Bilan radiatif de la Terre

Spectres du rayonnement solaire au sommet de l'atmosphère et au sol.

La puissance totale entrant dans le système sol-atmosphère-océan est estimée à 174 pétawatts (PW). Ce flux est composé de :

• rayonnement solaire (99,97 %, soit 173 PW) :
  • cette quantité est calculée en estimant que le rayonnement solaire moyen possède une densité énergétique (constante solaire) égale à 1 361 W/m² à une distance de une unité astronomique, et que ce rayonnement est intercepté par la surface terrestre dont le disque apparent (plat) a une superficie incidente de 1,274 × 10¹⁴ m². L'énergie ainsi reçue, répartie sur l'ensemble du globe terrestre (ellipsoïde ayant une superficie globale de 5,101 × 10¹⁴ m²), correspond à une puissance moyenne, ou rayonnement solaire incident moyen, d'environ 340 W/m² [1] - [2], soit au total 1,734 × 10¹⁷ W ;
  • le système sol-atmosphère-océan n'absorbe pas toute cette énergie incidente, une partie est réfléchie (par effet albédo, en fonction du sol, des océans, des nuages, des glaces et donc du climat, entraînant des effets rétroactifs ou amplificateurs importants très complexes, d'autant plus qu'on cherche une grande précision). Environ 30 % de l'énergie solaire reçue est réfléchie sans être absorbée ;
  • le rayonnement solaire n'est pas constant (voir cycle solaire) et il n'est pas connu avec une précision plus grande qu'à près d'un watt par mètre carré ;
• géothermie : la puissance issue de l'activité radioactive à l'intérieur de la Terre représente à peu près 0,025 % de la puissance totale reçue, environ 44,2 térawatts[3] (ou TW) ;

Évolution de la puissance thermique d'origine radiogénique au cours du temps dans les couches internes de la Terre.

• combustibles fossiles et fission radioactive réalisées par l'homme : ils représentent 0,009 %, soit 15 TW[4]. L'énergie totale utilisée à partir des sources commerciales d'énergie entre 1880 et 2000, y compris le pétrole fossile et l’énergie nucléaire, est estimée à 13,9 × 10²¹ J[5] ; l'énergie primaire mondiale annuelle est de 6 × 10²⁰ J, soit une puissance continue moyenne de 19 TW ;
• les frictions dues aux marées : 0,002 % soit 3,321 TW.

Bilan des échanges thermiques entre l'espace, l'atmosphère et la surface terrestre.

Le bilan radiatif de la Terre est globalement nul, c'est-à-dire que la quantité d'énergie absorbée est égale à la quantité d'énergie réémise, si bien que la température moyenne est sensiblement constante. Plus précisément, le rayonnement reçu par la Terre (essentiellement solaire) est globalement réémis. Le bilan global est cependant légèrement positif, du fait de la chaleur issue de la Terre elle-même, modifiée par la chaleur dégagée ou absorbée par les océans[5], sur des temps de l'ordre du millénaire.

Le rayonnement solaire incident, estimé à 340 W/m², se répartit en :

• 107 W/m² réfléchis par l'atmosphère (77 W/m²) et par la surface terrestre (30 W/m²). L'albédo de Bond moyen du système Terre-atmosphère est de 0,306[6], c'est-à-dire que 30,6 % du rayonnement reçu par le sommet de l'atmosphère sont réfléchis par l'atmosphère, les nuages ou la surface de la Terre (océans, neige, etc.), sans changement de longueur d'onde. Le reste est effectivement absorbé par la surface terrestre ou l'atmosphère sous forme de chaleur ;
• 67 W/m² directement absorbés dans l'atmosphère par les molécules de l'air et les nuages. Les ultraviolets sont absorbés en grande partie par l'ozone (O₃) et les infrarouges par la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone (CO₂). La lumière visible est absorbée en partie par les nuages, mais elle atteint majoritairement la surface de la Terre ;
• 168 W/m² absorbés par la surface terrestre (océans et continents).

L'atmosphère reçoit 519 W/m² répartis comme suit :

• 67 W/m² de la part du rayonnement solaire incident, comme mentionné ;
• 78 W/m² absorbés par l'évaporation de l'eau. L'énergie correspondante est convertie en chaleur latente d'évaporation et libérée dans l'atmosphère lorsque la vapeur d'eau se condense pour former des nuages ;
• 24 W/m² par convection de l'air à la surface terrestre. Cet apport d'énergie constitue l'essentiel de l'apport de chaleur de la troposphère, c'est le flux de chaleur sensible. En effet, les infrarouges et les ultraviolets sont absorbés en grande partie dans la stratosphère et le visible n'est presque pas absorbé par les molécules d'air ;
• 350 W/m² par absorption du rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre.

