Le biLan énergétique terrestre aLbédo, effet de serre

1 Voie g n rale Enseignement - Minist re de l ducation nationale et de la Jeunesse - D cembre 20191 Retrouvez duscol surEnseignement scientifique2de1reTleInformer et accompagner les professionnels de l ducationcommunEnSEIGnEmEnTvoie g n raleLe biLan nerg tique terrestre aLb do, effet de serreCe document permet de pr senter de fa on synth tique le biLan radiatif terrestre en consid rant les rayonnements re us et mis par la Terre. Mots-cl sCorps noir, diffusion, absorption, loi de Planck, alb do, effet de serre , biLan radiatifR f rences au programmeTh me 2 Le soleil, notre source d Le biLan radiatif terrestreSavoirsLa proportion de la puissance totale, mise par le Soleil et atteignant la Terre, est d termin e par son rayon et sa distance au fraction de cette puissance, quantifi e par l alb do terrestre moyen, est diffus e par la Terre vers l espace, le reste est absorb par l atmosph re, les continents et les oc sol met un rayonnement lectromagn tique dans le domaine infra-rouge (longueur d onde voisine de 10 m)

2 Dont la puissance par unit de surface augmente avec la temp partie de cette puissance est absorb e par l atmosph re, qui elle-m me met un rayonnement infrarouge vers le sol et vers l espace ( effet de serre ).La puissance re ue par le sol en un lieu donn est gale la somme de la puissance re ue du Soleil et de celle re ue de l atmosph re. Ces deux derni res sont du m me ordre de alb do terrestre tant donn , d terminer la puissance totale re ue par le sol de la part du senter sur un sch ma les diff rents rayonnements re us et mis par le qualitativement l influence des diff rents facteurs (alb do, effet de serre ) sur la temp rature terrestre g n rale Enseignement - Minist re de l ducation nationale et de la Jeunesse - D cembre 20192 Retrouvez duscol surIntroductionLa ressource s appuie sur un cours propos sur le site planet-terre de l ENS de Lyon :1.

3 Le rayonnement thermique et la loi du corps noir ; 2. Interactions du rayonnement solaire avec l atmosph re effet de serre ;3. Le biLan radiatif de la premi re partie de cette ressource pr sente les caract ristiques du rayonnement thermique et le mod le du corps noir ; les lois de Planck, Stefan et Wien, n tant pas au programme, elles sont cit es sans d deuxi me partie pr sente les diff rentes interactions entre le rayonnement solaire et l atmosph re avec une d finition de l alb do et de l effet de la derni re partie est consacr e au biLan radiatif sous forme d un sch ma r capitulatif avec les valeurs num riques mises en jeu et des pr sentation th orique du biLan radiatif est disponible dans la rubrique pour aller plus loin.

4 Contenus scientifiquesLe rayonnement thermique et la loi du corps noirTout corps mat riel port une temp rature absolue non nulle met un rayonnement lectromagn caract ristiques de ce rayonnement sont bien connues dans le cas du mod le des corps noirs, qui par d finition absorbent int gralement tout rayonnement lectromagn tique auquel ils sont expos s. Les caract ristiques du rayonnement d un corps noir sont enti rement d termin es par sa temp loi de Planck donne la r partition de la puissance radiative mise par unit de surface et par unit de longueur d onde par un corps noir une temp rature T en fonction de la longueur d onde. Elle est repr sent e graphiquement sur la figure ci-dessous repr sentant la puissance surfacique mise dans un intervalle spectral de largeur unit en longueur d onde, en fonction de la longueur d onde.

5 On obtient des profils spectraux diff rents selon la temp rature du corps g n rale Enseignement - Minist re de l ducation nationale et de la Jeunesse - D cembre 20193 Retrouvez duscol surFigure 1 : courbe repr sentant la puissance surfacique spectrale mise par un corps noir en fonction de la longueur d ondeDu point de vue du rayonnement mis, le Soleil peut tre assimil un corps noir de temp rature voisine de 6000 K et la surface terrestre un corps noir de temp rature voisine de 300 cette loi de Planck d coule deux lois importantes :La loi de Wien max T = 2, T est la temp rature absolue et max est la longueur d onde correspondant au maximum de puissance surfacique spectrale d montre que la puissance surfacique spectrale mise par un corps noir pr sente un maximum au voisinage d une longueur d onde inversement proportionnelle la temp rature du corps.

