Le climat – 2ème épisode – Rayonnement solaire et bilan énergétique de la Terre

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La source de pratiquement toute l’énergie du système climatique est le rayonnement du soleil. D’où provient ce rayonnement énergétique ? Et comment intervient-il dans la balance énergétique de la Terre ?

Nous devons ici nous faire une idée de la façon dont le soleil fonctionne, comment le rayonnement qu’il produit varie avec la longueur d’onde (c’est-à-dire le spectre solaire) et quelle quantité d’énergie atteint une sphère imaginaire à la distance moyenne de la Terre au Soleil (égale à 1,37 kW/m2, appelée la constante solaire).

Commençons tout d’abord par nous rappeler ce qu’est une onde électromagnétique 🙂 :

Onde électromagnétique

Ceci étant fait, et les choses étant claires (du moins je l’espère), voyons alors quels types de réactions ayant lieu dans le coeur du Soleil lui permettent d’être si chaud en surface et donc de permettre à la photosphère d’émettre les rayons que nous recevons sur Terre : la fusion thermonucléaire

Fusion thermonucléaire

Hoho, on avance dans les connaissances, pas vrai ? Bon, je vous embarque maintenant dans une autre petite vidéo pour visualiser à quoi le spectre du soleil ressemble et déterminer sa température de surface grâce à la détermination de son maximum d’émission :

Spectre solaire

Voila, voila, on connait tout, ou presque : la température de surface du soleil est donc d’environ 6000°C et la longueur d’onde du maximum maximum d’émission que nous recevons sur Terre est légèrement en dessous de 500 nm : c’est du bleu. Par contre, si nous considérons la Terre, et la température de sa surface, disons à 27°C pour faire simple, ceci correspond à une température absolue de 300K. Donc, en appliquant la loi de Wien (ou loi de déplacement de Wien), la Terre émet des ondes à des longueurs d’ondes de la dizaine de micromètres, loin dans l’infrarouge. Remarquez que c’est pareil pour nous, êtres humains. Avec notre température corporelle de surface de l’ordre de 20-30°C, nous émettons aussi dans l’infrarouge, d’où l’usage de lunettes permettant de voir l’infrarouge pour nous discerner dans le noir (pour certains jeux comiques ou moins … 🙂 )

Tout va bien ? vous suivez ? Continuons alors !

Le Soleil, comme les autres étoiles, évolue sur de très longues périodes. Par rapport à l’attention actuelle portée sur le climat, l’activité du Soleil passe aussi par des cycles plus courts, par exemple celui marqué par une activité variable des taches solaires. Cependant, depuis le début des mesures, la variation de production du rayonnement solaire observé n’est qu’une fraction de 1%. Un effet beaucoup plus important résulte du fait que la distance de la Terre au Soleil varie au cours de l’année, car l’orbite n’est pas tout à fait circulaire mais présente une excentricité d’environ 3%. Actuellement, cela fait que le flux solaire arrivant sur Terre varie de 1 435 W/m2 le 3 janvier à environ 1 345 W/m2 le 3 juillet.

Obliquité et surfaces éclairées

Quoique l’effet de cette fluctuation de 6% de l’insolation due à l’excentricité de l’orbite de la Terre autour du Soleil peut être détectée par les instruments, elle échappe à tout activité quotidienne parce qu’à un endroit particulier de la planète, le climat est dominé par le cycle saisonnier normal produit par l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre par rapport à la normale au plan de l’écliptique. Cette quantité, appelée l’obliquité, est d’environ 23 °, de sorte que l’angle auquel la lumière du soleil éclaire la surface à une latitude de, disons, 45 °, varie de 22 ° à 68 ° du milieu de l’été au milieu de l’hiver. Puisque l’énergie par unité d’aire à la surface de la Terre dépend du cosinus de l’angle d’incidence, l’obliquité est responsable d’une variation saisonnière moyenne de l’insolation quotidienne de plus de 100% à cette latitude (Aïe aïe aïe 🙂 ). Il est également responsable du phénomène de la « nuit polaire » dans les cercles arctique et antarctique.

