Bilan radiatif terrestre, albédo et effet de serre

Ce que tu vas savoir faire

Calculer la proportion de la puissance solaire interceptée par la Terre à partir des aires pertinentes.
Définir l’albédo comme un rapport et calculer les puissances réfléchie et absorbée.
Distinguer rayonnement solaire et rayonnement thermique terrestre par leurs domaines spectraux.
Commenter une courbe d’absorption atmosphérique en fonction de la longueur d’onde.
Représenter les rayonnements reçus et émis par la surface et l’atmosphère.
Expliquer l’effet de serre naturel sans présenter l’atmosphère comme un couvercle.
Distinguer bilan radiatif et bilan énergétique complet.
Relier équilibre dynamique, flux net et évolution de la température moyenne.

Avant de commencer

Connaître puissance, énergie, aire d’un disque et aire d’une sphère.
Savoir calculer une proportion et un pourcentage.
Savoir lire des axes et des intervalles sur une courbe.
Distinguer lumière visible et infrarouge.

Le chapitre en bref

La Terre n’intercepte qu’une petite fraction de la puissance totale du Soleil : sa section apparente capte le rayonnement réparti sur une sphère centrée sur le Soleil. Une partie de cette puissance est renvoyée vers l’espace ; son rapport à la puissance incidente définit l’albédo. Le reste est absorbé par l’atmosphère, les continents et les océans. La surface terrestre, bien plus froide que le Soleil, émet surtout dans l’infrarouge. Des constituants de l’atmosphère absorbent une partie de cet infrarouge et en réémettent vers l’espace et vers la surface : c’est l’effet de serre naturel. À l’équilibre dynamique, la puissance moyenne reçue par un système égale celle qu’il cède et sa température moyenne reste stable. Un déséquilibre positif signifie que le système accumule de l’énergie jusqu’à ce que ses flux évoluent.

1. Quelle fraction de la puissance du Soleil atteint la Terre ?

À la distance $d$ de la Terre, la puissance solaire est répartie dans le modèle sur une sphère d’aire ${4πd}^{2}$ . Vue du Soleil, la Terre intercepte cette puissance par un disque de rayon $R_{T}$ et d’aire $π R_{T}^{2}$ , pas par toute sa surface sphérique.

La proportion interceptée vaut donc $f = \frac{π R_{T}^{2}}{{4πd}^{2}} = \frac{R_{T}^{2}}{{4d}^{2}}$ . Avec $R_{T} = 6,37 × 10^{6} m$ et $d = 1,50 × 10^{11} m$ , on trouve environ $4,5 × 10^{−10}$ . La puissance reçue au sommet de l’atmosphère est $P_{interceptée} = f × P_{Soleil}$ .

Quelle aire joue quel rôle ?

Soleilpuissance totaleP_Soleil

→

sphère à la distance daire 4πd²répartition

→disque terrestreaire πR_T²interception $f = \frac{π R_{T}^{2}}{{4πd}^{2}} = \frac{R_{T}^{2}}{{4d}^{2}}$

Sphère de rayon d centrée sur le SoleilPuissance répartie dans toutes les directionsAire 4πd²

Cette aire décrit la répartition à la distance terrestre.

2. Comment l’albédo partage-t-il la puissance incidente ?

L’albédo moyen α est le rapport entre la puissance solaire renvoyée vers l’espace par réflexion ou diffusion et la puissance solaire incidente : $α = \frac{P_{réfléchie}}{P_{incidente}}$ . Il est sans unité et peut s’écrire sous forme décimale ou en pourcentage.

La fraction absorbée par le système Terre vaut $1 − α$ . Pour un albédo moyen voisin de $0,30$ , environ 30 % du rayonnement incident repart et 70 % est absorbé par l’atmosphère, les continents et les océans. Un albédo local élevé ne signifie pas que toute la planète possède cette valeur.

Comment se partage le flux incident ?

100 % incident

≈ 30 %réfléchi ou diffusé≈ 70 %absorbé

P_{réfléchie} = α P_{incidente}

P_{absorbée} = (1 − α) P_{incidente}

α + (1 − α) = 1

Rapport réfléchi sur incidentNombre sans unité entre 0 et 1Albédo α

Ne pas confondre albédo local et moyenne planétaire.

