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Basse atmosphère
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Le bilan radiatif de la Terre et l'effet de serre
L'énergie que le soleil apporte à la Terre gouverne le sysytème climatique. Seule une certaine partie de cette énergie parvient jusqu'à la surface terrestre et permet de chauffer la Terre qui serait sinon un caillou froid ! Une partie de l'énergie est réfléchie vers l'espace ou absorbée par l'atmosphère. Comment ces échanges d'énergie fonctionnent-ils?
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a) Du point de vue du rayonnement, on peut diviser le système terrestre en 3 parties :
1) l'espace au dessus de l'atmosphère
2) l'atmosphère
3) la surface terrestre
Imaginons un système où l'énergie s'échange rapidement. Pour que ce système ne gagne ou ne perde de l'énergie, donc qu'il ne se réchauffe ni se refroidisse, la quantité d'énergie arrivant doit être la même que la quantité d'énergie partant. C'est le cas de la Terre: il y a naturellement un équilibre entre les flux d'énergie arrivant et ceux partant.
b) Les gaz à effet de serre ne produisent PAS d'énergie. Ceux que l'homme rajoutent favorisent la création d'un équilibre où la basse atmosphère est anormalement chaude.
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1. Le bilan radiatif de la Terre (source: IPCC TAR Chap. 1.2.1)
Nous allons essayer de comprendre les différents transports d'énergie dans l'atmosphère et sur la surface terrestre.
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La réalité est un peu différente en fait, car les océans réagissent très lentement aux changements de température, de part leur grande inertie thermique. Alors que l'atmosphère se réchauffe très vite, les océans absorbent la chaleur lentement et ne se réchauffent pas rapidement. L'eau des océans circule autour de la planète, et une molécule d'eau peut mettre 1000 ans à revenir à son point de départ. Ainsi, pendant un certain laps de temps, la Terre peut présenter un déséquilibre de ces flux de chaleur, le temps que les océans atteignent aussi l'équilibre. Les valeurs du bilan radiatif indiquées sur l'image ci-dessous ne sont donc pas absolument exactes à 10 ou 20% près. Cependant dans la suite du texte nous allons considérer que la Terre est en équilibre.
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2. Les gaz à effet de serre réchauffent la Terre comme un manteau pour nous en hiver.
d'après fashion 3sat online
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Le rôle des gaz à effet de serre
Les gaz à effet de serre agissent comme un pull les jours d'hiver. Si on ne portait pas de vêtements lorsqu'il fait froid, on se caillerait! Et pourtant, les pulls ne réchauffent pas l'air autour de nous, ne produisent pas d'énergie ni ne font produire davantage d'énergie à notre corps. Ils ne font que renvoyer vers notre corps une partie de l'énergie que nous produisons, ce qui réchauffe la couche d'air située entre notre peau et le pull. C'est exactement ce que font les gaz à effet de serre. Lorsque l'effet de serre est augmenté, cela signifie qu'il y a plus de chaleur qui s'accumule au dessus de la surface terrestre avant de se perdre dans l'espace. Cela ne veut absolument pas dire qu'il y a plus d'énergie qui arrive vers la Terre.
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Comprendre le bilan d'énergie
L'énergie émise ou reçue par un système se mesure en W / m². On va d'abord voir que dans chaque partie du système, la quantité d'énergie arrivant est la même que celle qui repart (simplifions et oublions l'effet retardant des océans) :
342 W / m2 d'énergie solaire parviennent jusqu'au sommet de l'atmosphère. 107 sont directement réfléchis par les nuages ou par la surface terrestre. La fraction d'énergie solaire qui est directement réfléchie vers l'espace par la Terre s'appelle l'albédo de la Terre. Il est d'nevion 30%.
Définition de l'albédo: C'est le rapport de la lumière réfléchie par un corps sur l'énergie reçue. Les valeurs de l'albédo vont de 0 (corps complètement noir) à 1 (réflecteur parfait).
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3. Les équilibres d'énergie au dessus de l'atmosphère, dans l'atmosphère et à la surface terrestre. Tout est en équilibre.