Emission – absorption – réflection – diffusion

Une variable climatique importante, mais plus insaisissable, est la fraction de l’énergie solaire incidente effectivement absorbée par la planète dans son ensemble. La fraction de l’énergie qui est réfléchie ou diffusée dans l’espace sans être absorbée, qui dans le cas de la Terre vaut environ 30%, est appelé l’albédo de la planète. La fraction (1 – albédo) de la constante solaire qui est disponible pour alimenter le système climatique de la Terre peut varier d’un grand facteur parce que l’albédo est en grande partie déterminé par la quantité et le type de nuages ​​présents à un moment donné. Bien entendu, cela fluctue considérablement de jour en jour, voire d’heure en heure et il est très difficile de mesurer les propriétés globales des nuages de manière précise sur des bases suffisamment larges et systématiques.

L’albédo de la Terre n’est pas non plus une quantité facile à mesurer directement : elle nécessite non seulement une plateforme dans l’espace mais aussi des mesures sur toutes les angles d’émission, sur toutes les longueurs d’onde et elle doit être effectuée sur l’ensemble de la surface éclairée de la planète, le tout simultanément. Évidemment, cela n’est pas possible avec un seul satellite, ou un nombre fini de satellites, et, avec les systèmes de mesures actuelles, même une estimation raisonnablement complète est difficile. Il existe néanmoins certaines évidences que la valeur moyenne mensuelle varie de 20% annuellement, avec des tendances à long terme encore totalement inconnues à l’heure actuelle. Une si grande variabilité, si elle était confirmée, dominerait toutes les autres incertitudes concernant le bilan budgétaire de la Terre, l’équation fondamentale sur laquelle le climat dépend finalement.

Réflection – Albédo

En moyenne, environ la moitié de l’énergie du Soleil qui arrive sur la Terre atteint la surface. Le reste est soit réfléchi dans l’espace, principalement par les nuages, mais aussi par réflexion sur la surface de la Terre et diffusion dans l’atmosphère soit absorbé dans l’atmosphère. Néanmoins et fort heureusement, la plupart de l’absorption atmosphérique est due à des constituants mineurs, c’est-à-dire ceux présents en très petites proportions, car les principaux composants tels l’azote et l’oxygène sont en grande partie transparents à la lumière du soleil sauf aux très courtes (ultraviolets, UV) longueurs d’onde. Les raisons pour lesquelles certains gaz interagissent avec les rayonnements visible et l’infrarouge, alors que d’autres non, sont une conséquence des propriétés de symétrie de la molécule de gaz considérée.

Réactivité moléculaire dans l’atmosphère

Comme la Terre dans son ensemble absorbe en permanence 70% de l’énergie du soleil, ce qui correspond à une puissance absorbée d’environ 2 x 1017 W, la même quantité d’énergie doit être perdue au même rythme afin de maintenir un équilibre global. Ceci se fait également par rayonnement mais, dans ce cas, à de plus grandes longueurs d’onde, dans l’infrarouge. En final, toute l’énergie absorbée doit être renvoyée dans l’espace car nous observons qu’en moyenne, sur de longues durées, la planète ne se réchauffe ni ne se refroidit. Ceci est vrai même si le phénomène de «réchauffement de la planète» se produit, car ce dernier consiste en un réchauffement de la surface dû à un changement de structure de la température de l’atmosphère et pas à une augmentation du taux de réchauffement ou de refroidissement de la Terre dans son ensemble.

Le bilan énergétique moyen doit s’équilibrer, pas seulement pour la planète entière, mais aussi pour ses différentes régions, de la plus grande à la plus petite échelle. En particulier, puisque les régions équatoriales reçoivent beaucoup plus d’énergie du Soleil que les régions polaires, tandis que le refroidissement du globe terrestre est presque identique partout, l’océan et l’atmosphère doivent circuler de façon à transporter la chaleur vers les pôles afin de maintenir un équilibre énergétique.

Bilan énergétique

Nous examinerons la dynamique de l’atmosphère et de l’océan et les rôles joués par leurs circulations sur le climat dans les prochains articles.

Voila voila, J’espère que vous avez aimé cet article. Si c’est le cas et que vous ne voulez pas raté les suivants, souscrivez à notre lettre et n’hésitez pas à laisser un commentaire pour me faire partager votre avis, vos accords avec ce qui est écrit, vos objections 🙂

[1] Elementary Climate Physics

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