Fiche à trous · Première · Enseignement scientifique

Le bilan radiatif terrestre

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Le rayonnement solaire arrive parallèle et n'éclaire qu'une face de la planète : la Terre l'intercepte sur un disque. Elle le réémet en revanche sur toute sa surface, quatre fois plus grande. Ce facteur quatre, qu'on oublie facilement, est ce qui sépare un calcul juste d'un résultat absurde.

Du flux incident à la moyenne planétaire

Règle

Piège

Prendre le flux solaire incident pour le flux moyen reçu par la surface terrestre.

Diviser le flux incident par quatre avant tout calcul de moyenne planétaire.

Albédo et absorption

Définition — Albédo :

Propriété

Le rôle de l'atmosphère

Propriété

Il faut distinguer nettement deux situations. À l'équilibre, absorbé et réémis sont égaux et la température ne change plus. Aujourd'hui, le renforcement de l'effet de serre crée un léger excédent : la Terre reçoit un peu plus qu'elle ne renvoie, et cette énergie s'accumule — très majoritairement dans l'océan, dont la capacité thermique dépasse de loin celle de l'atmosphère. C'est un déséquilibre, pas un nouvel équilibre.

Établir un bilan radiatif

Ai-je divisé le flux incident par quatre ?
Ai-je retranché la part de l'albédo ?
Ai-je écrit l'égalité de l'équilibre radiatif ?
Ai-je dit que la Terre réémet dans l'infrarouge ?
Ai-je distingué équilibre et déséquilibre actuel ?

Corrigé · à détacher

Le bilan radiatif terrestre

1. La Terre intercepte le rayonnement sur un disque d'aire πR² et le réémet sur une sphère d'aire 4πR². Le flux moyen reçu par unité de surface vaut donc le quart du flux incident. Avec environ 1361 W·m⁻² au sommet de l'atmosphère, la moyenne planétaire s'établit autour de 340 W·m⁻².
2. $flux moyen = \frac{flux incident}{4}$
3. L'albédo est la fraction du rayonnement solaire renvoyée directement vers l'espace, sans avoir chauffé quoi que ce soit. Il dépend des surfaces : la neige et les nuages en renvoient beaucoup, l'océan et les forêts très peu. L'albédo moyen de la planète est de l'ordre de 0,30 : environ trois dixièmes du rayonnement reparent sans être absorbés.
4. Le rayonnement absorbé chauffe la surface, qui réémet à son tour — mais dans l'infrarouge, parce qu'elle est bien plus froide que le Soleil. À l'équilibre, ce qui repart vers l'espace compense exactement ce qui a été absorbé, et la température de surface se stabilise. Tout écart entre les deux termes signifie que le système accumule de l'énergie, ou en perd.
5. L'atmosphère est largement transparente au rayonnement solaire et absorbante pour l'infrarouge émis par le sol. Elle en renvoie une partie vers la surface, qui reçoit ainsi deux apports au lieu d'un : c'est l'effet de serre. Sans lui, la température moyenne de surface serait très inférieure à celle que nous observons, et l'eau liquide bien plus rare.
6. Diviser le flux incident par quatre pour obtenir la moyenne planétaire.
7. Retrancher la part renvoyée par l'albédo pour obtenir le flux absorbé.
8. Écrire l'égalité entre absorbé et réémis à l'équilibre.
9. Ajouter le rôle de l'atmosphère, qui renvoie vers le sol une part de l'infrarouge.
10. Conclure sur la température de surface, en distinguant équilibre et déséquilibre.