L'énergie apportée par le soleil est en jaune, les rayons infrarouges (la chaleur) en rouge. Une part de l'énergie sert à l'évaporation de l'eau et aux transferts thermiques. Vous pouvez constater que la seule énergie dont bénéficie la Terre est apportée par le soleil. Les 492 W /m2 représentent ici deux fois la même énergie, d'abord celle venant du soleil, puis celle réémise par la Terre après avoir été réémise par les gaz à effet de serre. On a ainsi séparé les deux processus.
image: Elmar Uherek, d'après les données IPCC TAR
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L'albédo de la Terre est de 0.3 (30%). Les nuages et les calottes polaires sont de très bons réflecteurs. Les 235 W/m2 restants interagissent avec l'atmosphère ou la surface terrestre et repartent vers l'espace sous forme de rayons infrarouges.
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4. Le bilan radiatif de la Terre (réflexion exclue) et la fenêtre atmosphérique.
image: Elmar Uherek
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Lorsqu'on parle du bilan radiatif de la Terre, on doit considérer que l'atmosphère peut émettre de l'énergie vers l'espace ou la renvoyer vers la surface terrestre. C'est ce rayonnement des gaz à effet de serre qui retourne vers la Terre qui fait qu'elle absorbe plus d'énergie (492 W / m2) que ce que le soleil lui donne.
La fenêtre atmosphérique
Seuls 40 W / m2 sont directement émis sous forme de rayons infrarouges de la suface terrestre vers l'espace.
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5. Le modèle de la serre
illustration: Elmar Uherek
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En fait, les gaz à effet de serre n'absorbent pas toutes les longueurs d'onde. Chacun des composés gazeux de l'atmosphère absorbe une certaine gamme de longueurs d'ondes, et les spectres d'absorption de ces gaz se chevauchent plus ou moins. Mais il y a des "trous" dans le spectre d'absorption de l'eau (qui absorbe environ 60%), du dioxyde de carbone, du méthane, des oxydes d'azote, de l'ozone et des autres gaz à effet de serre. En particulier, les trous les plus importants concernant l'absorption par l'eau et le dioxyde de carbone sont appelés des fenêtres atmosphériques. Les rayons infrarouges peuvent quitter l'atmosphère tout comme agit une fenêtre dans le toit d'une serre en verre.
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Bien entendu, l'analogie entre les gaz à effet de serre et une serre en verre n'est pas parfaite. Les gaz interagissent avec la lumière, tandis que le verre est une barrière réelle, qui de plus empêche la convection et retient la chaleur.
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6. Une petite partie seulement du rayonnement terrestre, calculé par la théorie, quitte l'atmosphère. Le reste est absorbé par les gaz à effet de serre. Chacun de ces gaz absorbe la lumière à différentes longueurs d'onde ou différentes énergies du spectre électromagnétique du visible et de l'invisible (UV, IR).
Animation: Anja Kaiser © ESPERE
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7. Les interactions entre les ondes électromagnétiques et l'atmosphère (quelles longueurs d'onde traversent l'atmosphère et en quelle quantité?). Certains parties de l'atmosphère sont opaques (parties en brun sur cette image). On s'intéresse ici particulièrement au proche UV (1), à la lumière visible (2) et au proche infrarouge (3).
L'ozone absorbe dans le domaine (1) ce qui rend l'atmosphère opaque au dangereux UV-B. A côté, la lumière visible (2) peut arriver jusqu'au sol (heureusement!) pour nous éclairer et chauffer la surface terrestre. Les infrarouges de la partie (3) émis par la Terre (voir l'image de droite) peuvent retourner vers l'espace, mais seulement dans certaines zones du spectre. Certains gaz bloquent ces rayons infrarouges, comme la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone, c'est l'effet de serre. D'autres gaz (O3, CH4, N2O) absorbent dans le reste de la fenêtre atmosphérique (voir le spectre de droite) et sont des gaz à effet de serre très efficaces.
Image de  NASA / IPAC.
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Liens:
Sur le bilan radiatif, vous pouvez aussi lire:
Nuages et Particules- Plus- 3ème partie-Bilan radiatif
A propos de cette page:
auteur: Dr. Elmar Uherek - MPI for Chemistry Mainz
relecteur scientifique: Dr. Benedikt Steil - MPI for chemistry, Mainz 2004-05-16
relecteur pédagogique: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-07-02
dernière version: 2004-06-17 |
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