Bilan radiatif et budget énergétique terrestre

Bonjour à toutes et à tous et Bienvenue ! 

Et si nous discutions quelques instants du bilan radiatif de la Terre ?
Mais rien que les deux premiers mots mis ensemble semblent déjà suffisamment complexes pour laisser dubitatif. Alors expliquons-les simplement : il s'agit de faire une comparaison entre l'énergie reçue par la Terre (on parle d'énergie incidente) et l'énergie qu'elle renvoie vers l'espace (on parle d'énergie émise). On additionne ce qui arrive, on soustrait ce qui repart et on obtient le bilan énergétique de la Terre. 

La Terre tend à maintenir un équilibre entre la quantité totale d’énergie entrante et sortante au sommet de l’atmosphère. Cela s’appelle le budget énergétique de la Terre ou le budget radiatif de la Terre.

Autrement dit : la Terre reçoit de l’énergie entrante du Soleil et elle émet de l’énergie sortante vers l’espace.
Pour que la température de la Terre soit stable sur de longues périodes (pour que le budget énergétique soit en équilibre), la quantité d’énergie entrante et la quantité d’énergie sortante doivent être égales.
Si l’énergie entrante est supérieure à l’énergie sortante, la Terre se réchauffe.
Si l’énergie sortante est supérieure à l’énergie entrante, la Terre se refroidit.

Pour bien comprendre, faisons un schéma reprenant en détails les différentes composantes de ce bilan radiatif (ce type de schéma se trouve partout sur internet, celui-ci s'inspire d'une production de la NASA).  

Etape 1 : Le contexte, La Terre et l'atmosphère

Sur cette image, vous avez une représentation schématique d'une partie de la Terre et de l'atmosphère. Les échelles ne sont pas respectées. 

Etape 2 : L'énergie entrante (ou énergie incidente)

Pour que la Terre ne soit pas un simple morceau de roche glacée, il faut que quelque chose lui apporte de la chaleur. Notre source de chaleur est notre étoile : le Soleil.

Lorsque vous vous allongez au Soleil et que vous sentez sa chaleur réchauffer votre peau, vous ressentez directement l'énergie solaire incidente.
Dans les faits, ce n'est pas directement l'énergie solaire, et heureusement. Les rayonnements de notre étoiles sont nocifs pour la vie. Cela fait partie des grandes difficultés que l'humanité peine à résoudre pour rendre un jour possible le voyage spatial. Nous aurons probablement l'occasion d'en rediscuter dans un autre chapitre !
Donc. Les rayonnements solaires ne nous parviennent pas directement, ils sont atténués par le champ magnétique terrestre, par les gaz présents dans l'atmosphère et par les nuages (et non ! Les nuages ne sont pas gazeux mais liquides ! Sinon, nous ne les verrions pas. Nous en rediscuterons plus tard).  

Le sommet de l'atmosphère terrestre reçoit 340,4 Watt/m² (W/m²) d'énergie solaire incidente (si vous souhaitez en apprendre davantage sur ce qu'est l'énergie, vous pouvez vous rendre au le chapitre dédié). 

Une partie de cette énergie est réfléchie par les gaz de l'atmosphère et les nuages, elle repart vers l'espace : 77 W/m².
Une autre partie est directement absorbée par les gaz de l'atmosphère : 77,1 W/m².
Et ce n'est pas fini, car une fois que ce rayonnement restant atteint la surface terrestre, une partie est encore réfléchie vers l'espace : 22,9 W/m².

Faisons un premier bilan : sur 340,4 W/m² d'énergie incidente, il y a : 

77 + 22,9 = 99,9 W/m² d'énergie réfléchie,
77,1 W/m² d'énergie absorbée par l'atmosphère.

Soit, une quantité totale d'énergie absorbée par la surface terrestre de :

340,4 - 99,9 - 77,1 = 163,4 W/m² 

 Etape 3 : énergie émise par la surface terrestre

La Terre est une planète vivante. Elle a un noyau interne solide de fer et nickel, un noyau externe liquide et mouvant (source de notre champ magnétique), un manteau dont une partie ductile (capable de se mouvoir sur des échelles de temps de plusieurs millions d'années), une croûte solide (pour plus de détails sur les enveloppes telluriques, vous pouvez vous rendre au chapitre dédié). 

