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. Même si, dans les faits, il n'est pas exactement à l'équilibre, mais nous allons voir ça ensemble dans ce chapitre.

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. 
Note de Terres du Passé : je vous partage ici une succession d'images afin que quiconque souhaitant les utiliser dans une présentation puisse en faire une animation fluide, image par image. Alors, n'hésitez pas ! 

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). 

Et là, j'en vois certains s'arrêter sur cette valeur et répondre : « Mais enfin, tout le monde sait que la Terre reçoit 1361 W/m², pas 340 W/m² ! »

Et s'il est vrai que cette valeur peut se retrouver, alors faisons un petit point étape sur cette question !

Combien d'énergie la Terre reçoit-elle du Soleil ? 

La quantité d’énergie solaire que reçoit la Terre dépend de deux choses : de la puissance du Soleil, et de la distance entre la Terre et le Soleil. Assez logiquement, plus la Terre est proche du Soleil, plus elle reçoit d’énergie. C'est le même principe que le feu de cheminé ou le barbecue : plus on se rapproche des flammes et plus on ressent leur chaleur. Il en va de même pour le Soleil.

Comme l'orbite de la Terre est légèrement elliptique, la distance Terre-Soleil varie au cours de l’année : début janvier (périhélie), la Terre est un peu plus proche du Soleil et elle reçoit un peu plus d’énergie. À l'inverse, début juillet (aphélie), la Terre est un peu plus éloignée du Soleil et elle en reçoit un peu moins.

En moyenne, au sommet de l’atmosphère, la Terre reçoit environ 1361 W/m² lorsqu’on se place face au Soleil.

Pourquoi parle-t-on alors de 340 W/m² ?

Parce que cette énergie ne chauffe pas seulement un point, elle est répartie sur toute la surface de la planète et la Terre tourne sur elle-même.

Vous pouvez vous représenter ça avec une lampe qui éclaire une balle : seule une moitié est éclairée à un instant donné, mais sur la journée entière, l’énergie se répartit sur toute la surface. 

L’énergie interceptée par la Terre est répartie sur toute la surface de la sphère, ce qui divise par quatre* la valeur reçue sur une face exposée. En moyenne, cela revient à environ 340,4 W/m² au sommet de l’atmosphère. Autrement dit, c’est cette moyenne, et non la constante solaire seule, qui est utilisée pour établir le bilan énergétique planétaire.

* La division par quatre n'est peut-être pas intuitive pour tout le monde, alors voici un petit rappel de géométrie pour comprendre : 

Pourquoi divise-t-on la constante solaire par 4 ?

La constante solaire (~1361 W/m² aujourd’hui) correspond à l’énergie reçue par une surface plane perpendiculaire aux rayons du Soleil, à la distance moyenne Terre–Soleil. Mais la Terre n’est pas une surface plane : c’est une sphère. 

Vue du Soleil, la Terre présente un disque de surface :

Surface interceptée = πR² 

où R est le rayon terrestre. C’est cette surface circulaire qui intercepte le rayonnement solaire.

Or, la Terre tourne sur elle-même en 24h. L’énergie reçue par cette section circulaire est redistribuée sur toute la surface sphérique de la Terre : 

Surface totale = 4πR² 

En comparant les deux surfaces, on obtient :

(πR²)/(4πR²) = 1/4

L’énergie interceptée est donc répartie sur une surface quatre fois plus grande. C’est pourquoi le flux solaire moyen au sommet de l’atmosphère est :

1361/4 ≈ 340,4 W/m²

À retenir

→ Le facteur 4 vient uniquement de la géométrie d’une sphère.
→ Il ne dépend ni des saisons, ni de l’inclinaison de l’axe terrestre. 
→ 340,4 W/m² est une moyenne globale (jour + nuit, toutes latitudes confondues).

Retour sur notre bilan d'énergie entrante

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 produit effectivement de l'énergie interne, par cela ne représente que 0,06 W/m² émis vers l'atmosphère, soit très peu. 

Toutefois, on considère que la Terre émet virtuellement 398,2 W/m² sous forme de rayonnements infra-rouges (IR).
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. 

Bilan intermédiaire

Faisons un second bilan : sur 398,2 W/m² d'énergie émise en IR par la surface de la Terre, 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 était supérieure à l’énergie entrante, la Terre se refroidirait. Il faut faire intervenir d'autres précessus.

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%.
Les 0,97% restant se composent de nombreux autres gaz en proportions plus ou moins faible. 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).

Ces gaz (CO₂, CH₄, N₂O...) absorbent une partie du rayonnement infrarouge émis par la surface et réémettent ce rayonnement dans toutes les directions. Ils vont renvoyer vers la surface de la Terre 340,3 W/m².

