Pour réussir votre examen sur le bilan radiatif de la Terre, comprendre ces notions clés vous garantira une excellente note. Le bilan radiatif est un concept fondamental pour comprendre le climat terrestre et l'effet de serre.

Radiations Solaires Incidentes

La Terre reçoit un flux constant d'énergie du Soleil. Au sommet de l'atmosphère, cette puissance est d'environ 340 watts par mètre carré ($$340 \text{ W/m}^2$$).

Absorption et Réflexion par l'Atmosphère

• Réflexion atmosphérique (Albédio atmosphérique) : Une partie du rayonnement solaire est directement réfléchie vers l'espace par l'atmosphère, notamment par les nuages. Cela représente environ 80 W/m².
• Absorption atmosphérique : L'atmosphère absorbe directement environ 80 W/m². Cette énergie est utilisée, par exemple, pour la vaporisation des gouttelettes d'eau dans les nuages (passage de l'état liquide à gazeux).

Rayonnement Arrivant à la Surface Terrestre

Après les interactions avec l'atmosphère, il reste 180 W/m² qui atteignent la surface de la Terre.

Absorption et Réflexion par la Surface Terrestre

• Réflexion terrestre (Albédio terrestre) : La surface de la Terre elle-même réfléchit une partie du rayonnement solaire. Des surfaces comme les déserts ou les glaces ont un albédo élevé. En moyenne, 20 W/m² sont réfléchis par la surface terrestre vers l'espace.
• Absorption terrestre : La Terre absorbe directement 160 W/m² (180 W/m² - 20 W/m²). C'est cette absorption qui chauffe la surface terrestre.

Émission de la Terre (Rayonnements Infrarouges)

Comme tout corps chauffé, la surface de la Terre émet des rayonnements infrarouges (IR). Ces IR sont essentiels pour le réchauffement de l'atmosphère.

• Fenêtre atmosphérique : Une petite partie des infrarouges émis par la Terre, soit 40 W/m², s'échappe directement vers l'espace sans être absorbée par l'atmosphère.
• Transferts thermiques latents et sensibles :
  • Vaporisation de l'eau : Environ 105 W/m² sont absorbés par l'atmosphère suite à la vaporisation de l'eau à la surface (par exemple, des océans). L'énergie est libérée lors de la condensation dans l'atmosphère.
  • Transferts de chaleur sensible : La Terre transfère aussi de la chaleur à l'atmosphère par convection (mouvement des masses d'air).
• Absorption des IR par l'atmosphère : La majeure partie des infrarouges émis par la Terre, soit 355 W/m², est absorbée par l'atmosphère. C'est le début du processus de l'effet de serre.

Rôle de l'Atmosphère et Effet de Serre

Absorption et Émission Atmosphérique

L'atmosphère, ayant absorbé de l'énergie (solaires, IR terrestres, chaleur latente et sensible), se réchauffe et, à son tour, émet des rayonnements infrarouges (elle aussi se comporte comme un corps chaud).

• Rayonnement IR atmosphérique vers l'espace : Une partie (200 W/m²) des infrarouges émis par l'atmosphère s'échappe vers l'espace.
• Rayonnement IR atmosphérique vers la Terre (Effet de Serre) : Environ 340 W/m² des infrarouges émis par l'atmosphère sont renvoyés vers la surface terrestre, la réchauffant davantage. C'est le principe de l'effet de serre.

Gaz à Effet de Serre (GES)

L'absorption des infrarouges dans l'atmosphère est réalisée par des gaz à effet de serre (GES). Ces gaz, tels que la vapeur d'eau ($H_2O$), le dioxyde de carbone ($CO_2$) et le méthane ($CH_4$), piègent la chaleur, empêchant la Terre de se refroidir excessivement.

Conséquence de l'Effet de Serre

Sans effet de serre, la température moyenne de la Terre serait d'environ -15°C. Grâce à l'effet de serre naturel, la température moyenne est d'environ 15°C, permettant la vie.

Équilibre Radiatif de la Terre

L'équilibre radiatif est atteint lorsque la puissance radiative totale reçue par une surface est égale à la puissance totale émise par cette même surface.

Équilibre des flux à la surface de la Terre

Calculons l'équilibre des flux à la surface terrestre pour comprendre comment la température se maintient stable. Si la Terre n'était pas à l'équilibre, sa température changerait.

