Fiche de cours

Effectuer un bilan thermique du système Terre-atmosphère

Lycée > Terminale > Physique Chimie > Effectuer un bilan thermique du système Terre-atmosphère

Fiche de cours
Quiz et exercices
Vidéos et podcasts

Objectifs

Effectuer un bilan quantitatif d’énergie pour estimer la température terrestre moyenne, la loi de Stefan-Boltzmann étant donnée.
Discuter qualitativement de l’influence de l’albédo et de l’effet de serre sur la température terrestre moyenne.

Points clés

Le système « Terre-atmosphère » reçoit une fraction de l’énergie émise par le Soleil. On définit la puissance surfacique comme l’énergie reçue par seconde et par unité de surface. Une partie de cette puissance est réfléchie/diffusée vers l’espace, tandis que l’autre est absorbée par le système « Terre-atmosphère ».
L’albédo terrestre est égal au rapport de la puissance réfléchie/diffusée sur la puissance solaire reçue. Il est égal à environ 30 %.
La surface de la Terre émet un rayonnement infrarouge dont la puissance associée est absorbée en partie par l’atmosphère (grâce aux gaz à effet de serre), qui elle-même émet un rayonnement infrarouge vers le sol et vers l’espace.
Ce rayonnement absorbé par la Terre permet d’augmenter la température : c’est l’effet de serre.
La puissance reçue par le système « Terre-atmosphère » est égale à celle que ce système émet vers l’espace : la température moyenne du système est donc constante.
Une diminution de l'albédo ou une augmentation de l’effet de serre entraine une élévation de la température terrestre moyenne.

Pour bien comprendre

Puissance, diffusion et absorption

1. Le bilan thermique du système « Terre-atmosphère »

Le système « Terre-atmosphère » reçoit et perd de l’énergie.

L’énergie reçue provient du Soleil sous forme radiative. Cette énergie solaire reçue est en partie réfléchie directement par le système « Terre-atmosphère » et en partie absorbée.

La puissance solaire reçue

La Terre reçoit une très petite partie de l’énergie émise par le Soleil dans toutes les directions de l’espace.

Cette fraction d’énergie reçue par unité de surface et de temps, appelée puissance solaire reçue, est égale à P_solaire = 342 W·m^–2.

Le système « Soleil-Terre »

Rappel
La puissance P reçue est égale à l’énergie E reçue par unité de temps. On considère une énergie E reçue pendant une durée Δt.

avec :

P la puissance reçue, en watt (W)
E l’énergie reçue, en joule (J)
Δt la durée, en seconde (s)

La puissance solaire reçue est une puissance radiative (portée par les rayonnements électromagnétiques). Cette puissance est en partie réfléchie par l’atmosphère et par le sol, et en partie absorbée par l’atmosphère et le sol.

Absorption et réflexion du rayonnement solaire

Le bilan de puissance peut s’écrire de la manière suivante.

Puissance absorbée par le système « Terre-atmosphère »	P_absorbée = 67 + 168 = 235 W·m^–²
Puissance réfléchie par le système « Terre-atmosphère »	P_réfléchie = 77 + 30 = 107 W·m^–2

L’albédo

On définit l'albédo comme le pourcentage de puissance transmis par le Soleil au système « Terre-atmosphère » qui est réfléchi par ce système.

avec :

α l’albédo, sans unité
P_réfléchie la puissance solaire réfléchie par le système « Terre-atmosphère », en watt (W)
P_solairela puissance solaire transmise au système « Terre-atmosphère », en watt (W)

Application
L'albédo moyen est égal à

Plus l’albédo est élevé et plus le rayonnement solaire est réfléchi par le système « Terre-atmosphère », qui reçoit donc moins d’énergie thermique.

L’albédo dépend de la couleur et de la rugosité de la surface : la neige réfléchit une grande partie du rayonnement incident (albédo élevé) tandis que les surfaces foncées absorbent une plus grande partie du rayonnement (albédo faible).