 

 Elle reçoit donc de l'énergie, mais elle en produit également et en émet vers l'atmosphère. 

La Terre émet 398,2 W/m² sous forme de chaleur.
Pratiquement toute cette énergie est absorbée par la troposphère (la basse atmosphère) et les nuages : 358,2 W/m², et seuls 29,9 W/m² sont directement envoyés vers l'espace par ce qu'on appelle la « fenêtre atmosphérique ».
L'atmosphère va rapidement réémettre vers l'espace plus de la moitié de l'énergie qu'elle a absorbée : 169,9 W/m², et les nuages vont émettre 40,1 W/m². 

Faisons un second bilan : sur 398,2 W/m² d'énergie émise par la surface de la Terre (sur des longueurs d'onde de l'infra-rouge (IR)), il y a :

169,9 + 40,1 + 29,9 = 239,9 W/m² d'énergie qui part vers l'espace.

Si nous devions nous limiter à ces deux facteurs, le bilan énergétique de la Terre ne serait pas à l'équilibre : pour 163,4 W/m² d'énergie reçue, la Terre renvoie  239,9 W/m². Or, si l’énergie sortante est supérieure à l’énergie entrante, la Terre se refroidit. 

Et l'atmosphère dans tout ça ?

Sauf que ce raisonnement n'est pas complet : l'atmosphère et les nuages jouent un rôle et ont également une capacité de stockage de l'énergie. Quand est-il donc du bilan énergétique de l'atmosphère et des nuages à ce moment de notre modèle ? 

L'atmosphère et les nuages ont déjà absorbé 77,1 W/m² d'énergie solaire. 
Ils absorbent également 358,2 W/m² d'énergie terrestre IR mais n'en conservent que 358,2 - 169,9 - 40,1 = 148,2 W/m². 

L'énergie sortante terrestre est, par conséquent, une source de chaleur pour notre bilan énergétique.

Si on prend en compte toutes les boîtes, on obtient donc : 
La quantité totale d'énergie stockée dans l'atmosphère = 77,1 + 148.2 = 225,3 W/m². 

Bilan intermédiaire 

A cette étape de notre modèle de bilan radiatif terrestre, l'atmosphère absorbe 225,3 W/m², la surface terrestre absorbe 163,4 W/m², soit un total de 388,7 W/m² d'énergie stockée dans les réservoirs terrestre et atmosphériques. 

Au total, 339,8 W/m² sont émis vers l'atmosphère en retour : le bilan n'est pas à l'équilibre. Il y a donc d'autres processus qui entrent en jeu dans le budget énergétique de notre planète.

 

Etape 4 : les Gaz à Effet de Serre (GEZ)

Comme vous le savez probablement, notre atmosphère contient de nombreux gaz en proportions variables.
Le plus abondant est le diazote, N₂, présent à 78,08%, suivi par le dioxygène, O₂, à 20,95%.
De nombreux autres gaz se retrouvent en proportions plus ou moins faibles et parmi ceux-ci se trouvent les gaz à effet de serre (pour en apprendre davantage sur ces gaz, vous pouvez aller consulter la vidéo sur le sujet). 

Ils renvoient vers la surface terrestre 340,3 W/m².

Etape 5 : la conduction et la convection thermiques

La Terre va également émettre une faible quantité d'énergie vers l'espace par conduction et convection thermique, de l'ordre de 18,4 W/m².  

Ce processus est très peu efficace car l'atmosphère est un bon isolant thermique. 

Etape 6 : la chaleur latente

Enfin, la chaleur latente émet vers l'atmosphère 86,4 W/m². 

La chaleur latente est aussi appelée l'enthalpie de changement d'état : cela correspond à la quantité de chaleur émise par le changement d'état de l'eau (condensation ou gel de la vapeur d'eau lors de la formation des nuages). L'évapotranspiration est responsable d'une partie de cette émission de chaleur latente. 

 Le bilan énergétique est-il à l'équilibre ?

Si on fait le bilan de l'ensemble de processus, on obtient :