Le bilan radiatif terrestre

Le système climatique est un ensemble complexe d'éléments interconnectés qui interagissent pour déterminer le climat de la Terre. Il ne s'agit pas seulement de l'atmosphère, mais de bien plus !

Key Concepts:

• Composantes du système Terre : Le système climatique est composé de cinq éléments majeurs, appelés "sphères" :
  • Atmosphère : La couche de gaz qui entoure la Terre (air). C'est là que se produisent les phénomènes météorologiques.
  • Hydrosphère : L'ensemble de l'eau sur Terre, sous toutes ses formes (océans, mers, lacs, rivières, glaciers, neige, vapeur d'eau).
  • Cryosphère : La partie du système terrestre recouverte de glace ou de neige (calottes glaciaires, glaciers, banquise, pergélisol).
  • Lithosphère/Géosphère : La partie solide de la Terre, incluant la croûte terrestre et le manteau supérieur (roches, sols, volcans).
  • Biosphère : L'ensemble des êtres vivants (plantes, animaux, micro-organismes). Ces composantes sont en constante interaction, échangeant de l'énergie et de la matière.
• Interactions et rétroactions : Les différentes composantes du système climatique ne sont pas isolées ; elles interagissent en permanence. Par exemple, l'océan absorbe du $\text{CO}_2$ de l'atmosphère, et la végétation modifie l'humidité de l'air.
  • Une interaction est une influence d'une composante sur une autre.
  • Une rétroaction est un mécanisme où l'effet d'un changement sur une composante influence à son tour la cause initiale. Par exemple, la fonte des glaces (cryosphère) réduit l'albédo (pouvoir réfléchissant) de la Terre, ce qui entraîne une plus grande absorption d'énergie solaire et donc un réchauffement supplémentaire, qui à son tour accélère la fonte. C'est une rétroaction positive.
• Échelle de temps et d'espace : Le climat est caractérisé par des phénomènes qui se manifestent sur des échelles de temps très variées (de quelques années à des millions d'années) et des échelles d'espace (locales, régionales, globales). La météorologie décrit le temps qu'il fait à court terme et localement, tandis que le climat est une moyenne des conditions météorologiques sur une longue période (généralement 30 ans) et sur de plus grandes zones.

Le rayonnement électromagnétique est le principal moyen par lequel l'énergie est transportée dans l'espace, notamment du Soleil vers la Terre. C'est une forme d'énergie qui se propage sous forme d'ondes.

Key Concepts:

• Spectre électromagnétique : C'est l'ensemble de toutes les longueurs d'onde possibles du rayonnement électromagnétique. Il inclut, du plus énergétique au moins énergétique (ou de la plus courte à la plus longue longueur d'onde) : les rayons gamma, les rayons X, les ultraviolets (UV), la lumière visible, les infrarouges (IR), les micro-ondes et les ondes radio.
  • Le Soleil émet principalement dans la lumière visible et les UV, tandis que la Terre émet principalement dans l'infrarouge.
• Longueur d'onde ($\lambda$) et fréquence ($\nu$) :
  • La longueur d'onde ($\lambda$) est la distance entre deux crêtes successives d'une onde. Elle est généralement exprimée en mètres (m) ou en nanomètres (nm) pour la lumière.
  • La fréquence ($\nu$) est le nombre d'oscillations de l'onde par seconde. Elle est exprimée en Hertz (Hz).
  • Ces deux grandeurs sont liées par la vitesse de la lumière ($c$) : $c = \lambda \times \nu$.
  • La vitesse de la lumière dans le vide est une constante : $c \approx 3 \times 10^8 \text{ m/s}$.
  • Plus la longueur d'onde est courte, plus la fréquence est élevée, et vice-versa.
• Énergie des photons : Le rayonnement électromagnétique peut aussi être considéré comme un flux de particules appelées photons. L'énergie d'un photon ($E$) est directement proportionnelle à sa fréquence (et inversement proportionnelle à sa longueur d'onde) : $E = h \times \nu = h \times \frac{c}{\lambda}$ où $h$ est la constante de Planck ($h \approx 6,626 \times 10^{-34} \text{ J} \cdot \text{s}$). Les photons de courte longueur d'onde (comme les UV) transportent plus d'énergie que ceux de longue longueur d'onde (comme les IR).

