Le bilan radiatif terrestre

Appliquer le cours

Réponds à chaque question en deux ou trois phrases.

1. 1.Une élève annonce que chaque mètre carré de la Terre reçoit en moyenne 1361 W·m⁻². Quelle étape a-t-elle oubliée ? Pourquoi son erreur risque-t-elle de passer inaperçue ?

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   La division par quatre ; on ne la voit que si l’on connaît l’ordre de grandeur attendu.

   L’interception se fait sur un disque et la réémission sur une sphère quatre fois plus grande. Le résultat faux a l’air d’un nombre comme un autre, mais il conduit à une température d’équilibre absurde.

2. 2.Au printemps, la neige qui recouvrait une forêt fond. Cette région absorbe-t-elle alors plus ou moins de rayonnement solaire qu’avant ? Justifie avec l’albédo.

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   Plus : son albédo baisse.

   La neige renvoie beaucoup, la forêt très peu. Moins de rayonnement repart sans être absorbé : la région en absorbe davantage.

3. 3.Une caméra sensible seulement à la lumière visible, pointée vers un désert en pleine nuit, ne capte rien. Pourtant, le sol rayonne. Explique ce paradoxe.

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   Le sol rayonne dans l’infrarouge, que la caméra ne capte pas.

   La surface terrestre, bien plus froide que le Soleil, émet dans l’infrarouge et non dans le visible ; de nuit, elle ne renvoie pas non plus de lumière solaire.

4. 4.Un thermomètre placé dans l’air ne mesure qu’une petite part du réchauffement en cours de la planète. Où passe le reste, et pourquoi ?

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   Dans l’océan, à cause de sa capacité thermique.

   La capacité thermique de l’océan dépasse de loin celle de l’atmosphère : c’est lui qui stocke la plus grande part de l’excédent, pas l’air où se trouve le thermomètre.

Exploiter un document

Observe le document 1, puis réponds aux questions en posant les calculs.

1. 1.Quelle valeur, en W·m⁻², cache le « ? » de la bande ?

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   $340-238=102$ W·m⁻².

   La bande entière représente le flux moyen reçu ; il se partage entre ce qui est renvoyé et ce qui est absorbé.

2. 2.Déduis-en l’albédo par un calcul, puis vérifie ton résultat sur la graduation.

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   $102÷340=0,3$ : l’albédo vaut 0,30, soit trois dixièmes de la bande.

   L’albédo est la fraction renvoyée directement : part renvoyée divisée par flux moyen. La séparation des deux zones tombe bien sur la graduation 3.

3. 3.Pour que la température terrestre reste stable, combien de W·m⁻² l’infrarouge sortant doit-il emporter ? Justifie.

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   238 W·m⁻².

   À l’équilibre, ce qui repart dans l’infrarouge compense exactement ce qui a été absorbé ; la part renvoyée par l’albédo n’a jamais été absorbée.

4. 4.Montre par un calcul qu’à l’équilibre, la planète renvoie au total vers l’espace autant de rayonnement qu’elle en reçoit.

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   $102+238=340$ W·m⁻² : renvoyé directement plus infrarouge égale le flux moyen reçu.

   Deux sorties s’ajoutent : la part réfléchie sans absorption et l’infrarouge réémis. Leur somme retrouve le flux reçu, ce qui traduit l’équilibre du bilan complet.

5. 5.Supposons que les mesures montrent un infrarouge sortant inférieur d’environ 1 W·m⁻² au flux absorbé. Que peut-on en conclure ?

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   La planète gagne de l’énergie : elle n’est pas à l’équilibre.

   Un écart entre absorbé et réémis signifie que le système accumule de l’énergie : c’est un déséquilibre, et non un nouvel équilibre.

Calculer un flux

On imagine que la couverture nuageuse augmente et que l’albédo moyen passe de 0,30 à 0,32 ; le flux moyen reste 340 W·m⁻². Pose chaque calcul.

1. 1.Sans recalculer toute la nouvelle part, de combien de W·m⁻² ce changement augmente-t-il la lumière réfléchie ?

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   $340\times 0,02=6,8$ : elle augmente de 6,8 W·m⁻².

   L’albédo augmente de 0,02 ; la part renvoyée, produit du flux moyen par l’albédo, augmente de 0,02 fois 340 W·m⁻².

2. 2.Juste après ce changement, la planète réémet encore 238 W·m⁻² dans l’infrarouge. Gagne-t-elle ou perd-elle de l’énergie ? Que devient sa température ?

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   Elle perd de l’énergie : sa température baisse.

   Le flux absorbé a diminué de 6,8 W·m⁻² alors que l’infrarouge sortant n’a pas changé : la planète réémet plus qu’elle n’absorbe, jusqu’à ce qu’un équilibre soit retrouvé à une température plus basse.

3. 3.Quelle baisse d’albédo produirait, à elle seule, un excédent d’environ 1 W·m⁻² ? Donne un ordre de grandeur.

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   $1÷340\approx 0,003$ : une baisse d’environ 0,003.

   Une variation d’albédo modifie le flux absorbé de 340 fois sa valeur ; il suffit donc d’une baisse de trois millièmes pour produire 1 W·m⁻².

4. 4.Revenons à un albédo de 0,30. Montre de deux façons qu’environ 17,5 % du flux incident est absorbé en moyenne.

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   $0,70÷4=0,175$ et $238÷1361\approx 0,175$.

   On garde sept dixièmes d’un quart du flux incident ; le rapport des valeurs du cours donne le même résultat. Moins d’un cinquième du flux incident est absorbé par mètre carré en moyenne.

Écrire pour expliquer

En t’appuyant sur le document 2 et sur le cours, rédige un paragraphe de huit à dix lignes qui répond à la question : « Pourquoi la surface d’une planète dotée d’une atmosphère comme celle de la Terre est-elle plus chaude que si elle n’en avait pas ? »

1. 1.Je compare, d’après le document 2, les apports d’énergie du sol dans les deux situations.

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   Un seul dans le schéma 1 ; deux dans le schéma 2, où s’ajoute une flèche en tirets dirigée vers le bas.

   Sans atmosphère, le sol ne reçoit que le solaire absorbé ; avec elle, il reçoit aussi l’infrarouge renvoyé : c’est cette flèche qui fait la différence.

2. 2.Je dis ce que l’air laisse filer et ce qu’il retient.

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   Il laisse filer la lumière du Soleil ; il absorbe l’infrarouge venu du sol et en renvoie une part vers le bas.

   C’est cette différence de traitement entre les deux rayonnements qui produit l’effet de serre.

3. 3.J’en déduis ce que cela change pour la chaleur du sol et pour l’eau.

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   Mieux alimenté, le sol est plus chaud ; sans atmosphère, il serait bien plus froid et l’eau liquide bien plus rare.

   La conséquence se tire de la cause : plus d’énergie reçue par la surface, donc une température d’équilibre plus élevée.

4. 4.Je distingue cet effet naturel du phénomène qui dérègle le bilan actuel.

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   L’effet naturel est compatible avec l’équilibre ; c’est son renforcement qui crée un léger excédent.

   Distinguer équilibre et déséquilibre est la dernière étape de la méthode : l’effet de serre n’est pas en soi une anomalie.

5. 5.Mon paragraphe annonce la réponse, enchaîne les arguments avec des connecteurs et conclut.

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   Ouverture possible : « La surface est plus chaude parce que l’atmosphère lui renvoie une partie de son infrarouge… » ; une conclusion qui répond à la question.

   Un paragraphe se lit d’un seul tenant : il répond d’abord, explique avec le document, puis conclut.