Surface	Neige	Forêt	Prairie	Asphalte	Océan
Albédo	80 % - 95 %	10 % - 20 %	25 % - 30 %	5 % - 10 %	8 % - 50 %

Le rayonnement infrarouge

Émission par la Terre

La Terre émet un rayonnement infrarouge. Ce rayonnement est en partie renvoyé directement vers l’espace et est en partie absorbé par l’atmosphère.

Émission et absorption du rayonnement
infrarouge émis par la Terre

Remarque
Le rayonnement infrarouge correspond à des radiations dont les longueurs d’onde sont comprises entre 800 nm et 1,0 × 10⁶ nm (= 1 mm).

Émission par l’atmosphère

L’atmosphère réémet ce rayonnement absorbé (ainsi que le rayonnement solaire absorbé), également sous forme d’un rayonnement infrarouge : une partie est renvoyée vers l’espace et l’autre est absorbée par la Terre.

Émission et absorption du rayonnement
infrarouge émis par l’atmosphère

La fraction du rayonnement absorbé par la Terre (qui correspond à 222 W·m^–2) permet de maintenir une température constante d’environ 15 °C et qui serait beaucoup plus basse si tout le rayonnement avait été émis vers l’espace : c’est l'effet de serre.

Le bilan de puissance du système « Terre-atmosphère »

Le bilan de puissance du système « Terre-atmosphère » est le suivant.

Puissance apportée du Soleil	P_solaire = 342 W·m^–2
Puissance rayonnée vers l’espace	P_espace = P_{lumineuse réfléchie}+ P_{IR émise Terre}+ P_{IR émise atmosphère} P_espace = 107 + 40 + 195 = 342 W·m^–2

La puissance apportée par le Soleil est égale à celle rayonnée vers l’espace : le système « Terre-atmosphère » reçoit autant d’énergie qu’il en perd. Le système est donc à l’équilibre thermique. Sa température est donc constante.

2. La température terrestre moyenne

Le bilan de puissance du système « Terre-atmosphère » montre que le système est en équilibre thermique : sa température reste donc constante.

Cette température peut être calculée et sa valeur dépend de paramètres tels que l'albédo ou l’effet de serre.

a. La formule de Stefan-Boltzmann

La formule de Stefan-Boltzmann permet de calculer la température de surface de la Terre à partir de la puissance émise par unité de surface terrestre.

P = σ × T⁴

avec :

P la puissance émise par unité de surface terrestre, en watt par mètre carré (W·m^–2)
σ la constante de Stefan-Boltzmann : σ = 5,67 × 10^–8 W·m^–2·K^–4
T la température de surface de la Terre,
en kelvin (K)

La puissance émise par unité de surface terrestre, sous forme de rayonnement infrarouge, est égale à P_{émise Terre} = 390 W·m^–2.

La température associée peut se calculer :

La température obtenue correspond à 15 °C (= 288 – 273).

b. Influence de l'effet de serre et de l'albédo

L’influence de l’effet de serre

En l’absence de l’effet de serre, la température moyenne terrestre serait égale à –18 °C, ce qui aurait empêché le développement de la vie sur Terre.

Cet effet est dû à la présence dans l’atmosphère des gaz à effet de serre (dioxyde de carbone, vapeur d’eau, méthane, etc.) qui absorbent une partie du rayonnement infrarouge émis par la surface de la Terre et qui, en le réémettant, contribuent à réchauffer le système « Terre-atmosphère ».

Depuis le début de l’ère industrielle, l’accumulation de ces gaz liés à l’activité humaine exacerbe ce phénomène, ce qui entraine aujourd’hui un réchauffement de la Terre. Ce réchauffement de la Terre met en danger de nombreux écosystèmes et accélère la fonte des glaces : c’est le réchauffement climatique.