Pour comprendre comment les corps émettent et absorbent le rayonnement, on utilise des modèles simplifiés.

Key Concepts:

• Loi de Stefan-Boltzmann : Cette loi décrit la puissance totale rayonnée par un corps noir (un émetteur et absorbeur idéal de rayonnement) par unité de surface. $P = \sigma \times T^4$ où :
  • $P$ est la puissance émise par unité de surface (en $\text{W/m}^2$).
  • $\sigma$ est la constante de Stefan-Boltzmann ($\sigma \approx 5,67 \times 10^{-8} \text{ W} \cdot \text{m}^{-2} \cdot \text{K}^{-4}$).
  • $T$ est la température absolue du corps (en Kelvin, K).
  • Cette loi montre que la puissance rayonnée augmente très rapidement avec la température (à la puissance 4). Un corps deux fois plus chaud rayonne 16 fois plus d'énergie.
• Loi de Wien : Cette loi relie la température d'un corps noir à la longueur d'onde à laquelle il émet le maximum de son rayonnement ($\lambda_{\text{max}}$). $\lambda_{\text{max}} = \frac{b}{T}$ où :
  • $\lambda_{\text{max}}$ est la longueur d'onde du maximum d'émission (en mètres).
  • $b$ est la constante de Wien ($b \approx 2,898 \times 10^{-3} \text{ m} \cdot \text{K}$).
  • $T$ est la température absolue du corps (en Kelvin, K).
  • Plus un corps est chaud, plus la longueur d'onde de son rayonnement maximal est courte. C'est pourquoi le Soleil (très chaud) émet dans le visible/UV, et la Terre (plus froide) dans l'infrarouge.
• Corps noir : Un corps noir est un objet théorique qui absorbe tout le rayonnement électromagnétique qu'il reçoit, sans en réfléchir ni en transmettre. Il est également un émetteur parfait de rayonnement. Bien que la plupart des objets réels ne soient pas des corps noirs parfaits, ce modèle est très utile pour comprendre le comportement du rayonnement du Soleil et de la Terre.

Le Soleil est la principale source d'énergie de la Terre, indispensable à la vie et au fonctionnement du climat.

Key Concepts:

• Fusion nucléaire : L'énergie du Soleil provient de réactions de fusion nucléaire qui ont lieu dans son cœur. Des noyaux d'hydrogène fusionnent pour former des noyaux d'hélium, libérant une quantité colossale d'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique.
  • C'est le même processus que dans une bombe à hydrogène, mais contrôlé par la gravité du Soleil.
• Température de surface du Soleil : La température à la surface du Soleil (la photosphère) est d'environ 5 778 K (soit environ 5 505 °C). C'est cette température qui détermine le type de rayonnement émis, selon la loi de Wien.
• Puissance rayonnée : Le Soleil rayonne une puissance totale gigantesque, estimée à environ $3,8 \times 10^{26} \text{ W}$. Cette énergie se propage dans l'espace sous forme d'ondes électromagnétiques.

Seule une infime partie de l'énergie rayonnée par le Soleil atteint la Terre, mais cette quantité est cruciale.

Key Concepts:

