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II/ le bilan radiatif : le devenir de l'énergie solaire reçue

YLe bilan radiatif permet de caractériser le devenir de la puissance solaire reçue par la Terre (en

y incluant le globe terrestre et l'atmosphère).

Le bilan radiatif de la Terre quantifie l'énergie reçue et perdue par le système climatique terrestre,

donc au niveau de l'atmosphère, du sol et des océans. Lorsque le bilan est nul, la température moyenne de notre planète reste stable.

Une partie de la puissance solaire

incidente (1) est réfléchie (2) par l'atmosphère et par la surface de la Terre et est donc renvoyée dans l'espace.

Une partie est absorbée par les surfaces

rencontrées, puis réémise (3)

1. Rayonnement solaire et albédo terrestre : l'énergie solaire est réfléchie page 115

La proportion réfléchie de la puissance solaire dépend de l'albédo terrestre moyen.

YL'albédo terrestre est défini comme la proportion d'énergie lumineuse réfléchie par la Terre

par rapport à l'énergie lumineuse incidente. L'albédo terrestre moyen actuel (en considérant l'atmosphère et la surface terrestre) est de 0,3

Ainsi, environ 30 % de la puissance solaire

atteignant la Terre (en haut de l'atmosphère) est réfléchie par l'atmosphère et la surface terrestre vers l'espace tandis que les 70 % restants sont absorbés par l'atmosphère et la surface terrestre

Albédo a d'une surface :

0 > a > 1

L'atmosphère réfléchit 87W.m

-2 et la surface terrestre réfléchit vers l'espace 21W.m -2 ce qui représente un total de 108 W.m -2 soit 31% de l'énergie reçue. L'albédo terrestre est donc à 0.3. • Détails de l'énergie réfléchie :

Réfléchie par l'air : C'est la réflexion de l'onde par les molécules atmosphérique et les particules les plus

fines. La partie de l'énergie solaire réfléchie par l'air est constante sauf si l'atmosphère se charge en

particules fines.

Réfléchie par les nuages : C'est la réflexion de l'énergie solaire par les gouttelettes d'eau contenues dans les nuages. La valeur de ce flux varie donc avec la teneur en eau du nuage. Par exemple, les

cumulonimbus chargés d'eau réfléchissent beaucoup la lumière, plus que d'autres nuages. Ils

contribuent donc fortement à l'albédo planétaire Réfléchie par la surface, le sol et l'eau à la surface du globe

Cependant tous les corps n'ont pas le même

pouvoir réflecteur. En effet, la neige, les nuages, les sols dépourvus de végétation...sont les meilleurs réflecteurs. • Différentes valeurs de l'albédo en fonction du type de surface

Les surfaces claires (neige, glace...) réfléchissant fortement le rayonnement solaire incident ont un

albédo plus élevé que les surfaces sombres (eau de mer, continents recouverts de végétation...)

qui sont moins réfléchissantes.

Type de surface Albédo

Forêt de feuillus 0,15 à 0,20

Mer 0,05 à 0,15

Cultures 0,15 à 0,25

Nuage 0,5 à 0,8

Glace 0,60

Neige fraîche 0,75 à 0,90

Miroir 1

Le coin des curieux :

Les astronomes se servent beaucoup de l'albédo pour avoir une idée de la composition chimique des corps trop froids pour émettre. Ils mesurent leur réflexion d'une source lumineuse externe

comme le soleil par exemple. Cela leur permet de faire la différence par exemple entre les planètes

gazeuses, qui ont un fort albédo, et les planètes telluriques qui ont, elles, un albédo faible.

Si la Terre était par exemple recouverte d'eau (albédo faible d'à peu près 0,08), sa température

moyenne serait de 32°C environ.

Par ailleurs, si elle était totalement recouverte de glace (albédo 0,6), cette température atteindrait

les -52°C.

Ainsi lors de la glaciation de Würm (il y a 20000 ans), l'albédo était de 0,38 contre 0,3 environ

aujourd'hui, et la température moyenne du globe avait alors chuté de 5,5°C, dans des conditions

atmosphériques similaires. • Albédo et climat (page 119)

La mer arctique est recouverte de glace

pendant une partie de l'année. Le mois de septembre correspond au minimum de surface englacée. Des mesures effectuées par satellites (CryoSat) permettent d'estimer le volume et la surface de la glace. Cette surface d'englacement minimal est appelée en anglais " Perennial ice cover » c'est-à-dire surface englacée permanente.

