Lycée · Terminale · Spécialité SVT
Le bilan radiatif de la Terre et l'effet de serre
Énergie solaire, rayonnements et mécanismes d'amplification du réchauffement climatique — programme de Spécialité SVT Terminale
À propos de cette page
Le rayonnement solaire et le rayonnement terrestre
Le Soleil émet un rayonnement électromagnétique couvrant un large spectre. L'énergie émise par un corps est liée à sa température selon la loi de Stefan-Boltzmann :
$$E = \sigma T^4$$
où $\sigma = 5{,}67 \times 10^{-8}\,\text{W·m}^{-2}\text{·K}^{-4}$ et $T$ est la température en Kelvin.
Le Soleil (environ 5 800 K) émet principalement dans le rayonnement visible et l'ultraviolet (longueurs d'onde courtes, 0,2–4 µm). La Terre, bien plus froide (environ 255–288 K), réémet dans l'infrarouge (longueurs d'onde longues, 4–100 µm).
L'albédo terrestre
L'albédo varie fortement selon la surface :
| Surface | Albédo approximatif |
|---|---|
| Glace / neige fraîche | 0,80 – 0,90 |
| Nuages | 0,40 – 0,80 |
| Désert (sable clair) | 0,25 – 0,40 |
| Forêt | 0,10 – 0,20 |
| Océan (haute incidence) | 0,03 – 0,10 |
L'albédo planétaire moyen de la Terre est d'environ 0,30 : 30 % du rayonnement solaire incident est renvoyé vers l'espace.
Le bilan radiatif : définition et équilibre
La constante solaire $S_0 \approx 1361\,\text{W·m}^{-2}$ est le flux solaire reçu perpendiculairement à la direction Terre-Soleil. La surface terrestre interceptant un disque de rayon $R$, mais rayonnant sur une sphère de surface $4\pi R^2$, le flux moyen incident par unité de surface est $S_0/4 \approx 340\,\text{W·m}^{-2}$.
En tenant compte de l'albédo $\alpha = 0{,}30$ :
$$F_{\text{absorbé}} = \frac{S_0}{4}(1-\alpha) \approx 340 \times 0{,}70 \approx 238\,\text{W·m}^{-2}$$
À l'équilibre thermique :
$$F_{\text{absorbé}} = F_{\text{émis}} \implies \sigma T_e^4 = \frac{S_0}{4}(1-\alpha)$$
Ce qui donne une température d'équilibre radiative $T_e \approx 255\,\text{K} \approx -18\,°\text{C}$.
L'effet de serre naturel
L'effet de serre est un phénomène naturel par lequel certains gaz de l'atmosphère absorbent le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre et en réémettent une partie vers la surface, augmentant sa température.
Mécanisme en 3 étapes :
- La surface terrestre absorbe le rayonnement solaire et se réchauffe.
- Elle réémet un rayonnement infrarouge vers l'atmosphère.
- Les gaz à effet de serre (GES) absorbent ce rayonnement et en réémettent une partie vers la surface (contre-rayonnement).
Les gaz à effet de serre
Les gaz à effet de serre (GES) sont des molécules polyatomiques qui absorbent et réémettent le rayonnement infrarouge. Les principales molécules diatomiques symétriques comme N₂ et O₂ ne sont pas des GES.
| Gaz | Formule | Contribution naturelle | Origine anthropique principale |
|---|---|---|---|
| Vapeur d'eau | H₂O | Principale (50–60 %) | Indirecte (amplification par T°) |
| Dioxyde de carbone | CO₂ | 20 % | Combustion d'énergies fossiles |
| Méthane | CH₄ | 5 % | Élevage, rizières, déchets |
| Oxyde nitreux | N₂O | 4 % | Agriculture, engrais azotés |
| Ozone | O₃ | Variable | Pollution (troposphère) |
Le forçage radiatif anthropique
Depuis la révolution industrielle (1850), les concentrations de GES ont fortement augmenté :
- CO₂ : de 280 ppm (préindustriel) à plus de 420 ppm aujourd'hui (+50 %).
- CH₄ : multiplié par 2,5 environ.
- N₂O : +20 % environ.
Le forçage radiatif total anthropique estimé depuis 1750 est d'environ +2,7 W/m² (rapport GIEC AR6, 2021), principalement dû au CO₂ (+1,8 W/m²).
Les rétroactions climatiques
Une rétroaction climatique est un processus amplifiant (rétroaction positive) ou atténuant (rétroaction négative) la réponse initiale à un forçage.
- Albédo de la glace : réchauffement → fonte des glaces → diminution de l'albédo → plus d'énergie absorbée → davantage de réchauffement.
- Vapeur d'eau : réchauffement → évaporation accrue → plus de vapeur d'eau (GES) → amplification de l'effet de serre → réchauffement supplémentaire.
- Permafrost : dégel → libération de CO₂ et CH₄ → augmentation de l'effet de serre.
- Rayonnement infrarouge : réchauffement de la surface → augmentation de l'émission infrarouge vers l'espace (loi de Stefan) → refroidissement compensateur. C'est la principale rétroaction négative.
Conséquences sur le climat actuel
L'augmentation du forçage radiatif anthropique a déjà provoqué un réchauffement moyen de +1,1 °C par rapport à l'ère préindustrielle (1850–1900), selon le GIEC (AR6, 2021).
Conséquences observées :
- Montée du niveau des mers (dilatation thermique + fonte des glaciers et des calottes polaires).
- Multiplication des événements climatiques extrêmes (vagues de chaleur, précipitations intenses).
- Réduction de la cryosphère (banquise arctique, glaciers de montagne, permafrost).
- Acidification des océans (absorption de CO₂ → formation d'acide carbonique H₂CO₃).
- SSP1-1,9 : neutralité carbone avant 2050, réchauffement limité à +1,5 °C.
- SSP2-4,5 : politiques modérées, +2,7 °C environ à 2100.
- SSP5-8,5 : émissions élevées non contraintes, +4,4 °C à 2100.
- Le Soleil émet dans le visible ($\lambda \approx 0{,}5\,\mu\text{m}$) ; la Terre réémet dans l'infrarouge ($\lambda \approx 10\,\mu\text{m}$).
- L'albédo planétaire ≈ 0,30 : 30 % du rayonnement incident est réfléchi. La température d'équilibre radiative sans effet de serre serait −18 °C.
- L'effet de serre naturel (principalement H₂O, CO₂, CH₄) élève la température moyenne de +33 °C, à +15 °C.
- Le forçage radiatif anthropique total est estimé à +2,7 W/m² depuis 1750 (GIEC AR6).
- Les rétroactions positives (albédo glace, vapeur d'eau) amplifient le réchauffement initial.
- Le réchauffement climatique actuel est de +1,1 °C par rapport à l'ère préindustrielle.
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