• Constante solaire : La constante solaire est la puissance du rayonnement solaire reçue par unité de surface, sur une surface perpendiculaire aux rayons du Soleil, à la distance moyenne Terre-Soleil, en dehors de l'atmosphère terrestre.
  • Sa valeur moyenne est d'environ 1 361 $\text{W/m}^2$.
  • Elle n'est pas parfaitement constante mais varie légèrement en fonction de l'activité solaire.
• Facteurs d'influence (distance, inclinaison) :
  • Distance Terre-Soleil : La Terre décrit une orbite elliptique autour du Soleil. La distance varie au cours de l'année, ce qui entraîne de légères variations de la constante solaire (environ $\pm 3\%$).
  • Inclinaison de l'axe de rotation de la Terre : L'axe de rotation de la Terre est incliné d'environ 23,5° par rapport au plan de son orbite. Cette inclinaison est responsable des saisons. Quand un hémisphère est incliné vers le Soleil, il reçoit les rayons plus directement et sur une plus petite surface, ce qui augmente l'énergie par unité de surface et provoque l'été.
• Répartition de l'énergie sur la Terre :
  • L'énergie solaire n'est pas répartie uniformément à la surface de la Terre. Elle est plus intense à l'équateur (où les rayons arrivent presque perpendiculairement) et diminue vers les pôles (où les rayons arrivent de manière plus oblique et sont répartis sur une plus grande surface).
  • De plus, la rotation de la Terre fait que seule une moitié de la planète est éclairée à un instant donné. Pour calculer l'énergie moyenne reçue par la Terre, on doit diviser la constante solaire par 4 (car la surface d'une sphère est $4\pi R^2$ et la surface d'un disque est $\pi R^2$).
  • L'énergie solaire moyenne reçue par unité de surface de la Terre est donc d'environ $1361 \text{ W/m}^2 / 4 \approx <mark>340 \text{ W/m}^2</mark>$.

Une partie du rayonnement solaire qui atteint la Terre n'est pas absorbée mais directement réfléchie vers l'espace.

Key Concepts:

• Définition de l'albédo : L'albédo est la proportion de rayonnement solaire (lumière visible et UV) qu'une surface ou un corps réfléchit, par rapport à la quantité qu'il reçoit. C'est une valeur sans unité, comprise entre 0 (absorption totale, corps noir parfait) et 1 (réflexion totale).
  • Albédo = $\frac{\text{Rayonnement réfléchi}}{\text{Rayonnement incident}}$.
• Albédo des surfaces (glace, forêt, océan) : L'albédo varie considérablement selon la nature de la surface :
  • Neige fraîche / Glace : Albédo très élevé (0,8 à 0,9). Réfléchit une grande partie du rayonnement solaire.
  • Nuages : Albédo élevé (0,3 à 0,8), selon leur type et épaisseur.
  • Sables clairs / Déserts : Albédo moyen (0,3 à 0,4).
  • Forêts / Végétation : Albédo faible (0,1 à 0,2). Absorbent beaucoup de rayonnement.
  • Océans / Eaux sombres : Albédo très faible (0,05 à 0,1), surtout quand le Soleil est haut dans le ciel. Ils absorbent la quasi-totalité du rayonnement.
• Rôle de l'albédo dans le bilan énergétique : L'albédo moyen de la Terre est d'environ 0,3. Cela signifie qu'environ 30% du rayonnement solaire incident est réfléchi vers l'espace, et seuls 70% sont absorbés par le système Terre (atmosphère, océans, continents).
  • Un changement de l'albédo terrestre (par exemple, suite à la fonte des glaces ou la déforestation) aura un impact significatif sur la quantité d'énergie absorbée par la Terre et donc sur sa température. C'est un mécanisme de rétroaction climatique important.

La Terre n'est pas juste un récepteur d'énergie ; elle en émet également.

Key Concepts:

• Rayonnement infrarouge : Tout corps ayant une température supérieure au zéro absolu (-273,15 °C ou 0 K) émet du rayonnement électromagnétique. Puisque la Terre est beaucoup plus froide que le Soleil, elle émet un rayonnement de plus grande longueur d'onde, principalement dans le domaine de l'infrarouge thermique (IR).
  • Ce rayonnement est invisible à l'œil nu, mais nous pouvons le ressentir sous forme de chaleur.
• Température d'équilibre théorique : Si la Terre n'avait pas d'atmosphère et se comportait comme un corps noir parfait, elle absorberait le rayonnement solaire et réémettrait de l'IR pour maintenir son équilibre énergétique.
  • En utilisant la constante solaire absorbée (340 $\text{W/m}^2 \times (1-0,3) = 238 \text{ W/m}^2$) et la loi de Stefan-Boltzmann, on peut calculer une température d'équilibre théorique : $T = \left( \frac{238 \text{ W/m}^2}{\sigma} \right)^{1/4} \approx 255 \text{ K}$
  • Cela correspond à environ $-18^\circ\text{C}$.
• Comparaison avec la température réelle : La température moyenne observée à la surface de la Terre est d'environ $+15^\circ\text{C}$. Il y a donc une différence de $33^\circ\text{C}$ entre la température théorique et la température réelle. Cette différence s'explique par la présence de l'atmosphère et de l'effet de serre.

