Bilan radiatif de la Terre

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Le bilan radiatif de la Terre dresse la quantité d'énergie reçue par le système climatique Terre-atmosphère et la quantité d'énergie réémise vers l'espace. Lorsque le bilan est nul, la température moyenne de la planète est stable.

L'apport d'énergie provient principalement du Soleil, celle produite au centre de la Terre représente à peine 0,01 % de l'énergie totale reçue par la surface de la Terre. Le rayonnement solaire reçu par les couches les plus élevées de l'atmosphère est d'environ 340 W.m^-2 en moyenne annuelle. Le Soleil étant une étoile de type G2, son spectre d'émission s'étend de 0,2 à 4 micromètres, c'est-à-dire de l'ultraviolet à l'infrarouge en passant par le visible.

L'albédo moyen du système Terre-atmosphère est de 30 %. C'est-à-dire que pour 100 W reçus par le sommet de l'atmosphère, 70 W sont effectivement absorbés par la Terre ou l'atmosphère sous forme de chaleur. Les 30 W réfléchis par l'atmosphère, les nuages ou la surface de la Terre (océans, neige, etc.) le sont sans changement de longueur d'onde.

Sur les 70 W absorbés :

50 W sont absorbés par la Terre, dont les océans. La manière dont cette énergie est réémise est complexe en raison des interactions avec l'atmosphère. Sur ces 50 W :

20 W sont directement réémis par la Terre sous forme de rayonnement dans le proche infrarouge, dont 15 W sont à nouveau absorbés par les gaz à effet de serre, les cinq autres partent directement dans l'espace.
10 W sont transmis à l'atmosphère par conduction. Cet apport d'énergie constitue l'essentiel de l'apport de chaleur de la troposphère, c'est le flux de chaleur sensible. En effet, les infrarouges et les ultraviolets sont absorbés en grande partie dans la stratosphère, et le visible n'est presque pas absorbé par les molécules d'air.
20 W sont absorbés par l'évaporation de l'eau. Cette énergie est en fait convertie en chaleur latente d'évaporation ; elle est libérée dans l'atmosphère lorsque la pression de vapeur saturante est atteinte et que la vapeur d'eau se condense pour former des nuages.

20 W sont absorbés directement dans l'atmosphère par les molécules d'air et les nuages. Les ultraviolets sont absorbés en grande partie grâce à l'ozone $O 3$ , et les infrarouges avec la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone $CO 2$ . La lumière visible est absorbée en partie par les nuages mais elle atteint majoritairement la surface de la Terre. À ces 20 W reçus directement du Soleil viennent s'ajouter, comme nous l'avons vu ci-dessus, 45 W échangés entre la Terre et l'atmosphère par émission dans le proche infrarouge, conduction et conversion en chaleur latente.

Toute cette énergie est ensuite réémise aux longueurs d'ondes d'émission des molécules d'air ou de l'eau, principalement aux alentours de 15 micromètres (infrarouge lointain). Or cette énergie est réémise dans toutes les directions, dans l'espace mais aussi vers la surface de la Terre. Ce phénomène de forçage est responsable de l'effet de serre, mais sur une année, le bilan radiatif de la Terre est globalement nul, c'est-à-dire que la quantité d'énergie absorbé est égale à la quantité d'énergie réémise, si bien que la température moyenne est sensiblement constante.

Le phénomène de réchauffement climatique récemment découvert est dû à l'augmentation de la concentration en gaz à effet de serre qui accentue à la fois l'absorption directe de la lumière infrarouge émise par le Soleil, et le forçage consécutif à l'absorption de l'énergie provenant de la Terre. Ce phénomène entraîne un léger déséquilibre du bilan radiatif : la quantité d'énergie absorbée par le système Terre-atmosphère devient supérieure à celle réémise vers l'espace, si bien que la température moyenne augmente tant que perdure ce déséquilibre.