Énergie solaire reçue sur Terre et albédo
Énergie solaire reçue sur Terre et albédo
I. Rayonnement solaire incident
Qu’est-ce que la constante solaire ?
Constante solaire : fraction de l’énergie émise au total par le Soleil qui parvient jusqu’à notre planète. Cette constante solaire s’exprime en W.m-2 puisqu’il s’agit d’une énergie qui parvient par surface donc par unité de surface notamment à la Terre (mais ce serait aussi valable pour toutes les autres planètes et tout corps qui se trouve à proximité du Soleil). La constante solaire est de l’ordre de 1370 W.m-2 mais cette énergie se répartit en réalité sur la Terre qui est une sphère et non pas un disque qui intercepterait les rayons du Soleil.
Donc le rayonnement solaire incident, qui correspond à l’énergie réellement reçue par unité de surface à la surface de l’atmosphère (en haut de l’atmosphère) est de l’ordre de 340 W.m-2. C’est l’ensemble de l’énergie que la Terre reçoit, que l’on ressent nous sous forme de lumière et de chaleur.
En réalité cette énergie qui arrive à la surface de l’atmosphère ne va pas parvenir jusqu’à la surface de la Terre. Une partie de cette énergie est perdue lors de son trajet entre la surface de l’atmosphère (plusieurs centaines de kilomètres d’altitude) et la surface de la Terre.
II. Albédo
Qu’est-ce que l’albédo ?
Albédo : proportion de l’énergie renvoyée, réfléchie par rapport à l’énergie reçue. Elle s’exprime le plus souvent en pourcentage. On va dire qu’une surface renvoie par exemple 50 % de l’énergie qu’elle reçoit, cela signifie que les 50 autres pourcents sont absorbés par cette surface.
L’albédo d’une surface dépend :
– de la couleur, c’est-à-dire de la nature de cette surface ;
– de la façon dont l’énergie parvient à cette surface, on parle d’angle d’incidence ;
– de la température, c’est-à-dire qu’en fonction de la température terrestre, l’albédo varie.
III. Bilan énergétique à la surface de la Terre
On a représenté à la base du schéma une portion de la Terre sous forme de demi-cercle et on montre que selon le couvert que l’on trouve à la surface de la Terre, l’albédo n’est pas le même. Le rayonnement solaire incident est de 340 W.m-2 au sommet de l’atmosphère.
A. Énergie dissipée par les gaz atmosphériques
Dans cette énergie qui pénètre dans l’atmosphère, environ 20 % est dissipée au niveau des gaz atmosphériques, ce qui agite les gaz.
Comment se compose l’atmosphère ?
On rappelle que l’atmosphère est constituée de différents gaz : principalement du diazote (N2) à 78 %, une proportion importante de dioxygène (O2) à 21 % puis des gaz plus rares comme le dioxyde de carbone (CO2), la vapeur d’eau (H2O), etc. La quantité de vapeur d’eau dans l’atmosphère peut varier au cours du temps, elle varie aussi selon l’endroit où l’on se trouve sur Terre et cela a aussi une influence sur la façon dont l’énergie est absorbée et éventuellement renvoyée. La vapeur d’eau a aussi une influence sur l’albédo.
B. Énergie renvoyée par les nuages
Un peu plus de 20 % également est directement renvoyée (albédo) par les nuages et tout ce qui se trouve dans l’atmosphère, notamment l’eau sous forme de gouttelettes microscopiques qui se trouvent dans l’atmosphère. Au final sur ces 340 W.m-2, la moitié (environ 170 W.m-2) parviennent réellement à la surface de la Terre.
C. Énergie renvoyée à la surface de la Terre
Selon le couvert de la Terre, l’énergie est plus ou moins renvoyée et donc plus ou moins absorbée.