3. Pourquoi la Terre n’émet-elle pas le même rayonnement que le Soleil ?

La surface solaire, autour de plusieurs milliers de kelvins, émet principalement dans des longueurs d’onde bien plus courtes que la surface terrestre, proche de 300 K. Le rayonnement solaire reçu est surtout situé dans le visible et les domaines voisins ; le rayonnement thermique terrestre possède un maximum voisin de $10 μm$ , dans l’infrarouge.

Les mots reçu et émis ne suffisent donc pas : il faut aussi préciser la source, la direction et le domaine spectral. L’atmosphère n’interagit pas de la même manière avec toutes les longueurs d’onde, ce qui relie spectres et transferts d’énergie.

Quel passeport spectral décris-tu ?

Soleil≈ 5 800 Kmaximum ≈ 0,5 µmvisible et domaines voisins

→ Terre

Surface terrestre≈ 300 Kmaximum ≈ 10 µminfrarouge thermique

source · direction · longueur d’onde · interaction

Source proche de 5 800 KMaximum vers le visibleRayonnement solaire de courtes longueurs d’onde

Il comprend aussi de l’UV et de l’infrarouge proche.

4. Comment lire l’opacité de l’atmosphère sans inventer une moyenne ?

Une courbe d’absorption ou d’opacité indique, pour chaque longueur d’onde, la fraction du rayonnement arrêtée par l’atmosphère. Une opacité de 100 % dans une bande signifie que le rayonnement de cette bande ne traverse pas l’ensemble de l’atmosphère ; une fenêtre atmosphérique est une bande relativement transmissive.

La courbe n’est pas uniforme : l’atmosphère laisse passer une part importante du visible mais absorbe de nombreuses bandes infrarouges. Pour commenter correctement, nomme l’intervalle de longueurs d’onde, lis une tendance ou une valeur, puis relie-la au rayonnement solaire ou terrestre concerné.

Que peux-tu conclure de la bande choisie ?

délimiter une bande → lire l’opacité → identifier le rayonnement → conclure

Opacité souvent faible dans une large partie du visibleUne fraction importante atteint la surfaceFenêtre de transmission solaire

La courbe réelle comporte aussi diffusion et bandes d’absorption.

5. Comment l’atmosphère réchauffe-t-elle la surface sans créer d’énergie ?

La surface absorbe une partie du rayonnement solaire puis émet un rayonnement infrarouge. Des gaz atmosphériques et les nuages en absorbent une partie. L’atmosphère chauffée émet alors elle aussi de l’infrarouge dans toutes les directions : vers l’espace et vers la surface.

Le flux infrarouge descendant s’ajoute au rayonnement solaire absorbé par la surface. Pour retrouver un équilibre, une surface plus chaude émet davantage. L’effet de serre naturel est donc un échange radiatif mesurable, pas une création d’énergie ni un simple blocage définitif de la chaleur.

Quel trajet suit le rayonnement ?

l’atmosphère absorbe certaines bandes IR puis réémet dans plusieurs directions

Rayonnement solaire entrantUne partie traverse puis est absorbéeÉchauffement de la surface

Le reste peut être réfléchi ou absorbé par l’atmosphère.

6. Quel système faut-il isoler pour ne pas mélanger les bilans ?

Un bilan dépend de la frontière choisie : surface seule, atmosphère seule ou ensemble Terre-atmosphère. À la surface, la puissance radiative reçue provient du Soleil et de l’atmosphère ; ces deux contributions sont du même ordre de grandeur. La surface cède de l’énergie par rayonnement, mais aussi par convection et évaporation.

Le bilan radiatif ne compte que les transferts par rayonnement. Le bilan énergétique complet ajoute les transferts non radiatifs. Avant d’additionner des nombres, inscris pour chaque flux sa nature, sa direction, le système qui le reçoit et son unité, généralement $W· m^{−2}$ pour une puissance surfacique.

Quelle frontière choisis-tu ?

Surfacesolaire + IR atmosphériqueIR + convection + évaporation

Atmosphèresolaire + IR du sol + transferts non radiatifsIR vers haut + bas

Terre + atmosphèresolaire absorbéIR vers l’espace

un flux interne disparaît du bilan de l’ensemble, pas des sous-systèmes

Entrées : solaire absorbé + IR atmosphérique descendantSorties : IR émis + convection + évaporationSystème surface

Le classement dépend de la frontière tracée.

7. Pourquoi parle-t-on d’équilibre dynamique ?

À l’équilibre dynamique, les transferts continuent : la surface reçoit et émet sans cesse. Ce qui est nul en moyenne est le bilan net, $B = P_{reçue} − P_{cédée}$ . Si $B = 0$ , l’énergie stockée et la température moyenne restent stables dans le modèle.

