Histoire de la Terre et de la vie - Actualités géologiques

Energies et climat

Le bilan radiatif de la Terre

L'atmosphère terrestre vue de la Station Spatiale Internationale, le 20 avril 2016.

La connaissance du bilan radiatif de la Terre est essentielle pour comprendre le comportement de son atmosphère. Toute son énergie provient du Soleil sous forme de rayonnements électromagnétiques (ultraviolets, lumière et infrarouge). Puisque la moyenne globale annuelle de sa température ne varie pas, ou pas beaucoup, c’est parce qu’elle renvoie cette énergie dans l’espace, également sous forme de rayonnements. Il doit y avoir égalité entre le flux d’énergie reçu et le flux d’énergie renvoyé. On parle plus précisément de puissance, qui est une quantité d’énergie par unité de temps. Son unité est le watt. Actuellement, une surface située au sommet de l’atmosphère et perpendiculaire aux rayons du Soleil reçoit 1 361 W/m². Ce chiffre est appelé l’irradiance solaire totale (TSI en anglais) ou la constance solaire, bien qu’il ne soit pas tout à fait constant. Ses variations ne sont cependant que de quelques watts par mètre carré. Cette valeur a été recommandée par l’Union Astronomique Internationale en 2015. On peut signaler l’estimation effectuée par Christian Gueymard en 2018 : 1 361,1 ± 0,5 W/m².

La constante solaire ne peut être mesurée que depuis l’espace, puisque le rayonnement solaire est affaibli quand il traverse l’atmosphère. Le spectromètre solaire embarqué à bord de la Station Spatiale Internationale a effectué des mesures des ultraviolets moyens jusqu’aux infrarouges (de 165 nm à 3 088 nm = 3 µm) et a trouvé 1 372,3 ±16,9 W/m².

Si l’on considère que cette puissance est uniformément répartie sur le sommet de l’atmosphère, celle-ci en reçoit le quart, soit 340,25 W/m², valeur qui sera toujours ici arrondie à 340 W/m². C’est cette énergie qui permet à l’eau liquide et à la vie d’exister sur notre planète. Néanmoins, la surface de la Terre reçoit une puissance inférieure parce qu’une partie est absorbée et réfléchie par l’atmosphère et qu’une autre est réfléchie par la surface, sans être absorbée.

Quantité de vapeur d’eau dans l’atmosphère le 30 janvier 2005, mesurée par le satellite Terra. Dans l’hémisphère Nord, c’est l’hiver, si bien que ce taux est très bas. NASA, domaine public.

L’albédo de la Terre (albédo de Bond en astronomie) est un paramètre fondamental : c’est la fraction de la puissance solaire que la Terre réfléchit dans l’espace. Notre planète, ainsi que tous les autres astres du Système solaire, à l’exception du Soleil, sont visibles dans l’espace grâce à cette part de rayonnement réfléchi. Un moyen d’estimer l’albédo de la Terre est de regarder de quelle manière elle éclaire la Lune, mais rien ne vaut des mesures par satellites. Un changement de 5 % de l’albédo correspondant à une variation d’un degré de la température moyenne globale. Une diminution 0,01 entraînerait le même effet qu’un doublement de la concentration en CO2 atmosphérique : un forçage radiatif de 3,25 W/m².

Parmi les 340 W/m² que la Terre reçoit, 75 W/m² sont réfléchis par l’atmosphère (dont les nuages) et 25 % par la surface de la Terre (dont les glaciers, en particulier ceux des régions polaires). Ces estimations donnent un albédo de 340 / (75 + 25) = 0,34. Même sans les nuages, l’atmosphère est capable de réfléchir le rayonnement solaire, par l’action de ses molécules. Plus exactement, elle le diffuse selon un processus décrit par le physicien John W. Rayleigh, c’est-à-dire qu’elle le dévie dans toutes les directions. La lumière de petites longueurs d’onde, du côté bleu, est beaucoup plus affectée que la lumière de grandes longueurs d’onde, du côté rouge. L’azur du ciel n’est autre que du rayonnement solaire diffusé. Les aérosols, constitués de particules en suspension dans l’atmosphère, contribuent aussi à sa diffusion, mais selon un processus moins dépendant de la longueur d’onde. Au total, une atmosphère dépourvue de nuages réfléchit 20 W/m² dans l’espace et absorbe 73 W/m².