Une augmentation de l’effet de serre a pour conséquence une élévation de la température terrestre.

L’influence de l’albédo

Si la surface terrestre est plus réfléchissante, cela a pour conséquence d’augmenter la fraction de puissance solaire renvoyée dans l’espace et de diminuer celle qui est absorbée.

Une augmentation de l'albédo a pour conséquence une diminution de la température terrestre.

Évalue ce cours !

Note 3.6 / 5. Nombre de vote(s) : 25

Des quiz et exercices pour mieux assimiler sa leçon

La plateforme de soutien scolaire en ligne myMaxicours propose des quiz et exercices en accompagnement de chaque fiche de cours. Les exercices permettent de vérifier si la leçon est bien comprise ou s’il reste encore des notions à revoir.

S’abonner

Des exercices variés pour ne pas s’ennuyer

Les exercices se déclinent sous toutes leurs formes sur myMaxicours ! Selon la matière et la classe étudiées, retrouvez des dictées, des mots à relier ou encore des phrases à compléter, mais aussi des textes à trous et bien d’autres formats !

Dans les classes de primaire, l’accent est mis sur des exercices illustrés très ludiques pour motiver les plus jeunes.

S’abonner

Des quiz pour une évaluation en direct

Les quiz et exercices permettent d’avoir un retour immédiat sur la bonne compréhension du cours. Une fois toutes les réponses communiquées, le résultat s’affiche à l’écran et permet à l’élève de se situer immédiatement.

myMaxicours offre des solutions efficaces de révision grâce aux fiches de cours et aux exercices associés. L’élève se rassure pour le prochain examen en testant ses connaissances au préalable.

S’abonner

Des vidéos et des podcasts pour apprendre différemment

Certains élèves ont une mémoire visuelle quand d’autres ont plutôt une mémoire auditive. myMaxicours s’adapte à tous les enfants et adolescents pour leur proposer un apprentissage serein et efficace.

Découvrez de nombreuses vidéos et podcasts en complément des fiches de cours et des exercices pour une année scolaire au top !

S’abonner

Des podcasts pour les révisions

La plateforme de soutien scolaire en ligne myMaxicours propose des podcasts de révision pour toutes les classes à examen : troisième, première et terminale.

Les ados peuvent écouter les différents cours afin de mieux les mémoriser en préparation de leurs examens. Des fiches de cours de différentes matières sont disponibles en podcasts ainsi qu’une préparation au grand oral avec de nombreux conseils pratiques.

S’abonner

Des vidéos de cours pour comprendre en image

Des vidéos de cours illustrent les notions principales à retenir et complètent les fiches de cours. De quoi réviser sa prochaine évaluation ou son prochain examen en toute confiance !

S’abonner

Profs en ligne

Découvrez le soutien scolaire en ligne avec myMaxicours

Plongez dans l'univers de myMaxicours et découvrez une approche innovante du soutien scolaire en ligne, conçue pour captiver et éduquer les élèves de CP à la terminale. Notre plateforme se distingue par une riche sélection de contenus interactifs et ludiques, élaborés pour stimuler la concentration et la motivation à travers des parcours d'apprentissage adaptés à chaque tranche d'âge. Chez myMaxicours, nous croyons en une éducation où chaque élève trouve sa place, progresse à son rythme et développe sa confiance en soi dans un environnement bienveillant.

Profitez d'un accès direct à nos Profs en ligne pour une assistance personnalisée, ou explorez nos exercices et corrigés pour renforcer vos connaissances. Notre assistance scolaire en ligne est conçue pour vous accompagner à chaque étape de votre parcours éducatif, tandis que nos vidéos et fiches de cours offrent des explications claires et concises sur une multitude de sujets. Avec myMaxicours, avancez sereinement sur le chemin de la réussite scolaire, armé des meilleurs outils et du soutien de professionnels dédiés à votre épanouissement académique.

EXERCE-TOI EN T'ABONNANT