Le bilan thermique terrestre, ce que vous devez savoir

Le bilan thermique terrestre est le résultat de transferts d’énergie entre la Terre et l’espace. Notre planète est habitable car son bilan énergétique permet de maintenir la température de sa surface relativement stable. En fait, la température de la Terre est un exercice d’équilibre entre l’énergie rayonnante qu’elle reçoit du Soleil et plusieurs mécanismes qui transfèrent la chaleur entre la surface, l’atmosphère et l’espace. Dans cet article nous allons voir de quoi il s’agit et analyser ses composants en détail, car cela est indispensable pour comprendre quels facteurs peuvent influencer la température et donc le climat de la planète.

Chaque seconde la Terre reçoit des quantités énormes d’énergie sous forme de rayons solaires, alors comment se fait-il qu’elle ne devient pas constamment plus chaude ?

Pensez à la dernière fois que vous étiez très près de quelqu’un. Vous pouviez ressentir leur chaleur, n’est-ce pas ? Cela parce que tous les corps émettent de l’énergie sous forme de radiation. Plus la température d’un corps est haute, plus il émet de l’énergie. Dans notre système solaire le corps le plus chaud est le Soleil. C’est le Soleil qui produit la quasi-totalité de l’énergie que nous recevons sur la Terre, sous forme de rayons solaires. Mais la Terre aussi, en tant que corps avec une certaine température, émet de l’énergie dans l’espace, sous forme de rayonnement infrarouge et c’est cela qui permet à la Terre de « réguler » sa température.

Comprendre le bilan thermique terrestre – tous les corps tendent vers l’équilibre thermique

Pour comprendre la relation entre l’énergie reçue par un corps et sa température imaginons une pierre illuminée par le soleil. Or, lorsque des rayons d’énergie, tels que les rayons solaires, frappent une surface une partie de l’énergie qu’ils transportent sera absorbée et transformée en énergie thermique (une autre partie sera réfléchie et va donc repartir dans l’espace). Notre pierre absorbe donc l’énergie radiative qu’elle reçoit du soleil et la transforme en chaleur. Ceci fera augmenter sa température. En même temps, plus la température de la pierre augmente, plus elle émet de l’énergie à son tour.

Ainsi, même si notre pierre continue de recevoir de l’énergie, il devient de plus en plus difficile d’augmenter sa température car en même temps elle émet de la chaleur et perd de plus en plus d’énergie au bénéfice de l’environnement. Après un certain temps, un équilibre énergétique s’établit : la pierre émet tout autant d’énergie qu’elle en reçoit et sa température cesse de croitre et reste stable.

De même, la température de tout objet qui a atteint l’équilibre thermique reste la même tant qu’il n’y a pas un changement dans l’apport en énergie. Si l’apport en énergie augmente, la température de l’objet augmentera aussi, jusqu’à ce qu’un nouvel équilibre thermique soit établi. Au contraire, si l’apport en énergie diminue, la température baissera jusqu’à atteindre un nouvel équilibre énergétique.

Globalement, notre planète se trouve aussi en équilibre thermique. Cela signifie qu’elle reçoit tout autant d’énergie du soleil qu’elle en dégage dans l’espace. Puisque la quantité d’énergie que nous recevons du soleil varie très peu dans le temps, à priori, notre planète devrait garder une température stable.

On peut dès lors se poser la question : si le bilan radiatif terrestre est à l’équilibre, pourquoi la température est-elle en train d’augmenter ? d’où vient le problème du réchauffement climatique ?

Pour comprendre le problème, il faut distinguer entre l’énergie qui arrive au sommet de l’atmosphère et celle qui arrive à la surface de la planète et considérer les échanges d’énergie entre la surface et l’atmosphère.

Combien d’énergie arrive à la surface de la Terre ?

Les scientifiques quantifient le flux d’énergie qui arrive au sommet de l’atmosphère à 340 watts par mètre carré. Cela signifie que chaque mètre carré reçoit en moyenne 340 joules, ou 80 calories d’énergie toutes les secondes. Puisque, comme on vient de voir, la planète est en équilibre thermique cela signifie qu’à son tour, au sommet de l’atmosphère, la planète émet vers l’espace 340 watts par mètre carré. Mais puisque nous ne vivons pas au sommet de l’atmosphère, il nous faut analyser combien de cette énergie arrive et quitte la surface de la Terre.

En effet 340 watts ne correspondent pas à l’énergie qui peut effectivement être absorbée et transformée en chaleur par la surface terrestre. Une partie des rayons solaires est réfléchie directement par l’atmosphère et repart aussitôt vers l’espace sans jamais être transformée en chaleur. Une autre partie des rayons est interceptée et absorbée par l’atmosphère. Par conséquent, il y a seulement une partie de l’énergie solaire qui parvient à traverser l’atmosphère et arrive jusqu’à la surface. Toutefois, cela ne correspond pas encore à l’énergie absorbée par la surface terrestre, car la surface aussi réfléchit une partie des rayons.

L’albédo ou le pouvoir réfléchissant

L’albédo de la Terre nous donne la proportion entre l’énergie réfléchie et l’énergie solaire reçue par la planète. L’albédo d’un corps ou d’une surface dépend de sa composition et se manifeste par sa couleur. Notamment, une surface est blanche si elle réfléchit la plupart de la lumière. Plus elle absorbe, plus elle sera foncée.

