Le bilan radiatif terrestre

Le Soleil émet en permanence un rayonnement électromagnétique dans toutes les directions. À la distance Terre-Soleil ($d \approx 1{,}5 \times 10^{11}$ m), la constante solaire $S_0$ correspond à la puissance reçue par unité de surface perpendiculaire au rayonnement :

Le spectre solaire s'étend principalement de l'ultraviolet (UV) au proche infrarouge, avec un maximum d'émission dans le visible (~500 nm). La Terre, sphérique, intercepte un disque de rayons solaires de rayon $R_T$ mais répartit l'énergie sur toute sa surface :

$$\text{Puissance interceptée} = S_0 \times \pi R_T^2$$

$$\text{Surface terrestre totale} = 4\pi R_T^2$$

La puissance solaire moyenne reçue par unité de surface terrestre vaut donc :

$$\frac{S_0}{4} \approx 340 \text{ W·m}^{-2}$$

La Terre ne absorbe pas tout le rayonnement solaire qu'elle reçoit : une fraction est réfléchie vers l'espace. Cette fraction est appelée albédo.

Plus une surface est claire, plus son albédo est élevé. Voici quelques exemples :

L'énergie solaire absorbée par la Terre est donc :

$$F_{abs} = (1 - \alpha) \times \frac{S_0}{4} \approx (1 - 0{,}30) \times 340 \approx 238 \text{ W·m}^{-2}$$

Tout corps dont la température est supérieure au zéro absolu (0 K = −273 °C) émet un rayonnement électromagnétique appelé rayonnement thermique (ou rayonnement du corps noir).

La Terre, à une température moyenne d'environ $T_T \approx 288$ K (≈ 15 °C), émet principalement dans l'infrarouge lointain (longueurs d'onde 8–100 µm), contrairement au Soleil (~6 000 K) qui émet surtout dans le visible.

La puissance totale rayonnée par unité de surface par un corps noir est donnée par la loi de Stefan-Boltzmann :

La puissance totale rayonnée par la Terre de rayon $R_T$ est :

$$P_{emit} = 4\pi R_T^2 \times \sigma T^4$$

En l'absence d'atmosphère, si la Terre est à l'équilibre radiatif, la puissance absorbée est égale à la puissance réémise :

$$\underbrace{(1-\alpha) \frac{S_0}{4}}_{\text{absorbé}} = \underbrace{\sigma T_e^4}_{\text{émis}}$$

On en déduit la température d'équilibre $T_e$ :

Application numérique avec $\alpha = 0{,}30$, $S_0 = 1361$ W·m$^{-2}$, $\sigma = 5{,}67 \times 10^{-8}$ W·m$^{-2}$·K$^{-4}$ :

$$T_e = \left(\frac{0{,}70 \times 1361}{4 \times 5{,}67 \times 10^{-8}}\right)^{1/4} \approx 255 \text{ K} \approx -18 \text{ °C}$$

Or la température réelle moyenne de la Terre est $T_{réelle} \approx 288$ K (≈ +15 °C). L'écart de 33 °C s'explique par l'effet de serre.

L'atmosphère contient des gaz à effet de serre (GES) qui absorbent une partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre, puis le réémetent dans toutes les directions — y compris vers la surface. Cela réchauffe la surface terrestre.

Les principaux gaz à effet de serre et leurs sources :

La vapeur d'eau est le GES le plus abondant mais n'est pas directement contrôlé par les activités humaines ; le CO₂ est le principal GES d'origine anthropique.

Le bilan radiatif de la Terre prend en compte tous les flux d'énergie entre le Soleil, la Terre et l'espace. En moyenne globale et annuelle, à l'équilibre :

Le bilan radiatif est la différence entre le rayonnement absorbé et le rayonnement émis :

Depuis la révolution industrielle (~1850), les activités humaines ont modifié la composition de l'atmosphère, perturbant l'équilibre radiatif naturel :

• Augmentation du CO₂ : de 280 ppm (1850) à plus de 420 ppm (2024) → forçage radiatif positif
• Augmentation du CH₄ et N₂O : même effet
• Destruction de la couche d'ozone : modifie l'absorption UV
• Aérosols industriels : peuvent augmenter l'albédo (refroidissement partiel)

Les conséquences d'un bilan radiatif positif persistant sont :

• Hausse de la température moyenne mondiale
• Modification du cycle de l'eau (précipitations, évaporation)
• Élévation du niveau des mers (fonte des glaces, dilatation thermique)
• Modification de la fréquence des événements extrêmes