorbé, 
  • faible pour l’IR : il a été un peu absorbé.

L’atmosphère a donc un premier rôle de filtration des rayonnements, essentiellement UV et IR.

La Terre réémet l’énergie reçue : voir ci-dessous le rayonnement solaire réémis

Spectre du rayonnement de la surface terrestre mesuré au niveau du sol (trait pointillé rouge) et au sommet de l’atmosphère (trait plein bleu)

La puissance du rayonnement terrestre à la base de l’atmosphère est maximale autour de 10-15 µm (courbe rouge). Ce rayonnement est constitué uniquement d’infrarouges. 

Après filtration par les gaz de l’atmosphère, la puissance du rayonnement solaire au niveau du sommet de l’atmosphère (courbe en pointillés) est faible pour les IR inférieurs à 7 µm et entre 14 et 17 µm : ils ont été absorbés, 

L’atmosphère a donc un deuxième rôle de filtration des rayonnements IR.

Le sol émet un rayonnement électromagnétique dans le domaine infrarouge (longueur d’onde voisine de 10 μm) et dont la puissance par unité de surface augmente avec la température.

quantité de rayonnement émis par la Terre en fonction des différentes longueurs d’ondes
  • UV=ultraViolets
  • VIS=visible
  • IR=InfraRouge

 

Une partie de l’énergie reçue du Soleil est d’emblée réfléchie (par l’atmosphère, la glace, le sol…) principalement dans le visible (c’est ce que nous voyons lorsqu’il fait jour) en vert sur la figure ci-contre.

Une autre partie est absorbée sous forme de chaleur puis réémise vers l’espace sous forme d’un rayonnement infrarouge. en bleu sur la figure ci-contre.

Quels gaz atmosphériques sont capables d’absorber ces différents rayonnements ?

L’absorption du rayonnement thermique par les gaz : la notion de gaz à effet de serre.

Contribution de différents gaz atmosphériques à l’absorption des rayonnements

Sur le document, tracer un trait vertical à 4 µm séparant à gauche le rayonnement solaire incident (entre 0,3 et 4 μm) qui arrive du Soleil, et à droite l’infrarouge thermique (de 4 à 40 μm) qui est réémis par la Terre.

On voit que 

  • le rayonnement incident est peu absorbé (sauf l’ozone O3 qui absorbe les UV entre 0,2 et 0,3 µm),
  • le rayonnement infrarouge thermique est absorbé par la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone, le méthane, l’oxyde nitreux. 

Ces gaz absorbants, échauffés par l’absorption de l’énergie correspondante à ce rayonnement infrarouge, réémettent un rayonnement infrarouge qui contribue à élever la température de l’atmosphère. C’est le phénomène de l’effet de serre et les gaz impliqués sont qualifiés de gaz à effet de serre (GES).

Bilan :

Le sol reçoit à la fois un rayonnement dans le visible venant du Soleil et un rayonnement IR venant de l’atmosphère.
Le sol terrestre émet un rayonnement thermique infrarouge (IR) qui est fonction de sa température. Plus la température du sol est élevée, plus la puissance qu’il émet est importante.
Une grande partie de ce rayonnement est absorbée au niveau de l’atmosphère terrestre par les gaz à effet de serre. En retour, l’atmosphère émet un rayonnement thermique IR dont une partie est absorbée par le sol. On appelle « effet de serre » l’échange continuel d’énergie sous forme de rayonnement IR entre le sol terrestre et l’atmosphère.

[TP modélisation de l’effet de serre]

Le bilan radiatif terrestre

Une partie du rayonnement solaire (flèches jaunes) est réfléchie par l’atmosphère et la surface terrestre (30 W.m-2 vers l’espace). Une autre partie est absorbée (flèche jaune vers océan/continent 51 W.m-2) et réchauffe la Terre.

Pour se refroidir, la Terre doit émettre de l’énergie vers l’espace (flèches rouges) sous forme de rayonnement (51 W.m-2 émission nette de la surface aux grandes λ et autres flux).

Une partie de cette puissance reçue du Soleil est absorbée par l’atmosphère, qui elle-même émet un rayonnement infrarouge vers le sol et vers l’espace (effet de serre).

Bilan : Les différents rayonnements reçus et émis par le sol.

La puissance reçue par le sol en un lieu donné est égale à la somme de la puissance reçue du Soleil et de celle reçue de l’atmosphère. Ces deux dernières sont du même ordre de grandeur.

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

Si la concentration en gaz à effet de serre augmente dans l’atmosphère, quelle sera la conséquence pour les températures terrestres ?

Comme rien n’est simpliste en Sciences, un petit coup d’œil à ce site climato-sceptique (dernière mise à jour 2012). Tout modèle scientifique est discutable, et la science est perpétuellement remise en question par les scientifiques eux-mêmes.

Ensuite, il faut confronter les hypothèses des uns et des autres aux faits mesurés rigoureusement sur le terrain. Dans le cas du réchauffement climatique, le bilan est là :

Article : Les prédictions climatiques d’il y a dix ans sont-elles confirmées aujourd’hui ? (Libération 03/04/2019)

Pour aller plus loin

Pour faire le bilan de ce chapitre et des impacts du changement climatique :

exercice 8p94 les bilans radiatifs terrestres

Exercices intéractifs 

Proposez une légende pour chaque numéro du schéma et nommez les domaines de longueurs d’onde impliqués.

QCM sur le bilan radiactif terrestre

Exercice vrai ou faux


Savoir

  • La proportion de la puissance totale, émise par le Soleil et atteignant la Terre, est déterminée par son rayon et sa distance au Soleil.
  • Une fraction de cette puissance, quantifiée par l’albédo terrestre moyen, est diffusée par la Terre vers l’espace, le reste est absorbé par l’atmosphère, les continents et les océans.
  • Le sol émet un rayonnement électromagnétique dans le domaine infra-rouge (longueur d’onde voisine de 10 μm) dont la puissance par unité de surface augmente avec la température.
    Une partie de cette puissance est absorbée par l’atmosphère, qui elle-même émet un rayonnement infrarouge vers le sol et vers l’espace (effet de serre).
  • La puissance reçue par le sol en un lieu donné est égale à la somme de la puissance reçue du Soleil et de celle reçue de l’atmosphère. Ces deux dernières sont du même ordre de
    grandeur.
  • Un équilibre, qualifié de dynamique, est atteint lorsque le sol reçoit au total une puissance moyenne égale à celle qu’il émet. La température moyenne du sol est alors constante.

Savoir faire

  • En s’appuyant sur un schéma, calculer la proportion de la puissance émise par le Soleil qui atteint la Terre.
  • 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.
  • Expliquer qualitativement l’influence des différents facteurs (albedo, effet de serre) sur la température terrestre moyenne.

Correction exercices

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