Le bilan radiatif terrestre et le climat
Introduction
Le bilan radiatif terrestre est un concept fondamental pour comprendre le climat de notre planète. Il décrit comment l'énergie du soleil est reçue, absorbée et réémise par la Terre. Ce bilan est crucial pour déterminer les températures globales et les variations climatiques. En effet, les changements dans ce bilan peuvent avoir des conséquences significatives sur les écosystèmes, la biodiversité et la vie humaine. Dans ce cours, nous allons explorer les mécanismes de ce bilan, les facteurs qui l'influencent et ses conséquences sur le climat, tout en intégrant des exemples concrets et des exercices pratiques pour une meilleure compréhension.
1. Qu'est-ce que le bilan radiatif ?
Le bilan radiatif est la différence entre l'énergie solaire reçue par la Terre et l'énergie renvoyée vers l'espace. Cette interaction détermine la température moyenne de la planète. Il est essentiel de comprendre ce concept pour saisir les enjeux liés au changement climatique.
1.1 Énergie solaire reçue
La Terre reçoit environ 1361 watts par mètre carré (W/m²) de l'énergie solaire en moyenne, mais seulement une partie de cette énergie atteint la surface terrestre. En effet, une partie est réfléchie par l'atmosphère et les nuages. Environ la constante solaire de 1361 W/m² correspond au flux reçu par une surface perpendiculaire au Soleil. Réparti sur toute la sphère terrestre, le
flux solaire moyen est de 1361/4 ≈ 340 W/m² ; avec un albédo moyen de 30 %,
~240 W/m² sont effectivement absorbés par le système Terre-atmosphère. Cette absorption est cruciale car elle influence directement le climat local et global.
#### Mini-exercice 1 : Calcul de l'énergie absorbée
Si l'albédo d'une région donnée est de 0,25, quelle quantité d'énergie est absorbée par m² ?
Correction :
Flux solaire moyen : 340 W/m²
Énergie réfléchie : 340 W/m² * 0,25 = 85 W/m²
Énergie absorbée : 340 W/m² - 85 W/m² = 255 W/m²
1.2 Énergie réémise
La Terre émet de l'énergie sous forme de rayonnement infrarouge. Cette émission dépend de la température de la surface terrestre, selon la loi de Stefan-Boltzmann :
$$E = \epsilon \times \sigma \times T^4$$
où E est l'énergie émise (puissance par m²),
ε (souvent noté τ) est l'émissivité du corps (et non l'albédo : l'albédo concerne le rayonnement solaire réfléchi, pas l'émission infrarouge), σ est la constante de Stefan-Boltzmann (environ 5,67 × 10^-8 W/m²K^4), et T est la température en Kelvin.
Exemple concret
Si la température de la surface terrestre est de 288 K (environ 15 °C), l'énergie émise par mètre carré est :
$$E = 1 \times 5,67 \times 10^{-8} \times (288)^4$$
E ≈ 390 W/m²
Ainsi, la quantité d'énergie émise par la Terre est significativement influencée par sa température, ce qui est un facteur clé dans le bilan radiatif.
1.3 Comparaison des énergies reçue et émise
Pour mieux comprendre le bilan radiatif, il est intéressant de comparer l'énergie reçue et l'énergie émise. Si la Terre absorbe environ 240 W/m², elle doit également émettre une quantité équivalente pour maintenir un équilibre thermique. Si l'énergie émise diminue en raison de l'augmentation des gaz à effet de serre, cela entraîne un excès d'énergie dans le système, contribuant au réchauffement climatique.
2. Les principaux facteurs influençant le bilan radiatif