Bilan radiatif de la Terre
Le bilan radiatif de la Terre dresse un inventaire de l'énergie reçue et perdue par le système climatique de la Terre, Modèle:Page h'-atmosphère-océans.
L'apport d'énergie provient principalement du Soleil, celle produite à l'intérieur de la Terre représentant à peine 0,01 % de l'énergie totale reçue par la surface de la Terre. On parle ainsi de bilan radiatif car l'énergie thermique provient principalement du rayonnement solaire. Le rayonnement solaire reçu par les couches les plus élevées de l'atmosphère, ou constante solaire, est d'environ Modèle:Nobr en moyenne annuelle. Le Soleil étant une étoile de type G2, son spectre d'émission s'étend de 0,2 à Modèle:Nobr, c'est-à-dire de l'ultraviolet à l'infrarouge en passant par le visible.
Énergie reçue
La puissance totale entrant dans le système sol-atmosphère-océan est estimée à Modèle:Nobr (Modèle:Nb). Ce flux est composé de :
- rayonnement solaire (99,97 %, soit Modèle:Unité) :
- cette quantité est calculée en estimant que le rayonnement solaire moyen possède une densité énergétique (constante solaire) égale à Modèle:Unité à une distance de une unité astronomique, et que ce rayonnement est intercepté par la surface terrestre dont le disque apparent (plat) a une superficie incidente de Modèle:Unité. L'énergie ainsi reçue, répartie sur l'ensemble du globe terrestre (ellipsoïde ayant une superficie globale de Modèle:Unité), correspond à une puissance moyenne, ou rayonnement solaire incident moyen, d'environ Modèle:Nobr <ref>Si R est le rayon terrestre et F = Modèle:Unité, la constante solaire, la puissance reçue par la surface d'incidence de la Terre est, en watts, <math>\pi R^2 \times F</math>. Celle-ci est répartie sur une surface de <math>4\pi R^2</math>, ainsi la puissance moyenne reçue par le globe est de F / Modèle:Unité = Modèle:Unité, soit Modèle:Unité pour toute la planète. Plus précisément, en tenant compte du rayon terrestre équatorial (Modèle:Unité) et du rayon terrestre polaire (Modèle:Unité), un peu plus petit, la surface d'incidence du disque aplati à l'équinoxe est ainsi de <math>\pi\times Req\times Rpol</math> (Modèle:Unité) et la surface de l'ellipsoïde (Modèle:Unité de kilomètres carrés) est elle aussi plus petite que celle d'une sphère. La puissance reçue serait alors plus précisément de F / Modèle:Unité = Modèle:Unité, soit Modèle:Unité pour toute la planète. Cette différence minime de Modèle:Unité, multipliée par la surface de la Terre, donne tout de même Modèle:Unité = Modèle:Unité, soit en un an Modèle:Unité, soit aussi dix fois la consommation annuelle d'énergie primaire du monde.</ref>,<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Rebecca Lindsey, Climate and Earth’s Energy Budget, NASA Earth Observatory, Modèle:Date-.</ref>, soit au total Modèle:Unité ;
- le système sol-atmosphère-océan n'absorbe pas toute cette énergie incidente, une partie est réfléchie (par effet albédo, en fonction du sol, des océans, des nuages, des glaces et donc du climat, entraînant des effets rétroactifs ou amplificateurs importants très complexes, d'autant plus qu'on cherche une grande précision). Environ 30 % de l'énergie solaire reçue est réfléchie sans être absorbée ;
- le rayonnement solaire n'est pas constant (voir cycle solaire) et il n'est pas connu avec une précision plus grande qu'à près d'un watt par mètre carré ;
- géothermie : la puissance issue de l'activité radioactive à l'intérieur de la Terre représente à peu près 0,025 % de la puissance totale reçue, environ Modèle:Nobr<ref>Modèle:Article.</ref> (ou TW) ;
- combustibles fossiles et fission radioactive réalisées par l'homme : ils représentent 0,009 %, soit Modèle:Unité<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} AIE Energy Balance for World.</ref>. L'énergie totale utilisée à partir des sources commerciales d'énergie entre 1880 et 2000, y compris le pétrole fossile et l’énergie nucléaire, est estimée à Modèle:Unité<ref name=":0">Modèle:Article.</ref> ; l'énergie primaire mondiale annuelle est de Modèle:Unité, soit une puissance continue moyenne de Modèle:Unité ;
- les frictions dues aux marées : 0,002 % soit Modèle:Unité.
