Réception et Bilan de l'Énergie Solaire sur Terre

L'Énergie Solaire sur Terre et le Bilan Radiatif

Le Soleil émet des ondes dans toutes les directions, dont une partie atteint la surface de la Terre. Le bilan radiatif de la Terre est l'inventaire de l'énergie reçue et perdue par le système climatique (sol, atmosphère, océans).

I) Origine des Variations de la Puissance Solaire Reçue sur Terre

1. Réception Inégale de l'Énergie Solaire au Cours de la Journée

• La puissance solaire reçue par mètre carré varie selon l'heure : elle augmente du lever au midi, puis diminue jusqu'au coucher du Soleil.
• Cette variation est due à la rotation de la Terre sur elle-même, modifiant l'angle d'incidence des rayons solaires (variations diurnes ou journalières).

2. Répartition Inégale de l'Énergie Solaire Selon la Latitude

• La sphéricité de la Terre entraîne une variation de l'angle d'incidence des rayons solaires à sa surface.

• Vers l'équateur : l'angle d'incidence est plus direct, concentrant l'énergie sur une plus petite surface. Cela conduit à des climats plus chauds.

  Latitude	Angle d'Incidence	Surface Éclairée pour une même quantité d'énergie	Température Moyenne
  Équateur	Plus direct (proche de 90°)	Petite	Élevée (climats chauds)
  Pôles	Plus oblique	Grande	Faible (climats froids)

• Cette répartition conduit à une zonation latitudinale des climats.

3. Variation Annuelle de la Réception Solaire (Saisons)

• La Terre se déplace sur son orbite autour du Soleil avec un angle d'inclinaison constant de son axe de rotation par rapport au plan de son orbite.
• Cette inclinaison implique que les hémisphères sont exposés à des angles d'incidence variables selon le moment de l'année. Par exemple, l'hémisphère qui penche vers le Soleil reçoit plus d'énergie, créant l'été.
• C'est l'origine des saisons.

II) Quantification et Devenir du Rayonnement Solaire

1. Puissance Solaire Reçue par la Terre

• La puissance totale rayonnée par le Soleil est de $P_{rayonnée} = 3,84 \times 10^{26} \text{ W}$.
• Seule une très faible proportion de ce rayonnement atteint la Terre.
• La puissance reçue par unité de surface dépend de la distance Terre-Soleil. La distance moyenne $D_{T-S} = 150 \times 10^{6} \text{ km}$.
• La puissance radiative moyenne reçue par la Terre est d'environ $P_{reçue} = 1,74 \times 10^{17} \text{ W}$.

2. Absorption du Rayonnement par l'Atmosphère

• Les gaz de l'atmosphère absorbent le rayonnement solaire de manière sélective :
  • Forte absorption des rayons UV et IR par certains gaz (ex: ozone, vapeur d'eau, CO2).
  • Faible absorption du rayonnement visible, qui atteint majoritairement la surface terrestre.

3. Effet de l'Albédo

• L'albédo représente le pouvoir réfléchissant d'une surface. Une surface claire (neige, glace) a un albédo élevé et réfléchit plus d'énergie solaire qu'une surface sombre (océan, forêt).
• Une augmentation de l'albédo diminue l'énergie absorbée par la Terre, influençant sa température.

4. Effet de Serre

L'effet de serre est un échange continu d'énergie sous forme de rayonnement infrarouge entre le sol terrestre et l'atmosphère.

• Le sol terrestre émet un rayonnement thermique infrarouge (IR), dont l'intensité dépend de sa température.
• Une grande partie de ce rayonnement est absorbée par les gaz à effet de serre (GES) présents dans l'atmosphère (ex: CO2, méthane, vapeur d'eau).
• Ces gaz réémettent ensuite ce rayonnement IR dans toutes les directions, dont une partie vers le sol, contribuant ainsi à réchauffer la surface terrestre.
• Lorsque l'énergie entrante (solaire) est égale à l'énergie sortante (vers l'espace), le système est en équilibre dynamique. La puissance moyenne absorbée et renvoyée est d'environ 340 W.m⁻².
• Le renforcement de l'effet de serre dû aux activités humaines conduit à une augmentation de la température moyenne de la Terre et à un dérèglement des échanges énergétiques.

Conclusion

La puissance solaire reçue par unité de surface à la surface de la Terre dépend de plusieurs facteurs :

1. Le moment de la journée (rotation de la Terre).
2. Le moment de l'année (position de la Terre sur son orbite et inclinaison de son axe), causant les saisons.
3. L'emplacement sur Terre (latitude et sphéricité de la Terre), influençant la zonation climatique.

Une fois reçue, cette énergie interagit avec l'atmosphère et la surface terrestre, régulant le climat global par des phénomènes comme l'albédo et l'effet de serre, essentiels à la vie sur Terre.