Le bilan radiatif de la Terre et l'effet de serre

Exercice 1 — Le bilan radiatif terrestre et l'effet de serre naturel
Corrigé — plan détaillé, connaissances attendues et critères :

Méthode : sujet de synthèse → introduction (définitions + problématique : pourquoi +15 °C et non −18 °C ? + annonce du plan), développement structuré qui relie les notions, conclusion bilan. Un schéma de flux annoté (340 / 238 / 333 W/m²) est valorisé.

Introduction : la Terre reçoit l'énergie du Soleil et en réémet vers l'espace ; le bilan radiatif est la différence entre énergie absorbée et énergie émise. Problématique : comment cet équilibre s'établit-il et pourquoi la surface est-elle plus chaude que ne le prévoit le seul bilan solaire ?

I. Rayonnements entrant et sortant
• Le Soleil (≈ 5 800 K) émet surtout dans le visible/UV (λ ≈ 0,5 µm, loi de Wien).
• La Terre (≈ 255-288 K), bien plus froide, émet dans l'infrarouge (λ ≈ 10 µm).
• Constante solaire S₀ ≈ 1361 W/m² ; flux moyen reçu par unité de surface = S₀/4 ≈ 340 W/m² (sphère de surface 4× le disque intercepteur).

II. L'albédo et le flux absorbé
• L'albédo α ≈ 0,30 : 30 % du solaire est réfléchi (neige/nuages clairs : albédo élevé ; océan/forêt : faible).
• Flux absorbé : F_abs = (S₀/4)(1 − α) ≈ 340 × 0,70 ≈ 238 W/m².

III. L'équilibre radiatif et la température d'équilibre
• À l'équilibre : σTₑ⁴ = 238 W/m² → Tₑ ≈ 255 K ≈ −18 °C.
• C'est la température qu'aurait la Terre sans atmosphère absorbant l'IR.

IV. L'effet de serre naturel
• Les GES (H₂O, CO₂, CH₄…) absorbent l'IR émis par la surface et le réémettent en partie vers le bas (contre-rayonnement ≈ 333 W/m²).
• La surface reçoit ainsi solaire absorbé + contre-rayonnement, ce qui élève sa température à +15 °C, soit +33 °C de plus que Tₑ.

Conclusion : le bilan radiatif s'équilibre au sommet de l'atmosphère (238 W/m² entrant = 238 W/m² sortant), mais l'effet de serre naturel maintient la surface à +15 °C. Ouverture : son amplification par les activités humaines perturbe ce bilan.

Barème indicatif (10 pts) : introduction + problématique (1) ; rayonnements et loi de Wien (2) ; albédo et flux absorbé (2) ; équilibre radiatif et Tₑ (2) ; effet de serre + contre-rayonnement (2) ; conclusion + schéma bilan annoté (1).

Exercice 2 — Étude de documents : forçage anthropique et perturbation du bilan radiatif
Corrigé — démarche scientifique, prélèvements et connaissances attendues :

Méthode : on prélève d'abord les données (document 1 : courbes ; document 2 : chiffres de forçage), on les met en relation avec les notions (forçage radiatif, effet de serre, rétroactions), puis on construit une argumentation organisée.

Q1 (2 pts) — Description : de 1850 à 2020, la concentration en CO₂ passe de 280 à 414 ppm (+48 %) et l'anomalie de température de 0 à +1,1 °C. Les deux courbes croissent conjointement, l'accélération étant nette après 1950 (industrialisation, énergies fossiles). On note une corrélation forte, sans affirmer à elle seule la causalité (qu'établit le mécanisme physique de l'effet de serre).

Q2 (2 pts) — Part du CO₂ : 1,82 / 2,72 ≈ 0,67, soit environ 67 % du forçage anthropique total. Le forçage total n'est pas la somme des seuls forçages positifs des GES car il faut y ajouter algébriquement le forçage négatif des aérosols (−1,1 W/m²), qui réfléchissent le solaire et masquent une partie du réchauffement. Le forçage total est la somme algébrique de toutes les contributions.

Q3 (2 pts) — Rôle des rétroactions : sans rétroaction, le doublement du CO₂ (forçage ≈ 3,7 W/m²) ne réchaufferait que d'environ +1 °C. La sensibilité réelle (2,5-4 °C) est plus élevée à cause des rétroactions positives qui amplifient le forçage initial. Deux exemples : (a) rétroaction vapeur d'eau — réchauffement → évaporation accrue → plus de vapeur d'eau (GES) → effet de serre renforcé → réchauffement supplémentaire ; (b) rétroaction albédo-glace — réchauffement → fonte des glaces → surfaces sombres → albédo plus faible → plus d'énergie absorbée → réchauffement accru.

Q4 (4 pts) — Argumentation :
• Perturbation du bilan radiatif : en brûlant des énergies fossiles, l'humain augmente la concentration des GES (document 1 : CO₂ +48 %). Ces gaz exercent un forçage radiatif positif de +2,72 W/m² (document 2), c'est-à-dire un excédent d'énergie piégée : le flux IR sortant vers l'espace devient temporairement inférieur au solaire absorbé. L'équilibre radiatif est rompu.
• Mécanisme en chaîne : 1) hausse des GES → renforcement de l'effet de serre → plus d'IR réémis vers la surface (contre-rayonnement accru) ; 2) la surface reçoit plus d'énergie qu'elle n'en émet → elle se réchauffe ; 3) ce réchauffement déclenche des rétroactions positives (vapeur d'eau, albédo des glaces, dégel du permafrost libérant CH₄) qui l'amplifient ; 4) la Terre se stabilise à une température plus élevée (loi de Stefan : elle réémet alors plus d'IR jusqu'à rétablir l'équilibre, mais à +1,1 °C aujourd'hui et davantage à venir).
• Bilan : la corrélation du document 1 et les valeurs de forçage du document 2 montrent, en s'appuyant sur le mécanisme physique de l'effet de serre, que les activités humaines sont bien la cause du réchauffement observé. Le forçage anthropique, amplifié par les rétroactions positives, explique un réchauffement supérieur au calcul d'équilibre sans rétroaction.