Échanges entre l'espace, la surface terrestre et l'atmosphère
Le bilan radiatif de la Terre est globalement nul, c'est-à-dire que la quantité d'énergie absorbée est égale à la quantité d'énergie réémise, si bien que la température moyenne est sensiblement constante. Plus précisément, le rayonnement reçu par la Terre (essentiellement solaire) est globalement réémis. Le bilan global est cependant légèrement positif, du fait de la chaleur issue de la Terre elle-même, modifiée par la chaleur dégagée ou absorbée par les océans<ref name=":0" />, sur des temps de l'ordre du millénaire.
Le rayonnement solaire incident, estimé à Modèle:Unité, se répartit en :
- Modèle:Unité réfléchis par l'atmosphère (Modèle:Unité) et par la surface terrestre (Modèle:Unité). L'albédo de Bond moyen du système Terre-atmosphère est de 0,306<ref>Modèle:Lien web.</ref>, c'est-à-dire que 30,6 % du rayonnement reçu par le sommet de l'atmosphère sont réfléchis par l'atmosphère, les nuages ou la surface de la Terre (océans, neigeModèle:Etc.), sans changement de longueur d'onde. Le reste est effectivement absorbé par la surface terrestre ou l'atmosphère sous forme de chaleur ;
- Modèle:Unité directement absorbés dans l'atmosphère par les molécules de l'air et les nuages. Les ultraviolets sont absorbés en grande partie par l'ozone (Modèle:Fchim) et les infrarouges par la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone (Modèle:CO2). La lumière visible est absorbée en partie par les nuages, mais elle atteint majoritairement la surface de la Terre ;
- Modèle:Unité absorbés par la surface terrestre (océans et continents).
L'atmosphère reçoit Modèle:Unité répartis comme suit :
- Modèle:Unité de la part du rayonnement solaire incident, comme mentionné ;
- Modèle:Unité absorbés par l'évaporation de l'eau. L'énergie correspondante est convertie en chaleur latente d'évaporation et libérée dans l'atmosphère lorsque la vapeur d'eau se condense pour former des nuages ;
- Modèle:Unité par convection de l'air à la surface terrestre. Modèle:Refnec. En effet, les infrarouges et les ultraviolets sont absorbés en grande partie dans la stratosphère et le visible n'est presque pas absorbé par les molécules d'air ;
- Modèle:Unité par absorption du rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre.
- Ces Modèle:Unité sont réémis ainsi :
- Modèle:Unité sont émis par rayonnement infrarouge pour réchauffer la surface terrestre ;
- Modèle:Unité sont émis par rayonnement infrarouge vers l'espace.
La surface terrestre reçoit Modèle:Unité répartis comme suit :
- Modèle:Unité proviennent du rayonnement solaire parvenant à la surface terrestre ;
- Modèle:Unité proviennent de l'atmosphère sous forme de rayonnement infrarouge.
- Ces Modèle:Unité sont réémis comme suit :
- Modèle:Unité par évaporation de l'eau de la surface des océans ;
- Modèle:Unité par convection de l'air à la surface de la Terre ;
- Modèle:Unité sont émis par la surface terrestre sous forme de rayonnement infrarouge vers l'atmosphère ;
- Modèle:Unité sont émis par la surface terrestre sous forme de rayonnement infrarouge vers l'espace.
L'espace reçoit Modèle:Unité répartis comme suit :
- Modèle:Unité réfléchis par l'atmosphère et la surface terrestre ;
- Modèle:Unité émis par l'atmosphère sous forme de rayonnement infrarouge vers l'espace ;
- Modèle:Unité émis par la surface terrestre sous forme de rayonnement infrarouge vers l'espace.
