Le bilan radiatif terrestre

La lumière, les infrarouges, les ultraviolets et les rayons X font partie du rayonnement électromagnétique. Chaque radiation est caractérisée par une grandeur dont la valeur lui est propre : la longueur d’onde notée λ et exprimée en mètre (m). Chaque rayonnement électromagnétique appartient à un domaine de longueur d’onde.

Spectre des ondes électromagnétiques

Le disque est une figure du plan caractérisée par son centre et son rayon R : il est composé de l’ensemble des points du plan situés à une distance du centre inférieure ou égale à R.
La sphère est un volume dans l’espace, caractérisé par son centre et son rayon R : elle est composée de l’ensemble des points de l’espace situés à une distance du centre égale à R.

Disque et sphère de rayon R

On définit les surfaces S de chacun de ces objets par la valeur de leur aire.

Surface du disque
Surface de la sphère

Les surfaces ont pour unité le mètre carré (m²) et les rayons ont pour unité le mètre (m).

La surface du Soleil émet un rayonnement électromagnétique dans toutes les directions de l’espace et de manière homogène (aucune direction n’est privilégiée). Ce rayonnement électromagnétique porte de l’énergie répartie sur une sphère, dont le centre est le centre du Soleil.

Répartition de l'énergie solaire sur une sphère

On définit la puissance radiative solaire P_RS comme l’énergie solaire émise par unité de temps. La puissance a pour unité le watt (W) et l’énergie a pour unité le joule (J).

Considérons la Terre, dont le centre est placé à une distance R de celui du Soleil. Calculons la proportion de la puissance radiative solaire qui atteint la Terre.
La puissance radiative solaire émise P_RS se répartit sur toute la sphère de rayon R. La puissance radiative solaire émise par unité de surface P_RSU est égale à :

avec : PRSU est en watt par mètre carré (W·m–2) PRS est en watt (W) R la distance Terre-Soleil, en mètre (m)

La puissance radiative reçue par la Terre est collectée sur une surface égale à celle du disque terrestre, de rayon R_T:

S = π × R_T²

Surface terrestre collectant la puissance solaire

La puissance radiative solaire reçue par la Terre est égale à :

La proportion de puissance solaire reçue par la Terre est égale à :

Le rayon de la Terre et la distance Terre-Soleil sont égaux à :
R_T = 6371 km et R = 1,50 × 10⁸ km.
La proportion est donc égale à :
proportion reçue par la Terre = 4,51 × 10^–10= 4,51 × 10^–8 %.
On constate qu’il s’agit d’une proportion infime de la puissance radiative émise par le Soleil.
On peut calculer la puissance radiative solaire reçue par unité de surface (égale au mètre carré) sur Terre :

La puissance radiative solaire est égale à : P_RS = 3,8651×10²⁶ W.
La distance Terre-Soleil est égale à : R = 1,50 × 10⁸ km = 1,50 × 10¹¹ m.

Une partie du rayonnement solaire reçu par la Terre est réfléchi par l’atmosphère terrestre et par la surface terrestre. Ces parties réfléchies sont renvoyées dans l’espace.

Absorption et réflexion du rayonnement solaire

L’albédo est égal au rapport de la puissance du rayonnement réfléchi sur la puissance du rayonnement solaire reçu.
L’albédo prend ses valeurs entre 0 et 1 :

• s’il vaut 0, cela signifie que tout le rayonnement reçu est absorbé ;
• s’il vaut 1, cela signifie que tout le rayonnement reçu est réfléchi.

Il n’a pas d’unité (car il s’agit du rapport entre deux puissances qui ont la même unité) et peut aussi s’exprimer en pourcentage : 0 = 0 % et 1 = 100 %.

L’albédo moyen terrestre est égal à environ 0,30, ce qui signifie que 30 % de la puissance solaire reçue est réfléchie vers l’espace.
L’albédo dépend de la nature de la surface réfléchissante :

• pour l’atmosphère, la valeur moyenne est égale à 0,25 et dépend de la couverture nuageuse ;
• pour la surface de la Terre, les valeurs peuvent être très différentes en fonction de la nature du sol.

La puissance moyenne émise par unité de surface est environ égale à 390 W·m^–2. Une fraction égale à 350 W·m^–2 est absorbée par l’atmosphère et l’autre, égale à 40 W·m^–2, est envoyée dans l’espace.

Devenir du rayonnement infrarouge émis par la Terre

• L’atmosphère contient des gaz qui absorbent de manière sélective le rayonnement électromagnétique. En fonction de la valeur de sa longueur d’onde, le rayonnement sera très peu ou fortement absorbé
  
  Pourcentage d’absorption du rayonnement par l’atmosphère
  en fonction de la longueur d’onde
• On observe sur le graphique précédent que le domaine de l’infrarouge est fortement absorbé, ce qui explique qu’une grande partie du rayonnement infrarouge émis par la surface de la Terre est absorbé par l’atmosphère.
• Les principaux gaz présents dans l’atmosphère et qui absorbent le rayonnement infrarouge sont la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone, le méthane et l’ozone.
• Une fois absorbé, ce rayonnement est émis par l’atmosphère sous forme de rayonnement infrarouge. L’atmosphère émet également sous cette forme le rayonnement solaire qu’elle a absorbé. Une partie est envoyée dans l’espace (195 W·m^–2) et une autre vers la surface de la Terre qui l’absorbe (222 W·m^–2).

Devenir du rayonnement infrarouge émis par l’atmosphère terrestre

La surface de la Terre émet et absorbe des rayonnements.

• Elle absorbe le rayonnement solaire (la fraction qui n’a pas été réfléchie ou absorbée par l’atmosphère).
• Elle réfléchit une partie du rayonnement solaire.
• Elle émet un rayonnement infrarouge.
• Elle absorbe un rayonnement infrarouge en provenance de l’atmosphère (la partie qui est émise vers le sol).

On peut effectuer un bilan des diverses puissances émises et reçues au niveau de la surface de la Terre :

Échanges d’énergie pour le système Terre-atmosphère

L’effet de serre est le phénomène qui a permis une température clémente sur Terre, propice à l’éclosion de la vie et à son développement. Le problème est que cet effet est renforcé par le rejet en quantités importantes de gaz à effet de serre, du fait de l’activité humaine. Par conséquent, la température moyenne du globe augmente, ce qui a des conséquences dramatiques : montée du niveau de la mer, sécheresses, phénomènes climatiques violents (typhons, ouragans, tempêtes…).