Le léger déséquilibre de 20 W/m² observé ici est dû à la simplification du modèle et montre l'importance d'un bilan précis pour un climat stable. Dans un bilan parfait, les flux entrants et sortants seraient égaux.

Perturbation de l'Équilibre

Toute perturbation de cet équilibre (par exemple, une augmentation des gaz à effet de serre due aux activités humaines) entraîne un déséquilibre, qui conduit à un réchauffement ou un refroidissement global, jusqu'à l'établissement d'un nouvel équilibre à une température différente.

Points Clés à Retenir pour l'Examen

• Comprendre la différence entre absorption et réflexion (albédo).
• Maîtriser le rôle des infrarouges émis par la Terre et par l'atmosphère.
• Expliquer le mécanisme de l'effet de serre et l'implication des gaz à effet de serre.
• Connaître les ordres de grandeur des puissances en W/m² pour chaque flux (même si les chiffres précis peuvent varier légèrement, le mécanisme est le plus important).
• Savoir définir et expliquer l'importance de l'équilibre radiatif pour la température terrestre.

Le Bilan Radiatif de la Terre et l'Effet de Serre

Le bilan radiatif de la Terre est un concept fondamental en science de l'environnement qui décrit l'équilibre entre l'énergie solaire reçue par la Terre et l'énergie renvoyée vers l'espace. Cet équilibre détermine la température moyenne de notre planète.

1. Rayonnement Solaire Incident

La Terre reçoit constamment de l'énergie du Soleil sous forme de rayonnement solaire. Au sommet de l'atmosphère, cette puissance est estimée à 340 watts par mètre carré ($W \cdot m^{-2}" data-type="inline-math"></span>$).

2. Réflexion et Absorption par l'Atmosphère

Lorsque le rayonnement solaire atteint l'atmosphère terrestre, plusieurs phénomènes se produisent :

• Réflexion par l'atmosphère (Albédop atmosphérique): Une partie de ce rayonnement est directement réfléchie vers l'espace par les nuages et les particules atmosphériques. Cela représente environ 80 .

• Absorption par l'atmosphère: Une autre partie est absorbée par les gaz et les molécules d'eau dans l'atmosphère. Cette absorption correspond à environ 80 . Cette énergie absorbée contribue notamment à la vaporisation de l'eau.

3. Rayonnement Atteignant la Surface Terrestre

Après l'interaction avec l'atmosphère, il reste environ 180 de rayonnement solaire qui atteignent la surface de la Terre.

4. Réflexion et Absorption par la Surface Terrestre

À la surface de la Terre, le rayonnement interagit de nouveau :

• Réflexion par la surface terrestre (Albédop terrestre): Certaines surfaces comme les déserts ou les glaces réfléchissent une partie du rayonnement solaire vers l'espace. En moyenne, cela représente environ 20 .

• Absorption par la surface terrestre: La majeure partie du rayonnement restant (160 ) est absorbée par la surface terrestre. Cette absorption est essentielle car elle chauffe la Terre.

En résumé de l'absorption solaire :

• Atmosphère absorbe : 80

• Surface terrestre absorbe : 160

• Total absorbé par le système Terre-atmosphère : 240

5. Émission de Rayonnement Infrarouge par la Terre

Comme tout corps chaud, la surface de la Terre chauffée par le Soleil émet du rayonnement, principalement dans le spectre des infrarouges. Cette émission est cruciale pour l'équilibre thermique.

• Fenêtre atmosphérique: Une petite partie de ces infrarouges (40 ) traverse directement l'atmosphère et s'échappe vers l'espace. C'est la "fenêtre atmosphérique".

• Absorption par l'atmosphère et transferts d'énergie: Le reste de l'énergie thermique de la surface est transféré à l'atmosphère de différentes manières :

  • Absorption directe par l'atmosphère: La plus grande partie des infrarouges émis par la Terre (355 ) est absorbée par l'atmosphère. C'est le cœur de l'effet de serre.

  • Changements d'état de l'eau: Une partie de l'énergie est utilisée pour la vaporisation de l'eau (passage de l'état liquide à gazeux) et la mise en mouvement des océans. Cette énergie est ensuite dissipée dans l'atmosphère sous forme de chaleur latente, estimée à 105 .

