Enseignement scientifique — Le Soleil, notre source d'énergie
Le bilan radiatif terrestre
Albédo, effet de serre, équilibre radiatif, température d'équilibre
Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub
Résumé
La **Terre** reçoit de l'énergie du **Soleil** et en réémet vers l'espace sous forme de **rayonnement infrarouge**. L'**équilibre** entre l'énergie **absorbée** et l'énergie **émise** détermine la **température moyenne** de la planète. L'**albédo** est la fraction de l'énergie solaire **réfléchie** par la surface terrestre et l'atmosphère : il vaut en moyenne **0,30** (30 % de l'énergie solaire est renvoyée vers l'espace). Les **surfaces claires** (neige, glace, nuages) ont un **albédo élevé**, les **surfaces sombres** (océans, forêts) un **albédo faible**. L'**effet de serre** est un phénomène naturel essentiel : les **gaz à effet de serre** ($\mathrm{CO_2}$, $\mathrm{H_2O}$, $\mathrm{CH_4}$, $\mathrm{N_2O}$) absorbent une partie du **rayonnement infrarouge** émis par la surface terrestre et le réémettent dans toutes les directions, dont une partie vers le sol. Sans effet de serre, la **température moyenne** de la Terre serait d'environ $-18\ ^\circ\mathrm{C}$ au lieu de $+15\ ^\circ\mathrm{C}$. Le **renforcement** de l'effet de serre par les **activités humaines** (combustion d'énergies fossiles, déforestation) provoque un **réchauffement climatique**.
L'**albédo** mesure la fraction d'énergie solaire **réfléchie** par une surface. C'est un paramètre clé du **bilan radiatif** terrestre : les **surfaces claires** (neige, nuages) réfléchissent beaucoup, les **surfaces sombres** (océans, forêts) **absorbent** davantage.
- **Albédo** ($\alpha$) = rapport **énergie réfléchie / énergie reçue**. Valeur entre **0** (absorption totale) et **1** (réflexion totale)
- **Albédo moyen** de la Terre ≈ **0,30** → **30 %** de l'énergie solaire est directement renvoyée vers l'espace
- **Neige fraîche** : $\alpha \approx 0{,}80$-$0{,}90$. **Glace** : $\alpha \approx 0{,}60$. **Nuages** : $\alpha \approx 0{,}50$-$0{,}80$
- **Océans** (incidence normale) : $\alpha \approx 0{,}06$. **Forêts** : $\alpha \approx 0{,}10$-$0{,}20$. **Désert** : $\alpha \approx 0{,}30$-$0{,}40$
- **Rétroaction positive** : fonte des glaces → **diminution de l'albédo** → plus d'absorption → **réchauffement** → plus de fonte
Exemple
Calcul : la Terre reçoit en moyenne $340\ \mathrm{W/m^2}$. Avec un **albédo** de **0,30**, elle réfléchit $340 \times 0{,}30 = 102\ \mathrm{W/m^2}$ et **absorbe** $340 \times 0{,}70 = 238\ \mathrm{W/m^2}$. Si l'albédo diminuait à **0,25** (fonte des glaces), l'énergie absorbée passerait à $340 \times 0{,}75 = 255\ \mathrm{W/m^2}$, soit $+17\ \mathrm{W/m^2}$ d'excès.
Piège à éviter
L'**albédo** est un nombre **sans unité** entre **0 et 1**. Ne pas l'exprimer en $\mathrm{W/m^2}$ ni en pourcentage dans les calculs (bien qu'on puisse dire « 30 % »). Dans la formule $P_{\text{abs}} = (1 - \alpha)\,P_{\text{reçue}}$, $\alpha$ est bien **sans dimension**.
L'**effet de serre naturel** est un phénomène vital : sans lui, la **température moyenne** de la Terre serait de $-18\ ^\circ\mathrm{C}$ au lieu de $+15\ ^\circ\mathrm{C}$. Les **gaz à effet de serre** agissent comme une **couverture** qui retient une partie de la chaleur émise par la surface.
- La surface terrestre, chauffée par le Soleil, émet un **rayonnement infrarouge (IR)** vers l'atmosphère
- Les **gaz à effet de serre (GES)** absorbent une partie de cet IR et le **réémettent** dans toutes les directions
- Une partie de l'IR réémis **retourne vers la surface** → réchauffement supplémentaire = **effet de serre**
- Principaux **GES naturels** : $\mathrm{H_2O}$ (vapeur d'eau, le plus important), $\mathrm{CO_2}$, $\mathrm{CH_4}$, $\mathrm{N_2O}$, $\mathrm{O_3}$
- Sans effet de serre : $T_{\text{Terre}} \approx -18\ ^\circ\mathrm{C}$. Avec effet de serre naturel : $T_{\text{Terre}} \approx +15\ ^\circ\mathrm{C}$ (gain de $+33\ ^\circ\mathrm{C}$)
- L'**effet de serre** est un phénomène **naturel vital** ; c'est son **renforcement** qui pose problème
Exemple
La **vapeur d'eau** ($\mathrm{H_2O}$) est le GES le plus abondant et contribue à ~60 % de l'effet de serre naturel. Le $\mathrm{CO_2}$ contribue à ~25 %, le $\mathrm{CH_4}$ à ~5 %. Mais la concentration de vapeur d'eau **dépend de la température** (**rétroaction**) : plus il fait chaud, plus il y a d'évaporation, plus il y a de vapeur d'eau, plus l'effet de serre **augmente**.