– Par les océans : La plus grande partie de la surface de la Terre, 48 % exactement, correspond aux océans. Sur le schéma sont représentés les différents couverts et entre parenthèses le pourcentage de la surface de la Terre qu’ils représentent. En dessous, est indiqué l’albédo de la surface considérée. Par exemple, les océans renvoient 5 à 10 % de l’énergie qu’ils reçoivent sans l’absorber. On dit que l’albédo dans les océans est de 5 à 10 %.
– Par les déserts : Les déserts, autre exemple, renvoient 30 à 50 % de l’énergie qu’ils reçoivent et absorbent donc 50 à 70 % de l’énergie reçue. Les déserts représentent à peu près 17 % de la surface de la Terre.
– Autres surfaces : Sans évoquer toutes les autres valeurs, on parle de l’albédo des forêts, qui est de l’ordre de 5 à 20 %, des terres agricoles, des routes et des villes.
– Par les surfaces enneigées : Un albédo non négligeable est celui des banquises qu’on trouve notamment au niveau des pôles : les neiges et les banquises ont un albédo très fort. En effet, en tant que surface blanche, ils réfléchissent beaucoup la lumière, jusqu’à 95 % de l’énergie reçue est renvoyée sans être absorbée (60 à 95 %). Actuellement, le couvert de neige et de banquise représente à peu près 5 % de la surface terrestre, mais possède un albédo très fort.
D. Bilan
Au final, la Terre renvoie par ces différentes surfaces, mais aussi par les nuages, une certaine proportion de l’énergie reçue : environ 102 W.m-2 sont renvoyés à l’extérieur de l’atmosphère terrestre. On dit donc que l’albédo moyen de notre planète est de l’ordre de 30 %, puisque 102 W.m-2 représente à peu près le tiers (un peu moins) des 340 W.m-2 qui parvenaient au sommet de l’atmosphère.
Conclusion
Sur les 340 W.m-2 qui parvenaient à la surface de l’atmosphère, la moitié de cette énergie solaire parvient réellement à la surface de la Terre et sur cette moitié, l’ensemble n’est pas absorbé à cause de l’albédo. On a donc environ deux tiers qui sont absorbés et un tiers qui est renvoyé vers l’espace, vers l’extérieur de l’atmosphère.
Ces deux tiers absorbés permettent à la planète de se réchauffer par ses continents et par ses océans. Enfin, selon la surface considérée l’albédo varie. Avec le bouleversement climatique et le réchauffement global on diminue la surface des banquises, et dans le même temps on diminue une zone qui renvoie beaucoup d’énergie. Autrement dit, on permet à la Terre d’absorber encore plus d’énergie puisque cette zone avait un albédo fort alors que les zones qui la remplacent (zones de terre, de forêt, de désert) renvoient moins d’énergie et absorbent plus de chaleur ce qui participe au réchauffement climatique. Ainsi, la transformation de la planète et la transformation des surfaces considérées a une influence sur les modifications climatiques.
Rayonnement infra-rouge de la Terre et effet de serre
La surface moyenne de la Terre a une température d’environ 15°C, alors que la Lune, qui se trouve à la même distance moyenne du Soleil, a une température très négative, de l’ordre de -23°C. Pourtant si on compte en énergie reçue du Soleil, la Terre et la Lune reçoivent à peu près la même énergie puisqu’elles sont à la même distance de l’étoile. Il y a donc sur Terre un phénomène, appelé effet de serre, qui permet d’expliquer cette différence de température de l’ordre de 40°C. L’effet de serre réchauffe la planète. Il la réchauffe tellement que si on augmente l’effet de serre, il peut y avoir un danger pour les êtres vivant sur Terre.
I. Rayonnement infrarouge de la Terre
Quel type de rayonnement émet la Terre ?