Les océans ont un albédo de 0,05. L’albédo des continents est plus élevé et variable. Ce sont les zones forestières qui réfléchissent le moins le rayonnement solaire.

On sait que l’ozone stratosphérique absorbe une grande partie du rayonnement ultraviolet du Soleil, ce qui est nécessaire aux organismes vivants à l’air libre. Au total, 80 w/m² sont absorbés par l’atmosphère terrestre (nuages compris). La vapeur d’eau agit également, bien qu’elle soit un gaz invisible. La surface de la Terre ne peut donc absorber que 160 W/m² (ou 214 W/m² en l’absence de nuages). Si la température moyenne globale de surface est constante, cela implique que ce flux d’énergie est restitué. Chauffée à 15 °C, elle émet un rayonnement thermique de 398 W/m², uniquement dans l’infrarouge. À cela, s’ajoute un flux de chaleur sensible dû aux mouvements convectifs dans la troposphère estimé à 21 W/m² et un flux de chaleur latente de 82 W/m². Ce dernier est causé par l’évaporation de l’eau, qui absorbe de la chaleur, et à sa condensation en altitude, qui libère cette chaleur. L’évapotranspiration des plantes compte aussi : elles aspirent de l’eau par leurs racines, qui s’évapore à la surface de leurs feuillages.

Bilan radiatif de la Terre avec les nuages.

L’albédo de la Terre, fraction de rayonnement solaire réfléchi, a été mesuré par plusieurs satellites. ERBS (Earth Radiation Budget Satellite) a été lancé le 5 octobre 1984. Sa mission, confiée à la NASA, a été arrêtée en 2005. Il a embarqué un instrument appelé ERBE (Earth Radiation Budget Experiment) qui a fonctionné jusqu’en 1990. Celui-ci a indiqué que l’albédo de la Terre est de 0,3 et que la puissance des infrarouges émis par le sommet de l’atmosphère vers l’espace est de 235 W/m², chiffre qui tient compte de la présence des nuages. Les autres satellites utilisés ont été NOAA-9 et NOAA-10, lancés en 1985 et 1986 (du nom de l’agence météorologique américaine, la National Oceanic and Atmospheric Administration), et Nimbus-7.

Flux d’énergie reçu par la Terre en haut et flux d’énergie émis par la Terre en bas. Les courbes bleues et rouges se rapportent respectivement à la surface et au sommet de l’atmosphère.

La surface de la Terre a une température moyenne de 15 °C ou 288 K. D’après la loi de Stefan, elle émet un flux d’énergie de 390 W/m². La loi de Planck, énoncée en 1900, précise la répartition de la puissance en fonction de la longueur d’onde. Cette courbe est représentée en bleu dans le graphique du bas. Avec les unités utilisées, le micromètre µm en abscisse et le watt par mètre carré et par micromètre en ordonnée, son aire est égale à 390 W/m². La courbe irrégulière rouge représente le flux d’énergie mesuré par satellite à 12 km d’altitude, en fonction de la longueur d’onde (wavelength). Son aire doit être égale à 235 W/m². La différence de 155 W/m² donne la mesure de l’effet de serre radiatif. Elle est due à l’absorption des rayonnements par les nuages et par les GES : vapeur d’eau H2O, dioxyde de carbone CO2, ozone O3, méthane CH4 et protoxyde d’azote N2O. Ils sont cités par ordre d’importance. Les principales bandes d’absorption indiquées montrent que c’est l’eau qui absorbe le plus. Il y a une forte absorption à 12-18 µm par le CO2 et à 9 µm par l’ozone.