Des mesures par satellites, comme

CryoSat-2, ont permis de suivre l'évolution

de la surface englacée de la mer arctique entre 1980 et 2011.

Surface englacée permanente de la mer arctique

Évolution des températures arctiques

Nous savons que plus une surface est

réfléchissante, moins elle s'échauffe, son albédo est élevé. L'inverse est aussi vrai : moins une surface réfléchit de l'énergie, plus elle s'échauffe, son albédo est plus faible. Une diminution par exemple des surfaces englacées entraîne une diminution de l'albédo et donc un

échauffement de la surface car elle

absorbe davantage d'énergie.

La diminution des surfaces englacées de

façon permanente induit l'augmentation de l'énergie absorbée qui sera restituée et participe ainsi au réchauffement climatique.

2. Une partie du rayonnement solaire est absorbée

• L'atmosphère terrestre absorbe une faible proportion du rayonnement solaire incident, environ 20 %. Ainsi, au final, environ 50 % du rayonnement solaire incident en haut de l'atmosphère parviennent jusqu'à la surface terrestre et sont absorbés par le sol.

Absorbée par les molécules d'eau présentes dans les gouttelettes des nuages et la vapeur d'eau

de l'atmosphère

Absorbée par l'ozone, les poussières....

Ces absorptions sont dues au fait que lorsqu'ils pénètrent dans l'atmosphère, les photons solaires entrent en collision avec des molécules atmosphériques (qui vont donc changer de niveau d'énergie).

• La surface terrestre n'absorbe que 50% de la lumière du Soleil incidente à la surface de

l'atmosphère.

3. Une partie de l'énergie absorbée est réémise : Rayonnement infrarouge du sol et effet de

serre (pages 116/117 ; 120/121) YLe sol émet un rayonnement électromagnétique dans le domaine infra-rouge 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 c'est

l'effet de serre. Lorsque le rayonnement solaire incident est absorbé par la surface terrestre, celle-ci émet un rayonnement infrarouge. La puissance émise par la surface terrestre par unité de surface dans l'infrarouge augmente avec la température de cette surface (plus précisément avec la puissance quatrième de cette température). Or, l'atmosphère ne laisse passer qu'environ 5 % du rayonnement terrestre infrarouge, qui est envoyé dans l'espace, tandis qu'elle en absorbe 95 %. Cette absorption de la puissance terrestre infrarouge par l'atmosphère est appelée " effet de serre ».

Cet effet de serre terrestre est dû aux interactions moléculaires entre le rayonnement infrarouge

émis par la surface terrestre et certains gaz atmosphériques appelés " gaz à effet à serre » (eau,

CO 2 , CH 4

Une partie de ce rayonnement infrarouge absorbé par l'atmosphère est réémise vers l'espace

tandis que la majeure partie est réémise vers le sol.

Sur la moyenne annuelle, les régions équatoriales ont un bilan positif alors que les régions

polaires ont un bilan négatif

Cette inégalité de la répartition du bilan radiatif est le moteur de la circulation atmosphérique et

océanique, circulation qui transporte de l'énergie des régions excédentaires (équatoriales) vers les

régions déficitaires (polaires).

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.

4. Bilan énergétique terrestre : un équilibre radiatif dynamique

• La puissance reçue par le sol en un lieu donné est égale à la somme de la puissance reçue

provenant du Soleil et de celle reçue de l'atmosphère (rayonnement infrarouge absorbé par

effet de serre et réémis vers le sol). La présence de l'atmosphère est donc responsable d'une

température terrestre moyenne actuelle de + 15 °C, supérieure de 33 °C à la température qui

régnerait sur Terre pour une même puissance solaire incidente, en absence d'atmosphère, c'est-à-

dire en absence d'effet de serre. (cf la lune)

Bilan radiatif terrestre

Les puissances P (W.m

-2 ) sont reportées à la surface terrestre et les valeurs données (pourcentages) sont arrondies.

Pi : puissance solaire incidente.

Pe : puissance terrestre émise (rayonnement infrarouge).quotesdbs_dbs28.pdfusesText_34

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