La Terre comme tout corps réchauffé (par l’énergie qu’elle reçoit du Soleil) émet un rayonnement infrarouge. Ce rayonnement infrarouge correspond à des ondes électromagnétiques. On ne le voit pas car il n’est pas de l’ordre de la lumière visible par l’œil humain. En effet, la longueur d’onde est supérieure à 780 nm, ce qui correspond à la limite du visible. Le rayonnement infrarouge émis par la Terre se situe pour des longueurs d’ondes comprises entre 3 µm et 1 mm. Pour le maximum d’infrarouge émis par la Terre dans l’infrarouge, qu’on appelle lointain, les longueurs d’onde sont de l’ordre de 10 µm.
Ce phénomène d’émission de rayonnement infrarouge est aussi observable pour n’importe quel corps réchauffé par n’importe quelle source. Par exemple sur l’image ci-dessous, on peut voir le rayonnement infrarouge émis par un immeuble réchauffé notamment par la lumière du Soleil.
On peut enregistrer ce rayonnement infrarouge, à l’échelle de toute la Terre. Ce rayonnement est plutôt fort en zone intertropicale et plus faible ailleurs. Cela peut aller de quelques dizaines à plusieurs centaines, de l’ordre de 300 W.m-2 émis par la surface de la Terre vers l’atmosphère et ensuite vers l’espace.
Ce rayonnement infrarouge est de la chaleur émise par notre planète et il est conservé en partie dans notre atmosphère, c’est cela qu’on appelle l’effet de serre.
II. L’effet de serre
S’il n’y avait pas d’atmosphère, c’est-à-dire pas de couche de gaz autour de la Terre, l’ensemble de ce rayonnement infrarouge retournerait vers l’espace. Mais la présence de gaz dans l’atmosphère va piéger une partie de ce rayonnement infrarouge, c’est-à-dire va conserver comme une serre la chaleur émise par la Terre et va donc provoquer le réchauffement de la surface de la planète.
Gaz dus à l’effet de serre
Dans l’atmosphère il y a principalement du diazote : son effet sur l’effet de serre est très faible.
Ce sont les gaz les plus rares qui ont un vrai effet sur l’effet de serre. Ci-dessous en sont représentés trois qui sont importants et dont on entend beaucoup parler. Il s’agit du dioxyde de carbone CO2 ; du méthane CH4, et de la vapeur d’eau H2O.
Ces trois gaz sont présents en toute petite quantité dans l’atmosphère même si avec les actions humaines les quantités de CO2 et de CH4 augmentent sans cesse depuis le XIXe et XXe siècles, et augmentent aujourd’hui de façon très rapide. Ces gaz sont encore présents, par rapport au diazote et au dioxygène, en quantité qu’on pourrait dire infime dans l’atmosphère mais ont un effet important sur la conservation de cette chaleur, de cet infrarouge, et donc sur l’élévation de la température terrestre.
Sur le graphique est représenté l’absorption du rayonnement infrarouge de la Terre en fonction de sa longueur d’onde.C’est-à-dire qu’horizontalement est représenté la longueur d’onde des rayonnements infrarouges émis par la Terre et verticalement est représenté le pourcentage d’absorption pour un gaz donné de ces rayons.
Le dioxyde de carbone absorbe principalement les rayonnements infrarouges qui sont dans des longueurs d’ondes comprises entre 4 et 6 µm. Il absorbe aussi beaucoup les rayonnements infrarouges qui sont entre 14 et 16µm de longueur d’onde.
Le méthane est plus spécifique, il va absorber jusqu’à quasiment 80 à 100 % de l’infrarouge pour des longueurs d’onde qui seront entre 6 et 8 µm, autour de 7 µm de longueur d’onde.
La vapeur d’eau : il y a un spectre d’absorption assez large avec un pic d’absorption pour des longueurs d’onde relativement faibles, autour de 3 µm, un deuxième pic autour de 8 µm et enfin une bande assez large d’absorption de la chaleur pour des longueurs d’onde un peu plus grandes.