Si $B > 0$ , le système accumule de l’énergie ; si $B < 0$ , il en perd. Cette situation modifie notamment sa température, donc les puissances émises, jusqu’à un éventuel nouvel équilibre. Équilibre ne signifie ni immobilité des flux ni égalité instantanée en tout lieu.

Que révèle le signe du bilan ?

$B = P_{reçue} − P_{cédée}$

P reçue> P cédéeénergie stockée augmente

P reçue= P cédéeéquilibre dynamique

P reçue< P cédéeénergie stockée diminue

même système · même durée · mêmes unités

Puissances moyennes égalesStock d’énergie moyen stableTempérature moyenne stable dans le modèle

Les flux restent actifs : l’équilibre est dynamique.

8. Comment prévoir l’effet d’une variation d’albédo ou d’effet de serre ?

À puissance incidente fixée, une hausse de l’albédo renvoie d’abord davantage de rayonnement solaire et réduit la puissance absorbée : l’effet direct tend vers un refroidissement. Une baisse de l’albédo produit l’effet direct inverse. La fonte d’une surface claire peut ainsi amplifier localement une absorption initiale.

Un renforcement de l’absorption infrarouge atmosphérique réduit d’abord la part du rayonnement thermique qui s’échappe directement et augmente le flux descendant : l’effet direct tend vers un réchauffement. Ces raisonnements qualitatifs isolent un paramètre ; le climat réel comporte des rétroactions et des redistributions étudiées plus en détail en Terminale.

Quel est l’effet direct attendu ?

albédo ↑réflexion ↑absorption solaire ↓

albédo ↓réflexion ↓absorption solaire ↑

absorption IR ↑échappement direct ↓IR descendant ↑

paramètre → flux touché → sens direct → rétroactions annoncées

Part réfléchie augmentePart solaire absorbée diminueTendance directe au refroidissement

La réponse finale dépend aussi des rétroactions et redistributions.

Erreurs fréquentes

L'essentiel à mémoriser

Géométrie posée.
Albédo calculé.
Spectres distingués.
Opacité lue.
Effet de serre tracé.
Système isolé.
Équilibre compris.
Effets qualifiés.

Vérifier sa compréhension

Réponds aux 8 questions. Ton score et les réponses justes ou fausses apparaissent immédiatement.

1. Quelles aires faut-il comparer pour obtenir la proportion de puissance solaire interceptée par la Terre ? Le disque πR² de la Terre et la sphère 4πd² centrée sur le Soleil Deux fois l’aire totale de la Terre Uniquement l’aire d’un continent

2. Avec un albédo de 0,30, quelle fraction de la puissance incidente est absorbée dans le partage simplifié ? 0,70, soit 70 % 1,30, soit 130 % 0,03, soit 3 %

3. Dans quel domaine se situe le maximum du rayonnement thermique terrestre ? Dans l’infrarouge, vers 10 µm Uniquement dans l’ultraviolet À la même longueur d’onde que le maximum solaire

4. Que signifie une fenêtre atmosphérique ? Une bande spectrale où une fraction notable du rayonnement traverse l’atmosphère Une ouverture matérielle dans les nuages Une longueur d’onde toujours absorbée à 100 %

5. Quelle description de l’effet de serre naturel est correcte ? L’atmosphère absorbe une partie de l’infrarouge et en réémet vers l’espace et la surface L’atmosphère crée spontanément de l’énergie Tous les rayonnements restent définitivement bloqués

6. Pourquoi doit-on annoncer la frontière d’un système avant un bilan ? Un même flux peut être une sortie d’un système et une entrée d’un autre La frontière change l’unité du watt Elle supprime tous les transferts non radiatifs

7. Que se passe-t-il dans un équilibre dynamique ? Les flux continuent mais la puissance moyenne reçue égale la puissance moyenne cédée Tous les rayonnements s’arrêtent La température doit être nulle

8. Quel est l’effet direct d’une hausse de l’albédo, à puissance incidente fixée ? Davantage de solaire est renvoyé et moins est absorbé Toute l’émission infrarouge disparaît La puissance du Soleil augmente

Réviser au bon moment

Révèle chaque réponse, puis indique la difficulté de ton rappel pour programmer la prochaine révision dans ce navigateur.