Certains gaz présents dans l'atmosphère jouent un rôle crucial dans le maintien de la température terrestre.

Key Concepts:

• Principaux gaz (H$_2$O, CO$_2$, CH$_4$) : Les gaz qui absorbent le rayonnement infrarouge émis par la Terre sont appelés gaz à effet de serre (GES). Les principaux sont :
  • Vapeur d'eau ($\text{H}_2\text{O}$) : Le GES naturel le plus abondant et le plus puissant.
  • Dioxyde de carbone ($\text{CO}_2$) : Naturellement présent, mais ses concentrations augmentent fortement à cause des activités humaines.
  • Méthane ($\text{CH}_4$) : Moins abondant que le $\text{CO}_2$, mais avec un pouvoir de réchauffement global (PRG) plus élevé sur 100 ans.
  • Protoxyde d'azote ($\text{N}_2\text{O}$) : Également un puissant GES.
  • Ozone ($\text{O}_3$) : Présent dans la stratosphère (protection UV) et dans la troposphère (polluant et GES).
  • Halocarbures (CFC, HFC) : Gaz synthétiques très puissants.
• Absorption du rayonnement infrarouge : Les molécules de GES ont une structure qui leur permet d'absorber une partie du rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre. Lorsqu'elles absorbent cette énergie, elles se mettent à vibrer, puis la réémettent dans toutes les directions, y compris vers la surface terrestre. C'est ce processus qui piège la chaleur.
• Origine naturelle et anthropique :
  • Origine naturelle : Volcanisme, décomposition organique, respiration des êtres vivants, évaporation des océans. Ces sources ont maintenu un équilibre naturel pendant des millions d'années.
  • Origine anthropique : Combustion des énergies fossiles (pétrole, charbon, gaz), déforestation, agriculture intensive, procédés industriels. Ces activités augmentent considérablement les concentrations de GES dans l'atmosphère, perturbant l'équilibre naturel.

L'effet de serre est un phénomène naturel essentiel, mais son amplification est problématique.

Key Concepts:

• Piégeage de la chaleur : Le mécanisme de l'effet de serre peut être résumé ainsi :
  1. Le Soleil émet un rayonnement majoritairement visible et UV, qui traverse l'atmosphère.
  2. Une partie est réfléchie (albédo), une autre est absorbée par la surface terrestre, qui se réchauffe.
  3. La Terre chaude réémet de l'énergie sous forme de rayonnement infrarouge.
  4. Les gaz à effet de serre dans l'atmosphère absorbent une grande partie de ce rayonnement infrarouge.
  5. Ces GES réémettent ensuite ce rayonnement IR dans toutes les directions, une partie vers l'espace, mais une autre partie significative retourne vers la surface terrestre, la réchauffant davantage.
• Rôle essentiel pour la vie : Sans l'effet de serre naturel, la température moyenne de la Terre serait de $-18^\circ\text{C}$, rendant la vie telle que nous la connaissons impossible sur la majeure partie de la planète. L'effet de serre naturel est donc un phénomène vital qui permet d'avoir de l'eau liquide et des températures clémentes.
• Amplification de l'effet de serre : L'augmentation des concentrations de GES d'origine anthropique intensifie le piégeage de la chaleur. Plus il y a de GES, plus le rayonnement infrarouge est absorbé et réémis vers la Terre, ce qui entraîne une augmentation de la température moyenne de surface. C'est cette amplification de l'effet de serre naturel qui est à l'origine du réchauffement climatique actuel.

L'équilibre entre l'énergie reçue et l'énergie émise détermine la température de la Terre.