Ce qu’il faut savoir c’est que la Terre émet de l’infrarouge dans une certaine bande de longueur d’onde. Le principal de l’infrarouge émis par la Terre se trouve autour de 10 µm mais il y en a aussi avant et après. C’est-à-dire que si l’on représente graphiquement l’infrarouge émis par la Terre on va avoir un maximum autour de 10 µm mais également en orange des rayonnements infrarouges émis dans d’autres longueurs d’onde.
Processus de l’effet de serre
La courbe orange ne se lit pas avec l’axe en ordonnée : elle traduit les différents infrarouges émis par la surface de la Terre.
Ce qui veut dire que l’ensemble de ces gaz va pouvoir absorber la chaleur émise sous forme d’infrarouge par la Terre. Que se passe-t-il alors ?
Cette chaleur absorbée se trouve dans l’atmosphère. L’atmosphère qui se réchauffe à cause de l’infrarouge absorbé, va, à son tour réémettre des rayonnements infrarouges. Une petite partie va être émise vers l’espace. Une autre partie va revenir vers la surface et réchauffer à nouveau la Terre. Ce nouvel échauffement va déclencher une nouvelle émission d’infrarouge donc on va avoir à nouveau une émission vers l’atmosphère qui à son tour va réabsorber une partie, renvoyer des infrarouges vers l’espace et d’autres vers la surface de la Terre, etc., jusqu’à une dissipation totale de l’énergie reçue de la part du Soleil.
L’ensemble de cet effet, qui se déroule principalement dans l’atmosphère, porte le nom d’effet de serre. Tout ce passe comme si dans votre jardin vous mettiez une serre pour permettre à l’atmosphère de se réchauffer sous cette serre, de bloquer une partie de la chaleur reçue de la part du Soleil et donc à vos légumes de pousser.
Bénéfices et limites de l’effet de serre
Finalement, sans effet de serre la Terre aurait une température qui serait avoisinante de celle de la Lune, à -20 °C, peut être moins encore. L’effet de serre permet donc d’avoir de l’eau liquide sur Terre. Or c’est ce qui a permis le développement de la vie. L’effet de serre, lorsqu’il permet une température moyenne de 15 °C, est donc bénéfique à la biosphère c’est-à-dire aux êtres vivants. Il a permis le développement de la végétation mais également de tous les autres êtres vivants.
Néanmoins avec l’augmentation dans l’atmosphère de la teneur en gaz à effet de serre, on peut déséquilibrer cet ensemble et provoquer un réchauffement de plus en plus important. Par ailleurs, plus la température est importante plus les banquises et les neiges disparaissent. Or moins il y a de neige à la surface, plus la Terre va absorber de chaleur : il y a comme un effet d’emballement. C’est pourquoi de nombreux scientifiques tirent la sonnette d’alarme puisque plus on augmente la température plus celle-ci est ensuite encline à augmenter sans qu’on puisse avoir ni de contrôle ni de retour en arrière possible.
Conclusion
Au final ces gaz, qui sont présents en petite quantité, sont responsables pour la majeure partie de l’effet de serre. Par exemple, la vapeur d’eau, présente selon les endroits dans l’atmosphère de 0,5 à 5 % seulement, représente 48 % de l’effet de serre. Le dioxyde de carbone qui est un gaz plutôt rare au regard du diazote ou du dioxygène est responsable de plus de 21 % de l’effet de serre et le méthane qui, lui aussi, est un gaz plutôt rare est responsable de 5 % de l’effet de serre.
Le bilan radiatif terrestre global
Qu’est-ce que le bilan radiatif ?
Le bilan radiatif est la différence entre toute l’énergie que la Terre et l’atmosphère reçoivent et l’énergie qu’elles renvoient vers l’espace. Si le bilan radiatif est nul alors la température de la planète et de l’atmosphère, est constante. Nous allons voir que l’équilibre sur Terre est précaire.
I. Bilan radiatif
La Terre reçoit de l’énergie de la part du Soleil et le rayonnement incident est de l’ordre de 342 W.m-2. On exprime cette énergie en watt par mètre carré, par unité de surface. Cette énergie de 342 W.m-2 correspond à ce qui est reçu au sommet de l’atmosphère.