- Les deux derniers forment le rayonnement sortant à grande longueur d'onde.
Température moyenne de la Terre
La Terre n'étant pas à petite échelle et à court terme en équilibre thermique, la définition d'une température moyenne de la Terre nécessite de la considérer dans sa globalité et à long terme. De ce point de vue, Modèle:Refnec. Cette quantité permet d'attribuer à la surface terrestre une température moyenne théorique en assimilant la Terre à un corps noir. La loi de Stefan-Boltzmann permet en effet de déterminer la température d'un tel corps à partir de la quantité de rayonnement qu'il émet, selon la formule :
- <math>M = \sigma T^4</math>
avec :
- M : puissance émise par unité de surface (Modèle:Unité) ;
- T : température du corps en kelvins ;
- <math>\sigma</math> = Modèle:Unité : constante de Stefan-Boltzmann.
Pour M = Modèle:Unité, la formule donne une température de Modèle:Tmp. Cette valeur correspond à une température théorique radiative de la surface terrestre, appelée température effective<ref>Modèle:Ouvrage.</ref>,<ref>Modèle:Lien web.</ref>. Le rayonnement infrarouge émis vers l'espace est de Modèle:Unité et correspond à une température théorique de Modèle:Tmp. La différence entre la puissance émise par la surface terrestre et la puissance émise vers l'espace, à savoir Modèle:Unité, correspond à l'effet de serre, qui porte également le nom de forçage radiatif. D'origine naturelle, il réchauffe donc la surface terrestre d'environ Modèle:Tmp, dont Modèle:Tmp sont attribués à la vapeur d'eau dans l'atmosphère et Modèle:Tmp au Modèle:CO2<ref>Marie-Antoinette Mélières, Température moyenne à la surface de la Terre et effet de serre, Laboratoire de glaciologie et géophysique de l’environnement (LGGE)</ref>,<ref>Sylvie Joussaume, Alerte aux gaz à effet de serre, Pour la science, Modèle:N°, octobre 2002, Modèle:P..</ref>.
Dans ce modèle simplifié, la température effective n'est que la transcription en kelvins d'une émission moyenne d'énergie, sur la globalité de la Terre, sans tenir compte des disparités<ref>La température moyenne mesurée au sol varie en surface grossièrement entre Modèle:Tmp et Modèle:Tmp selon les lieux.</ref> de température locale entre les pôles et l'équateur, ou selon les saisons.
Impact de l'effet de serre
Le phénomène de réchauffement climatique récemment constaté est dû à l'augmentation de la concentration en gaz à effet de serre, qui accentue à la fois l'absorption directe de la lumière infrarouge émise par le Soleil (mais pas forcément l'absorption globale Terre-atmosphère) et le forçage radiatif consécutif à l'absorption de l'énergie provenant de la Terre. L'augmentation globale de la température est entraînée par un léger déséquilibre du bilan radiatif : la quantité d'énergie absorbée par le système Terre/océan-atmosphère devient légèrement supérieure à celle réémise vers l'espace, si bien que la température moyenne augmente tant que perdure ce déséquilibre, en vertu du principe de conservation de l'énergie.
L'augmentation du forçage radiatif anthropique entre 1750 et 2011 est évaluée à 2,29 (1,13 à 3,33) Modèle:Unité par le cinquième rapport du GIEC<ref>Modèle:Ouvrage.</ref>.
La notion de température effective est parfois utilisée par les climatosceptiques pour contester les ordres de grandeur d'évolution de la température moyenne globale de la terre exploitant des modèles radiatifs<ref>Modèle:Article.</ref>. Ces travaux ont suscité de nombreuses critiques<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} « G. Gerlich and R. D. Tscheuschner », sur RealClimate.</ref>.
Articles connexes
- Climat | Forçage radiatif
- Serre | Effet de serre | Gaz à effet de serre | Réchauffement climatique
- Loi de Stefan-Boltzmann | Température effective | Température d'équilibre à la surface d'une planète
- Chaleur de la Terre | Structure interne de la Terre
