À propos de cette page
Ce cours de spécialité svt en terminale sur « Le bilan radiatif de la Terre et l'effet de serre » suit le programme officiel de spécialité svt de terminale. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Le rayonnement solaire et le rayonnement terrestre, L'albédo terrestre, Le bilan radiatif : définition et équilibre, L'effet de serre naturel. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de terminale à réussir en spécialité svt.
Au programme
1 · Le rayonnement solaire et le rayonnement terrestre
2 · L'albédo terrestre
3 · Le bilan radiatif : définition et équilibre
4 · L'effet de serre naturel
5 · Les gaz à effet de serre
6 · Le forçage radiatif anthropique
7 · Les rétroactions climatiques
8 · Conséquences sur le climat actuel
1Le 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).
Loi de Wien. La longueur d'onde au maximum d'émission est : $\lambda_{\max} = \frac{2898}{T}$ (en µm, avec $T$ en K). Pour le Soleil : $\lambda_{\max} \approx 0{,}5\,\mu\text{m}$ (lumière visible). Pour la Terre à 255 K : $\lambda_{\max} \approx 11\,\mu\text{m}$ (infrarouge).
Exemple. À 288 K (température moyenne de la surface terrestre) : $\lambda_{\max} = 2898/288 \approx 10\,\mu\text{m}$, ce qui est dans le domaine infrarouge thermique.
2L'albédo terrestre
Définition. L'albédo $\alpha$ est la fraction de rayonnement solaire incident réfléchi par une surface, sans absorption ni transformation. Il est sans unité et compris entre 0 (absorption totale) et 1 (réflexion totale).
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.
Attention ! L'albédo est une quantité réfléchie et non absorbée. Plus l'albédo est élevé, moins d'énergie est absorbée par la surface → refroidissement potentiel. À l'inverse, une diminution de l'albédo (fonte des glaces, déforestation) amplifie l'absorption d'énergie → réchauffement.
Astuce. Retiens : neige = blanc = fort albédo ; océan sombre = faible albédo. La distribution des surfaces à la surface terrestre détermine l'albédo global moyen.
3Le bilan radiatif : définition et équilibre
Définition. Le bilan radiatif de la Terre est la différence entre le flux d'énergie solaire absorbé par le système Terre-atmosphère et le flux d'énergie infrarouge réémis vers l'espace.
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 $T_e \approx 255\,\text{K} \approx -18\,°\text{C}$.
Attention ! La température réelle moyenne de la Terre est d'environ +15 °C, soit 33 °C de plus que $T_e$. Cet écart est dû à l'effet de serre naturel.
4L'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).
Contre-rayonnement atmosphérique. Le flux infrarouge descendant émis par l'atmosphère vers la surface est d'environ 333 W/m². Sans lui, la surface ne recevrait que les 238 W/m² du rayonnement solaire absorbé, ce qui donnerait T ≈ −18 °C au lieu de +15 °C.
Astuce. L'effet de serre naturel est indispensable à la vie : sans lui, la Terre serait recouverte de glace. Le problème actuel est son amplification par les activités humaines.
Exemple comparatif. Vénus (atmosphère très épaisse en CO₂) : température de surface ≈ 464 °C malgré un albédo élevé. Mars (atmosphère très ténue) : T ≈ −63 °C malgré une distance comparable à la Terre (effet de serre quasi inexistant).
5Les 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) |
Pouvoir de réchauffement global (PRG). Le PRG compare l'effet de serre d'un gaz à celui du CO₂ sur 100 ans. $PRG(CO_2) = 1$, $PRG(CH_4) = 28$, $PRG(N_2O) = 265$. Un kg de CH₄ a 28× plus d'impact qu'un kg de CO₂ sur 100 ans.
Attention ! La vapeur d'eau est le GES le plus abondant naturellement, mais sa concentration dans l'atmosphère est contrôlée par la température (effet de rétroaction), pas directement par les activités humaines.
6Le forçage radiatif anthropique
Forçage radiatif. Un forçage radiatif est toute perturbation externe de l'équilibre énergétique de la Terre, exprimée en W/m². Un forçage positif tend à réchauffer la Terre, un forçage négatif à la refroidir.
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).
Exemple de calcul simplifié. Une augmentation de CO₂ de 280 à 560 ppm (doublement) est associée à un forçage de $\Delta F \approx 5{,}35 \times \ln(2) \approx 3{,}7\,\text{W·m}^{-2}$, soit une augmentation attendue de la température de surface d'environ +1 à +3 °C selon la sensibilité climatique.
Astuce. Les aérosols (particules de pollution) ont un forçage négatif (ils réfléchissent le rayonnement solaire) qui masque en partie l'effet de serre. Leur réduction améliorera la qualité de l'air mais réduira leur effet de refroidissement.
7Les rétroactions climatiques
Une rétroaction climatique est un processus amplifiant (rétroaction positive) ou atténuant (rétroaction négative) la réponse initiale à un forçage.
Rétroaction positive (amplificatrice). Elle amplifie le changement initial. Exemples :
- 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.
Rétroaction négative (stabilisatrice). Elle atténue le changement initial. Exemple :
- 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.
Attention ! Dans le contexte du changement climatique actuel, les rétroactions positives dominent, ce qui explique que la hausse des températures est plus rapide que ce que prédirait un simple calcul d'équilibre radiatif sans rétroaction.
Exemple chiffré. Sans rétroactions, un doublement du CO₂ causerait un réchauffement de ~1 °C. Avec rétroactions positives (vapeur d'eau, albédo), la sensibilité climatique est estimée entre 2,5 et 4 °C par le GIEC.
8Conséquences 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).
Scénarios du GIEC (SSP). Les scénarios SSP (Shared Socioeconomic Pathways) modélisent l'évolution du climat selon différentes trajectoires d'émissions :
- 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.
À retenir. Le bilan radiatif est perturbé par les activités humaines : l'augmentation des GES augmente le forçage radiatif positif, que les rétroactions positives amplifient. La compréhension de ces mécanismes est essentielle pour anticiper et limiter les changements climatiques.
★À retenir
En bref :
• 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.