Contributions de différents gaz à l’effet de serre radiatif dans un ciel clair (sans nuage). D’après Kiehl et Trenberth, 1997.

Puisque la contribution des nuages, à la fois calculée et mesurée, est de 30 W/m², l’effet de serre par ciel clair (en l’absence de nuages) vaut 125 W/m². On se demande alors quelle est la contribution individuelle des différents GES. Le calcul se fait en retirant chaque gaz du modèle radiatif. Kiehl et Trenberth ont pris une concentration de 353 ppmv (parties par million en volume, soit 0,035 %) pour le dioxyde de carbone, de 1,72 ppmv pour le méthane et de 0,31 ppmv pour le protoxyde d’azote. La concentration de vapeur d’eau est très variable et dépend de la température de l’air. Elle est beaucoup plus basse dans les régions polaires qu’à l’équateur. En moyenne, elle est de 0,33 %. Le résultat est que les contributions à l’effet de serre sont de 75 W/m² pour la vapeur d’eau, de 32 W/m² pour le dioxyde de carbone et de 10 W/m² pour l’ozone. Le méthane et le protoxyde d’azote, pris ensemble, ont une contribution de 8 W/m². En pourcentage, cela donne respectivement 60, 26, 8 et 6. La contribution de 32 W/m² ou de 26 % du dioxyde de carbone est en accord avec l’estimation donnée par deux autres auteurs en 1993, Henry Charnock et Keith Shine. En revanche, Robert Kandel a fourni dans la même revue une estimation de 50 W/m² (CO2’s greenhouse contribution debated, Physics Today 46). L’Irlandais John Tyndall (1820-1893) avait déjà pressenti le rôle de la vapeur d’eau et du dioxyde de carbone.

Spectre du rayonnement infrarouge émis par les gaz à effet de serre vers la Terre en février 1996 au Canada, d’après Evans et Puckrin. La radiance (ou luminance énergétique) d’une surface est l’intensité du rayonnement qu’elle émet dans une direction donnée divisée par l’aire apparente de cette surface telle qu’elle est vue par un observateur situé dans cette direction.

Ces contributions se calculent mais se mesurent aussi, sachant qu’une mesure directe ne donne les valeurs qu’en un point donné de la Terre et à un moment précis. Le principe consiste simplement à diriger un spectromètre infrarouge vers le ciel. Cet appareil mesure la radiance d’un rayonnement reçu en fonction de sa fréquence, ce qui permet d’identifier les gaz émetteurs. Ce que l’on observe n’a aucun rapport avec la couleur bleue du ciel. Celle-ci est due à la diffusion de Rayleigh : les molécules qui composent l’air diffusent les rayonnements, avec d’autant plus d’efficacité que les longueurs d’onde sont petites. Le violet est 16 fois plus diffusé que le rouge. Ces molécules ne diffusent rien dans l’infrarouge. Seuls les gaz à effet de serre rayonnent dans l’infrarouge, leurs fréquences d’émission étant égales à leurs fréquences d’absorption.

Une campagne d’observations a été menée pendant plusieurs années par W.F.J. Evans et E. Puckrin au Canada. Le graphique est un spectre qu’ils ont obtenu en février 1996, en l’absence de nuages. La basse température de la troposphère (la partie basse de l’atmosphère) permettait l’absence de vapeur d’eau. La contribution mesurée du CO₂ à l’effet de serre était de 26 W/m². Parmi les autres gaz, figuraient le N2O (1,06 W/m²), le méthane (0,85 W/m²) et les CFC 11 et 12 (0,42 W/m²).

Spectre d’irradiance solaire. Version française par Vigneron, Wikimedia Commons.