Key Concepts:

• Rayonnement solaire absorbé : C'est la quantité d'énergie solaire qui est effectivement absorbée par le système Terre (surface et atmosphère) après déduction de l'albédo.
  • En moyenne, sur une surface de $1 \text{ m}^2$, la Terre reçoit $340 \text{ W/m}^2$ de rayonnement solaire. Avec un albédo de 0,3, elle en absorbe $340 \text{ W/m}^2 \times (1-0,3) = <mark>238 \text{ W/m}^2</mark>$.
• Rayonnement infrarouge émis : Pour maintenir son équilibre thermique, la Terre doit réémettre vers l'espace la même quantité d'énergie qu'elle absorbe. Cette énergie est principalement émise sous forme de rayonnement infrarouge thermique par la surface et l'atmosphère.
  • Grâce à l'effet de serre, la température de la surface est plus élevée, ce qui entraîne une émission d'IR importante. Cependant, une grande partie de cet IR est piégée par les GES avant de pouvoir s'échapper directement dans l'espace. L'émission nette vers l'espace se fait depuis une "altitude effective" où la température est d'environ $-18^\circ\text{C}$.
• Équilibre énergétique : Pour que la température moyenne de la Terre reste stable, il faut que l'énergie absorbée soit égale à l'énergie émise. C'est le principe du bilan radiatif à l'équilibre.
  • $\text{Énergie solaire absorbée} = \text{Rayonnement infrarouge émis vers l'espace}$.

Le bilan radiatif n'est pas statique, il est soumis à des variations.

Key Concepts:

• Stabilité de la température moyenne : Sur de longues périodes (milliers à millions d'années), la température moyenne de la Terre a été relativement stable, oscillant entre des périodes glaciaires et interglaciaires. Cela signifie que le bilan radiatif était globalement à l'équilibre.
  • Des mécanismes de rétroaction naturels ont contribué à cette stabilité.
• Variations naturelles (cycles solaires, volcanisme) :
  • Cycles solaires : L'activité du Soleil (nombre de taches solaires) varie sur des cycles d'environ 11 ans, entraînant de faibles variations de la constante solaire. Ces variations sont trop faibles pour expliquer le réchauffement actuel.
  • Volcanisme : Les éruptions volcaniques majeures peuvent injecter des aérosols (fines particules) dans la stratosphère. Ces aérosols réfléchissent une partie du rayonnement solaire, augmentant l'albédo et provoquant un léger refroidissement temporaire (quelques années). Elles émettent aussi des GES, mais leur impact sur le climat est plus complexe et moins significatif à long terme que les émissions anthropiques.
  • Cycles de Milankovitch : Variations lentes de l'orbite terrestre (excentricité, obliquité, précession) qui modifient la répartition saisonnière et latitudinale de l'énergie solaire reçue. Elles sont à l'origine des grandes ères glaciaires et interglaciaires sur des dizaines de milliers d'années.
• Perturbations anthropiques : Les activités humaines, en augmentant les concentrations de GES dans l'atmosphère, perturbent l'équilibre naturel du bilan radiatif. L'énergie absorbée par la Terre devient supérieure à l'énergie réémise vers l'espace, ce qui entraîne une accumulation de chaleur et un réchauffement global. C'est ce qu'on appelle un forçage radiatif positif.

Un déséquilibre, même faible, a des répercussions majeures.

Key Concepts:

• Réchauffement climatique : L'accumulation de chaleur due à l'excès de rayonnement absorbé par rapport au rayonnement émis se traduit par une augmentation de la température moyenne de la surface terrestre et des océans. C'est le réchauffement climatique.
  • Depuis l'ère préindustrielle, la température moyenne a déjà augmenté d'environ 1,2 °C.
• Changements des températures : Le réchauffement n'est pas uniforme. Certaines régions se réchauffent plus vite que d'autres (par exemple, l'Arctique). Il entraîne une augmentation de la fréquence et de l'intensité des vagues de chaleur.
• Impacts sur le système climatique : Le réchauffement climatique a des conséquences en cascade sur toutes les composantes du système climatique :
  • Hydrosphère et Cryosphère : Fonte des glaciers et des calottes polaires, augmentation du niveau des mers, acidification des océans (par absorption du $\text{CO}_2$).
  • Atmosphère : Modification des régimes de précipitations (plus d'événements extrêmes, sécheresses, inondations), intensification des tempêtes et cyclones.
  • Biosphère : Déplacement d'espèces, perturbation des écosystèmes, diminution de la biodiversité.
  • Tous ces changements sont interdépendants et peuvent s'amplifier mutuellement par des boucles de rétroaction.