Piège à éviter
L'**effet de serre** terrestre fonctionne par **absorption/réémission d'IR** par les gaz, **pas** comme une vraie serre. Une serre en verre bloque la **convection** (l'air chaud ne s'échappe pas). Les **GES**, eux, **absorbent** les IR émis par le sol et les **réémettent** dans toutes les directions.
La **température d'équilibre radiatif** est celle à laquelle la Terre **réémet autant d'énergie qu'elle en absorbe**. Le calcul théorique donne $-18\ ^\circ\mathrm{C}$ sans effet de serre, confirmant que les GES ajoutent bien $+33\ ^\circ\mathrm{C}$.
- À l'équilibre : **puissance absorbée** par la Terre = **puissance émise** vers l'espace
- Puissance absorbée : $P_{\text{abs}} = (1 - \alpha) \times S \times \pi R_T^2$ (**section circulaire** de la Terre)
- Puissance émise (Stefan-Boltzmann) : $P_{\text{émise}} = \sigma \times T^4 \times 4\pi R_T^2$ (**surface totale** de la sphère)
- **Température d'équilibre** sans effet de serre : $T = \left[\dfrac{(1 - \alpha)\,S}{4\sigma}\right]^{1/4} \approx 255\ \mathrm{K} \approx -18\ ^\circ\mathrm{C}$
- L'**effet de serre** ajoute environ $33\ ^\circ\mathrm{C}$ → $T$ réelle $\approx 288\ \mathrm{K} \approx +15\ ^\circ\mathrm{C}$
Exemple
Calcul : $T = \left[\dfrac{(1-\alpha)\,S}{4\sigma}\right]^{1/4} = \left[\dfrac{(1-0{,}30) \times 1\,361}{4 \times 5{,}67 \times 10^{-8}}\right]^{1/4} \approx 255\ \mathrm{K} \approx -18\ ^\circ\mathrm{C}$. La température réelle ($+15\ ^\circ\mathrm{C} = 288\ \mathrm{K}$) est supérieure de $33\ ^\circ\mathrm{C}$ grâce à l'**effet de serre**.
Piège à éviter
Dans le calcul de $T$ d'équilibre, on **divise par 4** car la Terre est une **sphère** (surface $= 4\pi R^2$) éclairée comme un **disque** (section $= \pi R^2$). Le rapport $\dfrac{4\pi R^2}{\pi R^2} = 4$. Ne pas oublier ce **facteur 4** !
Les **activités humaines** renforcent l'effet de serre naturel en augmentant la **concentration des GES** dans l'atmosphère. Le $\mathrm{CO_2}$ a augmenté de **50 %** en 170 ans, un rythme **sans précédent** dans l'histoire géologique.
- Les activités humaines augmentent la concentration de **GES** : $\mathrm{CO_2}$ (combustion fossile), $\mathrm{CH_4}$ (élevage, rizières), $\mathrm{N_2O}$ (engrais)
- $\mathrm{CO_2}$ atmosphérique : ≈ **280 ppm** (pré-industriel) → ≈ **420 ppm** (2024), soit **+50 %** en 170 ans
- Le **forçage radiatif** mesure le **déséquilibre énergétique** causé par l'augmentation des GES (en $\mathrm{W/m^2}$)
- Conséquences : **hausse des températures**, **montée des eaux**, **événements extrêmes**, perturbation des écosystèmes
- Les **rétroactions** (fonte des glaces, libération de méthane du **pergélisol**) peuvent **amplifier** le réchauffement
Exemple
Le $\mathrm{CO_2}$ atmosphérique est passé de **280 ppm** (1850) à **420 ppm** (2024). Pour visualiser : 280 ppm = 280 mL de $\mathrm{CO_2}$ dans 1 m³ d'air, 420 ppm = 420 mL. C'est comme passer de 28 cL à 42 cL dans un mètre cube. Cela semble peu, mais ce **+50 %** dérègle tout le **bilan radiatif**.
Piège à éviter
Le $\mathrm{CO_2}$ n'est **pas** le seul GES anthropique. Le **méthane** ($\mathrm{CH_4}$, élevage/gaz naturel) et le **protoxyde d'azote** ($\mathrm{N_2O}$, engrais) sont aussi en forte hausse. Le $\mathrm{CH_4}$ a un **pouvoir de réchauffement** 80 fois supérieur au $\mathrm{CO_2}$ sur 20 ans. Mais le $\mathrm{CO_2}$ domine par la **quantité** émise.
Quiz - Le bilan radiatif terrestre
10 questions
Articles utiles
Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur Le bilan radiatif terrestre, extraits du quiz de révision.
L'albédo moyen de la Terre vaut environ :
Réponse :
$0{,}30$
L'**albédo moyen** de la Terre est d'environ **0,30** : **30 %** de l'énergie solaire est réfléchie vers l'espace.
Quelle surface a le plus grand albédo ?
Réponse :
La neige fraîche
La **neige fraîche** a un **albédo** très élevé ($\alpha \approx 0{,}80$ à $0{,}90$) : elle réfléchit la quasi-totalité de la lumière reçue.
Sans effet de serre, la température moyenne de la Terre serait de :
Réponse :
$-18\ ^\circ\mathrm{C}$
Sans **effet de serre**, la **température d'équilibre radiatif** de la Terre serait d'environ $-18\ ^\circ\mathrm{C}$ (255 K), au lieu de $+15\ ^\circ\mathrm{C}$.
Le gaz à effet de serre naturel le plus important (en termes de contribution) est :
Réponse :
La vapeur d'eau $\mathrm{H_2O}$
La **vapeur d'eau** ($\mathrm{H_2O}$) est le gaz à effet de serre le plus important en termes de **contribution** à l'effet de serre naturel (~60 %).