Les rayonnements qui arrivent sur la Terre ont des plus petites longueurs d’onde que ceux émis par notre planète. Ils sont constitués d’ultraviolets à 7 %, de lumière à 50 % et d’infrarouges à 43 %. Ils sont réfléchis, diffusés ou absorbés. La diffusion par les molécules de l’atmosphère est le phénomène qui lui donne sa couleur bleue. Elle est nettement moins importante que la diffusion par les particules de nuages, laquelle a été modélisée par le physicien Gustav Mie (1868-1957) dans le cas où elles sont sphériques. L’absorption est effectuée par les molécules d’eau, d’ozone, de dioxygène et de dioxyde de carbone. Elle est de 60 W/m² par ciel clair, dont respectivement 43, 14, 2 et 1 W/m² pour ces gaz. En présence des nuages, ce chiffre monte à 67 W/m². Le graphique donne la répartition du rayonnement solaire au sommet de l’atmosphère. L’unité en abscisse est le nanomètre nm (1000 nm = 1µm). Ce rayonnement est équivalent à celui d’un corps noir à 5780 K, soit 5506 °C. C’est la température effective du Soleil. L’énergie reçue au niveau de la mer est en rouge. On remarque une bande d’absorption du dioxygène à 750 nm, limite entre le rouge et l’infrarouge.

Bilan radiatif d’après Kiehl et Trenberth, 1997.

Dans le bilan radiatif final, on retrouve deux contraintes. Les rayonnements réfléchis par les nuages, les aérosols et l’atmosphère (77 W/m²) et par la surface de la Terre (30 W/m²) ont un total de 107 W/m². En divisant cette somme par le flux d’énergie provenant du Soleil et réparti sur l’ensemble de la Terre, qui est de 342 W/m², on trouve 0,31, soit l’albédo de la Terre. De plus, la différence entre les flux d’énergie arrivant de 342 W/m² et repartant de 107 W/m² est de 235 W/m². Elle est égale à la puissance rayonnée par le sommet de l’atmosphère vers l’espace. Cette zone est donc en équilibre radiatif.

La surface de la Terre doit également être en équilibre. Elle absorbe 168 W/m² et doit donc se débarrasser de cette énergie, pour que sa température reste globalement constante. Nous savons aussi qu’elle rayonne 390 Wm/² sous forme d’infrarouges, puisqu’elle est à 15 °C ou 288 K. L’atmosphère, nuages compris, lui envoie un flux d’énergie de 324 W/m², qui est absorbé par la surface. Ce rayonnement correspond à une température de 275 K ou 1,4 °C. Ainsi, la surface reçoit (168 – 390 + 324)W/m² = 102 W/m². Cette énergie est renvoyée vers l’atmosphère sous forme de conduction et de chaleur latente, avec respectivement des puissances de 24 et de 78 W/m². La conduction, c’est par exemple la transmission de la chaleur par le manche d’une casserole. La surface de la Terre chauffe la troposphère (partie basse de l’atmosphère), dont l’air est d’autant plus froid qu’il se trouve à une altitude élevée. Par ailleurs, de l’eau est évaporée à la surface de la Terre, surtout à celle des océans mais aussi sur les continents grâce à la végétation, or ce phénomène consomme de l’énergie. Celle-ci est rendue en altitude quand la vapeur d’eau se condense sous forme de nuages. Ce sont les deux formes de transfert d’énergie non radiatifs. Il faudrait donc parler du bilan énergétique de la Terre, mais j’ai choisi d’intituler cet article bilan radiatif puisque ce sont les phénomènes radiatifs qui sont dominants.

Le bilan publié en 2009 par Kevin Trenberth, John Fasullo et Jeffrey Kiehl est le suivant :

Earth’s energy global budget, K. Trenberth et al., American Meteorological Society, 2009.

Les chiffres diffèrent un peu mais le principe est le même. Parmi les nouveaux instruments d’observation, figurent CERES, Système de mesure de l’énergie radiante de la Terre et de ses nuages (Clouds and the Earth’s Radiant Energy System). Ils sont destinés à être embarqués sur des satellites, comme Terra lancé en 1999 et Aqua lancé en 2002. Ce programme est toujours en cours.

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