Pour comprendre et prévoir l'évolution du climat, les scientifiques utilisent des outils complexes.

Key Concepts:

• Principes de fonctionnement : Les modèles climatiques sont des représentations numériques du système climatique de la Terre. Ils sont basés sur les lois fondamentales de la physique (conservation de l'énergie, de la masse, de la quantité de mouvement) et intègrent les interactions entre l'atmosphère, les océans, les terres émergées et la cryosphère.
  • Ils sont résolus sur de puissants supercalculateurs pour simuler l'évolution du climat sur des décennies ou des siècles.
• Prévisions et incertitudes : Les modèles climatiques permettent de simuler différents scénarios d'émissions de GES et d'en évaluer les conséquences sur le climat futur.
  • Ils fournissent des projections (pas des prévisions météorologiques) sur l'évolution des températures, des précipitations, du niveau des mers, etc.
  • Malgré leur sophistication, les modèles comportent des incertitudes, notamment dues à la complexité des processus (formation des nuages, rétroactions) et à l'incertitude des futurs scénarios d'émissions. Cependant, leur fiabilité est très élevée pour les grandes tendances globales.
• Rôle du GIEC : Le Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Évolution du Climat (GIEC) est l'organisme international qui évalue l'état des connaissances scientifiques sur le changement climatique.
  • Il ne mène pas de recherches, mais synthétise les travaux de milliers de scientifiques du monde entier, y compris les résultats des modèles climatiques, pour informer les décideurs politiques. Ses rapports sont la référence la plus fiable sur le sujet.

Pour suivre l'évolution du climat, les scientifiques mesurent plusieurs paramètres.

Key Concepts:

• Concentration de CO$_2$ : C'est l'un des indicateurs les plus importants. Les mesures effectuées à l'observatoire de Mauna Loa (Hawaï) montrent une augmentation constante et rapide de la concentration de $\text{CO}_2$ atmosphérique, passant de 280 ppm (parties par million) à l'ère préindustrielle à plus de 420 ppm aujourd'hui.
  • Les carottes de glace permettent de remonter les concentrations de $\text{CO}_2$ sur des centaines de milliers d'années, montrant que les niveaux actuels sont sans précédent.
• Température globale : La température moyenne de la surface terrestre et des océans est mesurée par des réseaux de stations météorologiques, des bouées océaniques et des satellites. Les données montrent une tendance claire et irréversible au réchauffement depuis le début du XXe siècle, avec une accélération marquée depuis les années 1980.
• Niveau des mers : Le niveau moyen des mers augmente principalement en raison de deux phénomènes :
  • La dilatation thermique de l'eau (l'eau chaude prend plus de volume).
  • La fonte des glaciers et des calottes glaciaires (Groenland, Antarctique).
  • Les mesures par marégraphes et satellites confirment une accélération de cette élévation.

Le changement climatique pose des défis majeurs pour l'humanité.

Key Concepts:

• Atténuation et adaptation :
  • L'atténuation consiste à réduire les émissions de GES pour limiter l'ampleur du réchauffement climatique (ex: énergies renouvelables, efficacité énergétique, capture de carbone).
  • L'adaptation consiste à ajuster les sociétés et les écosystèmes aux impacts inévitables du changement climatique (ex: digues contre la montée des eaux, cultures résistantes à la sécheresse, systèmes d'alerte précoce).
  • Les deux stratégies sont nécessaires et complémentaires.
• Développement durable : La lutte contre le changement climatique est indissociable du concept de développement durable, qui vise à satisfaire les besoins du présent sans compromettre la capacité des générations futures à satisfaire les leurs. Cela implique de concilier les dimensions économique, sociale et environnementale.
• Responsabilité individuelle et collective : Le changement climatique est un problème global qui nécessite une action à tous les niveaux :
  • Individuelle : Choix de consommation, modes de transport, économies d'énergie.
  • Collective : Politiques publiques, innovations technologiques, accords internationaux (comme l'Accord de Paris).
  • La coopération internationale est essentielle car les émissions de GES d'un pays affectent l'ensemble de la planète.