6 C est dans une bande spectrale voisine de max que l essentiel de l nergie est rayonn .ApplicationGraphiquement l aide de la figure 1 ou en calculant gr ce la loi de Wien, on peut trouver que pour T = 6 000 K, le maximum d mission du Soleil est dans le domaine du visible, 0,5 m environ. Pour T = 300 K, le maximum d mission de la Terre est dans le domaine de l infra-rouge, 9 m g n rale Enseignement - Minist re de l ducation nationale et de la Jeunesse - D cembre 20194 Retrouvez duscol surLa loi de StefanCette loi donne la puissance surfacique (ou flux) totale mise (en tenant compte de toutes les longueurs d ondes) et s exprime :Puissance surfacique mise = x T4avec = 5,67 10-8 montre que le flux mis par un corps noir est proportionnel sa temp rature lev e la puissance : cette loi ne figure pas au programme de l enseignement scientifique.

7 La seule connaissance exigible des l ves est que la puissance surfacique mise est une fonction croissante de la temp du rayonnement solaire avec l atmosph re et la Terre - l alb doLe rayonnement solaire interagit avec la Terre et l atmosph re (y compris les nuages) selon diff rents processus :Absorption par l atmosph reL nergie du rayonnement est alors fournie l atmosph re. Dans le domaine spectral du rayonnement solaire (essentiellement le domaine visible), cette absorption est mod r e (environ 20 % de la puissance est absorb e).Diffusion par l atmosph reLe rayonnement solaire excite les mol cules et particules de l atmosph re qui r mettent un rayonnement de m me longueur d onde dans toutes les directions.

8 Cette diffusion se traduit par une diminution de la puissance transport e par le rayonnement par la TerreToute la puissance solaire incidente sur la Terre (sols et oc ans) y est absorb e. R flexion par l atmosph reUne partie de la puissance solaire incidente est r fl chie par l interface entre l espace et l atmosph re ainsi que par les nuages. R flexion par la TerreUne partie de la puissance solaire qui arrive sur la Terre est r fl chie vers l espace. Cette r flexion est particuli rement marqu e sur les zones enneig es ou glac es (glaciers, banquises, calotte ).Alb doOn appelle alb do terrestre le rapport entre les puissances r fl chies ou diffus es par l atmosph re et la surface terrestre et la puissance solaire incidente.

9 L alb do terrestre est voisin de 30 % (dont 4 % seulement sont imputables aux r flexions la surface terrestre ) : 70 % de la puissance solaire incidente est absorb e par l atmosph re et la Terre, le reste repart vers l g n rale Enseignement - Minist re de l ducation nationale et de la Jeunesse - D cembre 20195 Retrouvez duscol surLe rayonnement thermique de la Terre et de l atmosph reLa TerreLa Terre met un rayonnement thermique dont les caract ristiques spectrales sont assez bien d crites par le mod le de corps noir. La temp rature de la surface tant voisine de 300 K, la longueur d onde du maximum d mission se trouve au voisinage de 10 atmosph re l effet de serreDans le domaine infrarouge, l atmosph re absorbe le rayonnement lectromagn tique de fa on tr s efficace.

10 Cela est d la pr sence dans l atmosph re de gaz effet de serre , qui absorbent le rayonnement infra-rouge. Il s agit principalement du dioxyde de carbone (CO2), de la vapeur d eau (H2O), du m thane (CH4), des chlorofluorocarbones (CFC) et de l oxyde nitreux (N2O).Une grande partie du rayonnement thermique mis par le Terre est donc absorb par l atmosph re, qui, elle-m me, met un rayonnement thermique. Ce rayonnement est mis dans toutes les directions : une partie s chappe vers l espace et le reste est envoy vers la Terre. la surface terrestre , ce flux descendant s ajoute au flux solaire situation d quilibre dynamique o la puissance mise par le sol est gale celle qu il re oit, la surface terrestre doit mettre une puissance radiative plus lev e pour compenser le surplus associ au rayonnement envoy par l atmosph re.