Etape 5 : la conduction et la convection thermiques

L’équilibre énergétique de la surface ne dépend pas uniquement du rayonnement. Il inclut également des flux turbulents (chaleur sensible) et des flux liés aux changements d’état de l’eau (chaleur latente).
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.

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. Par exemple, la condensation ou gel de la vapeur d'eau lors de la formation des nuages, mais aussi l'évaporation à la surface de l'océan sont les principaux contributeurs de ce flux de chaleur latente.

Bien ! À partir de là, nous avons les grands tenants et aboutissants du bilan radiatif terrestre. Mais ce bilan est-il à l'équilibre ?

 Le bilan énergétique est-il à l'équilibre ?

Souvenez-vous de ce que nous avons vu ensemble au début de ce chapitre : 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.

Reprenons les valeurs de ce qui entre de ce qui sort pour faire le point. Pour les énergies entraintes, on ontient : 

Composantes	Valeur (en W/m²)
Rayonnement solaire incident	340,4
Réflexion par atmosphère et nuages	-77
Réflexion par la surface	-22,9
Total	240,5

Pour les énergies sortantes, on obtient :

Composantes	Valeur (en W/m²)
Emission par l'atmosphère	169,9
Emission par les nuages	40,1
Emission par la surface	29,9
Total	239,9

 

On remarque que le bilan n'est pas à l'équilibre : pour 240,5 W/m² entrant, il n'y a que 239,9 W/m² sortant, ce qui implique une différence de 0,6 W/m² en 2009 ⇒ le bilan énergétique de la Terre n'est donc pas à l'équilibre ! 

Quelles sont les conséquences du déséquilibre du bilan radiatif terrestre ?

La différence de 0,6 W/m² de ce bilan radiatif implique implique que cet excès est la valeur nette d'énergie absorbée par la Terre. Cette valeur, calculée par Loeb et al. en 2009, a évolué au cours de la décennie écoulée.

Cela signifie que la Terre se réchauffe. Et que ce réchauffement s'accélère. 

Ce que nous dit la science en 2024

Loeb et al. a publié en 2024 un article sur les changements dans la balance énergétique de la Terre sur la période 2000-2022 (pour trouver et utiliser cet article : Loeb, N. G., Ham, S. H., Allan, R. P., Thorsen, T. J., Meyssignac, B., Kato, S., ... & Lyman, J. M. (2024). Observational assessment of changes in Earth’s energy imbalance since 2000. Surveys in Geophysics, 45(6), 1757-1783.) :

Les satellites du programme CERES (Clouds and the Earth’s Radiant Energy System) montrent que le déséquilibre énergétique de la Terre a preque doublé en vingt ans.

Autrement dit, la planète emmagasine aujourd’hui environ 1 ± 0,2 W/m² d’énergie supplémentaire, contre 0,5 ± 0,2  W/m² au début des années 2000.

Cette évolution s’explique principalement par une augmentation du rayonnement solaire absorbé par la Terre. Une partie de cette énergie supplémentaire est bien réémise vers l’espace sous forme d’infrarouge, mais cela ne compense pas totalement l’apport initial : le bilan reste excédentaire.  

Les mesures au sommet de l’atmosphère confirment ainsi une accélération du réchauffement climatique.

Pourquoi la Terre absorbe-t-elle davantage d’énergie ?

Les données indiquent une diminution de certains types de nuages, notamment les stratocumulus et les nuages moyens dans les régions subtropicales, ainsi que les nuages bas et moyens aux moyennes latitudes. Or ces nuages réfléchissent habituellement une partie du rayonnement solaire vers l’espace. Moins de nuages signifie donc moins de réflexion et plus d’énergie absorbée.

Ces changements sont particulièrement marqués au-dessus du Pacifique Est et Nord, où les températures de surface de la mer ont fortement augmenté. Dans ces régions, la réduction de la couverture nuageuse et l’élévation des températures océaniques favorisent aussi une augmentation du rayonnement infrarouge émis vers l’espace, ce qui compense partiellement — mais pas totalement — l’énergie solaire supplémentaire absorbée.

Dans l’hémisphère Sud, l’augmentation de l’énergie absorbée s’explique surtout par une diminution de la réflexion des nuages moyens, tandis que les variations du rayonnement infrarouge sortant y restent faibles.

Ces observations suggèrent que les changements de couverture nuageuse liés au réchauffement des océans pourraient constituer une rétroaction climatique. Néanmoins, il reste difficile de distinguer précisément ce qui relève d’un forçage externe (comme l’augmentation des gaz à effet de serre) ou de la variabilité naturelle interne du climat.