Vu sa composition très hétérogène, la surface de la Terre a un pouvoir réfléchissant très varié. Par exemple, les surfaces recouvertes de neige et de glace sont beaucoup plus réfléchissantes que les forêts et les océans. Les zones urbaines, au contraire sont habituellement des zones avec un bas pouvoir réfléchissant et qui ont donc plutôt la tendance à absorber les rayons et les transformer en chaleur. Dans l’atmosphère aussi, l’albédo peut varier significativement en fonction de la couverture nuageuse. Certains types de nuages, généralement celles qui se trouvent à des basses altitudes, ont un pouvoir réfléchissant très élevé. Actuellement, en moyenne, l’albédo de notre planète est aux alentours de 30%. Cela signifie que seulement 70% de l’énergie solaire qui arrive au sommet de l’atmosphère est absorbée et transformée en chaleur.

Ainsi, en moyenne, des 340 watts par mètre carré qui arrivent, environ 76 watts sont réfléchis par l’atmosphère et 24 watts sont réfléchis par la surface. De plus 78 watts sont absorbés dans l’atmosphère avant d’atteindre la surface. Pour finir, moins de la moitié du flux, c’est-à-dire 161 watts sont absorbés par la surface.

Les échanges d’énergie à la surface de la terre

Examinons maintenant ce qui se passe avec l’énergie émise par la Terre vers l’espace. À présent, la surface de la Terre a une température moyenne de15° Celsius. Cela signifie qu’en moyenne, la surface de la Terre émet vers l’atmosphère 398 watts par mètre carré. Au contraire de l’énergie solaire qui arrive sur la Terre principalement sous forme de rayons visibles , l’énergie radiative de la Terre prend la forme de rayonnement infrarouge. Cela est dû au fait que la température de la Terre est beaucoup plus basse que celle du Soleil.

Le rôle des gaz à effet de serre

L’atmosphère, et plus précisément les gaz à effet de serre présents dans l’atmosphère, sont beaucoup plus efficaces à absorber les rayons infrarouges que les rayons solaires. Ainsi, de toute l’énergie émise par la surface de la Terre, seulement 40 watts parviennent à traverser l’atmosphère et s’échapper directement. Tout le reste est absorbé par les molécules de gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Cela fait augmenter significativement la température des gaz qui forment l’atmosphère.

Les molécules de gaz vont émettre à leur tour davantage de radiations. Puisque les molécules de gaz émettent dans toutes les directions, la radiation émise est soit renvoyée vers la surface, soit absorbée et transférée par des molécules de gaz qui se trouvent plus en altitude. Ce processus se répète jusqu’à une hauteur de cinq ou six kilomètres. Passé cette altitude, la concentration de gaz devient plus faible et la radiation peut finalement s’échapper vers l’espace.

À présent, le résultat est qu’environ 200 watts repartent dans l’espace, tandis que 342 sont redirigés vers la surface terrestre. Cette valeur dépend fortement de la concentration de gaz à effet de serre. Plus cette concentration est importante plus d’énergie est interceptée et réémise vers la surface.

Nous voyons alors que même si la quantité d’énergie solaire reçue au sommet de l’atmosphère reste stable, la quantité d’énergie reçue par la surface de la Terre, et donc sa température d’équilibre, dépend de facteurs qui peuvent varier. Ces facteurs sont par exemple, la concentration de gaz à effet de serre dans l’atmosphère, ou l’albédo qui change lorsque des surfaces couvertes de glace disparaissent.

Quel est le rapport entre le bilan thermique terrestre et le climat (ou la météo) ?

Jusqu’à présent nous avons abordé le sujet d’échanges de chaleur qui se font grâce à des radiations (rayons de lumière dans le cas du soleil et rayons infrarouges dans le cas de la surface Terre et de l’atmosphère). Or, si nous analysons les flux entre la surface de la Terre et l’atmosphère nous remarquerons que la surface reçoit environ 100 watts par mètre carré de plus que ce qu’elle émet. Afin d’obtenir le bilan énergétique à la surface, il faut donc un autre moyen que les rayons infrarouges pour libérer de l’énergie de la surface à l’atmosphère.

En réalité, il existe deux autres moyens pour transférer cet excès d’énergie. Le premier et l’évaporation de l’eau. Lorsque l’eau à la surface de la terre se transforme en vapeur et monte dans l’atmosphère, elle emporte avec elle de l’énergie sous forme de chaleur latente. Une fois que la vapeur condense et forme des nuages, cette chaleur, qui correspond à 80 watts par mètre carré, est libérée dans l’atmosphère.

Le second moyen permettant de transférer l’excès d’énergie (approximativement 20 watts) de la surface terrestre à l’atmosphère est la circulation atmosphérique (« les vents”). L’air, au contact avec la surface, se réchauffe. Lorsqu’il circule dans l’atmosphère, il emmène avec lui de la chaleur.

Ainsi, la cycle évaporation/précipitation et la circulation atmosphérique (intensité et direction des vents) deviennent aussi deux pièces du puzzle intrinsèquement liées au bilan énergétique de la Terre.