6. Rôle de l'Atmosphère et l'Effet de Serre

L'atmosphère, ayant absorbé une grande quantité d'énergie solaire et d'infrarouges émis par la Terre, se réchauffe à son tour. Un corps chaud émettant des infrarouges, l'atmosphère va elle aussi en émettre :

• Émission vers l'espace: Une partie des infrarouges émis par l'atmosphère (200 ) est renvoyée vers l'espace.

• Émission vers la Terre (Contre-rayonnement ou Effet de Serre): L'atmosphère émet également une quantité significative d'infrarouges (343 ) vers la surface de la Terre. C'est ce qu'on appelle l'effet de serre. Ce rayonnement supplémentaire réchauffe la surface terrestre, en plus du rayonnement solaire direct.

L'effet de serre est un phénomène naturel vital pour la vie sur Terre. Sans lui, la température moyenne de la planète serait d'environ . Grâce à l'effet de serre, cette température est d'environ . Les gaz responsables de ce phénomène sont appelés gaz à effet de serre (GES), tels que la vapeur d'eau (), le dioxyde de carbone () et le méthane ().

7. Équilibre Radiatif

Définition

L'équilibre radiatif est atteint lorsqu'une surface ou un système reçoit autant d'énergie qu'il en émet. Dans le contexte de la Terre, cela signifie que la puissance totale reçue doit être égale à la puissance totale émise pour que la température moyenne reste stable.

Équilibre à la Surface Terrestre

Pour la surface de la Terre, les puissances reçues sont :

• Rayonnement solaire absorbé : 160

• Infrarouges de l'atmosphère (effet de serre) : 343

• Total reçu : $160 + 343 = 503

Les puissances émises ou transférées par la surface terrestre sont :

• Rayonnement infrarouge absorbé par l'atmosphère : 355

• Rayonnement infrarouge s'échappant (fenêtre atmosphérique) : 40

• Transfert par vaporisation et mouvements océaniques : 105

• Total émis/transféré : $355 + 40 + 105 = 500

Ces valeurs montrent un équilibre presque parfait, permettant une température stable à la surface. Toute perturbation de cet équilibre (par exemple, une augmentation des GES) entraîne un réchauffement jusqu'à l'établissement d'un nouvel équilibre.

Points Clés à Retenir

• Le bilan radiatif est l'équilibre entre l'énergie reçue (soleil) et émise (infrarouge) par la Terre.

• L'albédo est la proportion de rayonnement réfléchie par une surface (atmosphère ou Terre).

• La Terre émet des infrarouges car elle est chauffée.

• L'effet de serre est le réchauffement de la Terre dû à l'absorption et la réémission d'infrarouges par l'atmosphère.

• Les gaz à effet de serre (GES) sont responsables de l'effet de serre.

• L'équilibre radiatif signifie que l'énergie reçue est égale à l'énergie émise, garantissant une température moyenne stable.

• Un déséquilibre radiatif (par exemple, par l'augmentation des GES) entraîne un changement de température.

Le bilan radiatif terrestre décrit l'équilibre entre l'énergie solaire reçue par la Terre et l'énergie renvoyée vers l'espace. Cet équilibre est fondamental pour maintenir une température stable à la surface de notre planète et est directement lié à l'effet de serre. Comprendre les flux d'énergie entrants et sortants permet de saisir les mécanismes qui régulent la température terrestre.

Flux d'énergie entrant (depuis le Soleil)

L'énergie solaire arrive sur Terre sous forme de rayonnement. Au sommet de l'atmosphère, la Terre reçoit une puissance moyenne de 340 watts par mètre carré (W/m²).

Interaction avec l'atmosphère

• Réflexion atmosphérique (Albédo atmosphérique) : Une partie de l'énergie est directement réfléchie par l'atmosphère, notamment par les nuages.

  • 80 W/m² sont réfléchis vers l'espace par l'atmosphère.

• Absorption atmosphérique : L'atmosphère absorbe une autre partie de ce rayonnement.

  • 80 W/m² sont absorbés par l'atmosphère, contribuant à des processus comme la vaporisation de l'eau dans les nuages (passage de l'état liquide à gazeux).

Flux atteignant la surface terrestre

Après l'interaction avec l'atmosphère, il reste 180 W/m² qui atteignent la surface de la Terre.

• Réflexion par la surface terrestre (Albédo terrestre) : La surface terrestre reflète également une partie de ce rayonnement, surtout les surfaces claires comme les glaces ou les déserts.

  • 20 W/m² sont réfléchis par la surface de la Terre vers l'espace.