On a représenté ci-dessous l’atmosphère en haut et la surface de la Terre en bas.
Sur ces 342 W.m-2, à peu près la moitié parvient jusqu’à la surface de la Terre, et un peu moins d’un tiers (de l’ordre de 102 W.m-2) est réémis vers l’espace notamment grâce à l’albédo des nuages mais aussi des différentes surfaces terrestres. Cet albédo correspond donc à un renvoi direct de l’énergie, on dit que c’est une énergie qui réfléchit et donc c’est le pouvoir réfléchissant de l’atmosphère et des différentes surfaces de la Terre.
Puisque la Terre est réchauffée par l’énergie reçue par le Soleil, elle réémet une partie de cette chaleur sous forme de rayonnement infrarouge, représenté en vert sur le schéma, qui va être piégé pour partie dans l’atmosphère à cause des gaz à effet de serre, notamment la vapeur d’eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane CH4). Ces trois gaz sont les principaux participants à l’effet de serre.
L’effet de serre permet un réchauffement de la Terre : il permet la vie sur Terre. Sans effet de serre, la Terre serait à une température largement négative, de l’ordre de -20°C. Cet effet de serre piège donc une partie de la chaleur émise par la Terre. Néanmoins, une partie de cette chaleur s’échappe vers l’espace. On l’évalue aujourd’hui de l’ordre de 240 W.m-2.
Si on fait la différence entre ce qui est reçu et ce qui est réémis par la Terre, on obtient :
– un rayonnement incident de l’ordre de 342 W.m-2,
– un renvoi direct notamment par albédo de l’ordre de 102 W.m-2,
– un renvoi de chaleur sous forme de rayonnement infrarouge de l’ordre de 240 W.m-2.
Bilan radiatif = 342 – 102 – 240 = 0
Cette opération est donc nulle (pour le moment), on est à 0 W.m-2, ce qui veut dire que la température sur Terre est à peu près constante.
II. Un équilibre instable
Cet équilibre est un équilibre dynamique et en l’occurrence instable.
Cet équilibre peut varier en fonction de l’énergie reçue au départ, ce sur quoi nous n’avons pas d’influence. En effet, si le Soleil nous envoie à peu près 342 W.m-2, il peut arriver qu’il ait une activité plus importante (on parle parfois de tempête solaire). Avec plus ou moins de régularité, l’activité solaire varie, et donc si l’énergie reçue de par le Soleil augmente, s’il y a variation de l’activité solaire, on peut alors avoir un réchauffement de notre planète.
Ensuite, nous pouvons avoir une influence sur cet équilibre :
– Sur l’albédo : l’énergie que renvoie la Terre. On pourrait se dire que c’est quelque chose de naturel, mais on sait que la nature de la surface considérée influence la quantité d’énergie renvoyée vers l’espace. Par exemple en réduisant les calottes glaciaires, on force la Terre à absorber plus de chaleur, donc on déséquilibre le bilan radiatif et on permet une augmentation de la température.
– En augmentant sans arrêt la quantité de gaz à effet de serre stockée dans notre atmosphère, on augmente l’effet de serre, c’est-à-dire qu’on limite la quantité d’énergie émise sous forme d’infrarouges vers l’espace. Donc on réduit le dernier terme de l’opération, on déséquilibre ce bilan et on a tendance à faire augmenter la température.
Conclusion
Aujourd’hui, il est évident que par ses activités, l’homme a tendance à faire augmenter la température terrestre. Cette température a évolué si l’on considère toute l’histoire de notre planète, depuis 4,6 milliards d’années. Il y a eu des périodes chaudes, des périodes froides. Néanmoins, ce qui est inquiétant aujourd’hui, c’est que la température augmente beaucoup, et surtout qu’elle augmente très vite.