• Absorption par la surface terrestre : Le reste est absorbé par la surface, la chauffant.

  • 160 W/m² sont directement absorbés par la surface de la Terre.

Flux d'énergie sortant (depuis la Terre)

Comme tout corps chauffé, la Terre émet de l'énergie sous forme de rayonnements infrarouges (IR).

Émission directe vers l'espace

• Fenêtre atmosphérique : Une partie des infrarouges émis par la Terre traverse directement l'atmosphère sans être absorbée et s'échappe vers l'espace.

  • 40 W/m² s'échappent directement vers l'espace.

Absorption et réémission par l'atmosphère (Effet de serre)

La majeure partie des infrarouges émis par la surface terrestre est absorbée par l'atmosphère, en particulier par les gaz à effet de serre (GES) comme la vapeur d'eau, le méthane (CH₄) ou le dioxyde de carbone (CO₂).

• Absorption par l'atmosphère :

  • 355 W/m² d'infrarouges émis par la surface sont absorbés par l'atmosphère.

• Transfert d'énergie par changements d'état et mouvements :

  • 105 W/m² de l'énergie absorbée par la Terre sont aussi transférés à l'atmosphère via des processus comme la vaporisation de l'eau des océans (chaleur latente) et la mise en mouvement des océans (chaleur sensible dissipée).

L'atmosphère, étant chauffée par cette absorption (80 W/m² de rayonnement solaire, 355 W/m² d'IR terrestres, et 105 W/m² par transferts), émet à son tour des rayonnements infrarouges.

• Émission de l'atmosphère vers l'espace :

  • 200 W/m² d'infrarouges sont émis par l'atmosphère vers l'espace.

• Émission de l'atmosphère vers la Terre (Contribution à l'effet de serre) :

  • 340 W/m² d'infrarouges sont émis par l'atmosphère et retournent vers la surface terrestre, réchauffant la Terre en retour. Ce phénomène est l'essence de l'effet de serre.

L'Équilibre radiatif et l'Effet de serre

Qu'est-ce que l'Équilibre Radiatif ?

Il y a équilibre radiatif sur une surface lorsque la puissance totale reçue est égale à la puissance totale émise. Pour la Terre dans son ensemble (surface + atmosphère), cet équilibre est essentiel pour que sa température moyenne reste relativement stable.

Si la Terre n'avait pas d'atmosphère et donc pas d'effet de serre, sa température moyenne serait d'environ -15°C. Grâce à l'effet de serre naturel, la température moyenne de la Terre est d'environ +15°C, ce qui permet la présence d'eau liquide et le développement de la vie.

Mécanisme de l'Effet de Serre

L'effet de serre est le processus par lequel certains gaz présents dans l'atmosphère absorbent les rayonnements infrarouges émis par la surface terrestre et les réémettent en partie vers le sol, contribuant à son réchauffement.

C'est un phénomène naturel et vital. Sans les gaz à effet de serre (GES), la vie telle que nous la connaissons ne serait pas possible sur Terre.

• Le rayonnement solaire chauffe la Terre.

• La Terre chaude émet des infrarouges.

• Les GES dans l'atmosphère absorbent ces infrarouges.

• L'atmosphère (contenant les GES) réchauffe et émet à son tour des infrarouges, dont une partie retourne chauffer la surface terrestre.

Synthèse des flux et de l'équilibre

Pour la surface terrestre seule, on peut vérifier également un équilibre:

Cet équilibre illustre que la surface terrestre reçoit autant d'énergie qu'elle en émet, ce qui assure une température stable en situation d'équilibre. Toute perturbation de cet équilibre (par exemple, une augmentation des GES) peut entraîner un déséquilibre et un changement de température.

Points clés à retenir

• Le bilan radiatif est l'équilibre entre l'énergie reçue et l'énergie émise par la Terre.

• L'albédo (atmosphérique et terrestre) correspond à la part du rayonnement solaire qui est réfléchie vers l'espace.

• La Terre émet de l'énergie sous forme de rayonnements infrarouges.

• L'effet de serre, causé par les gaz à effet de serre (GES), est un phénomène naturel essentiel qui réchauffe la Terre grâce à l'absorption et à la réémission des infrarouges par l'atmosphère.

• Un équilibre radiatif signifie que la puissance reçue est égale à la puissance émise, garantissant une température moyenne stable.