Ces 519 W/m² sont réémis ainsi :

• 324 W/m² sont émis par rayonnement infrarouge pour réchauffer la surface terrestre ;
• 195 W/m² sont émis par rayonnement infrarouge vers l'espace.

La surface terrestre reçoit 492 W/m² répartis comme suit :

• 168 W/m² proviennent du rayonnement solaire parvenant à la surface terrestre ;
• 324 W/m² proviennent de l'atmosphère sous forme de rayonnement infrarouge.

Ces 492 W/m² sont réémis comme suit :

• 78 W/m² par évaporation de l'eau de la surface des océans ;
• 24 W/m² par convection de l'air à la surface de la Terre ;
• 350 W/m² sont émis par la surface terrestre sous forme de rayonnement infrarouge vers l'atmosphère ;
• 40 W/m² sont émis par la surface terrestre sous forme de rayonnement infrarouge vers l'espace.

L'espace reçoit 342 W/m² répartis comme suit :

• 107 W/m² réfléchis par l'atmosphère et la surface terrestre ;
• 195 W/m² émis par l'atmosphère sous forme de rayonnement infrarouge vers l'espace ;
• 40 W/m² émis par la surface terrestre sous forme de rayonnement infrarouge vers l'espace.

Les deux derniers forment le rayonnement sortant à grande longueur d'onde.

Spectre émissif de la Terre, constaté par le satellite Nimbus 4. La puissance rayonnée est proportionnelle à la surface sous la courbe. Quand les couches sont transparentes aux rayonnements, le rayonnement thermique est celui du sol, ici 320K. Pour les fréquences où le CO₂ rend l'atmosphère opaque, la surface apparente depuis l'espace est celle à partir de laquelle un rayonnement peut s'échapper librement, et la température de cette surface est de 220K (tropopause). Pour les fréquences où H₂O rend l'atmosphère opaque, la température de la surface apparente est de l'ordre de 260K (nébulosités).

La Terre n'étant pas à petite échelle et à court terme en équilibre thermique, la définition d'une température moyenne de la Terre nécessite de la considérer dans sa globalité et à long terme. De ce point de vue, la surface terrestre émet 390 W/m2 par rayonnement infrarouge. Cette quantité permet d'attribuer à la surface terrestre une température moyenne théorique en assimilant la Terre à un corps noir. La loi de Stefan-Boltzmann permet en effet de déterminer la température d'un tel corps à partir de la quantité de rayonnement qu'il émet, selon la formule :

${\displaystyle M=\sigma T^{4}}$

avec :

M : puissance émise par unité de surface (W/m²) ;

T : température du corps en kelvins ;

${\displaystyle \sigma }$ = 5,670 367(13) × 10⁻⁸ W⋅m⁻² ⋅K⁻⁴ : constante de Stefan-Boltzmann.

Pour M = 390 W/m², la formule donne une température de +15 °C. Cette valeur correspond à une température théorique radiative de la surface terrestre, appelée température effective[7] - [8]. Le rayonnement infrarouge émis vers l'espace est de 235 W/m² et correspond à une température théorique de −19 °C. La différence entre la puissance émise par la surface terrestre et la puissance émise vers l'espace, à savoir 155 W/m², correspond à l'effet de serre, qui porte également le nom de forçage radiatif. D'origine naturelle, il réchauffe donc la surface terrestre d'environ 30 °C, dont 20 °C sont attribués à la vapeur d'eau dans l'atmosphère et 10 °C au CO₂[9] - [10].

Dans ce modèle simplifié, la température effective n'est que la transcription en kelvins d'une émission moyenne d'énergie, sur la globalité de la Terre, sans tenir compte des disparités[11] de température locale entre les pôles et l'équateur, ou selon les saisons.

Exemple d'estimation de l'évolution de la part de la chaleur respectivement accumulée par le sol, l'océan superficiel et profond (par rapport aux sols, en rouge), ici depuis 1960.

Le phénomène de réchauffement climatique récemment constaté est dû à l'augmentation de la concentration en gaz à effet de serre, qui accentue à la fois l'absorption directe de la lumière infrarouge émise par le Soleil (mais pas forcément l'absorption globale Terre-atmosphère) et le forçage radiatif consécutif à l'absorption de l'énergie provenant de la Terre. L'augmentation globale de la température est entraînée par un léger déséquilibre du bilan radiatif : la quantité d'énergie absorbée par le système Terre/océan-atmosphère devient légèrement supérieure à celle réémise vers l'espace, si bien que la température moyenne augmente tant que perdure ce déséquilibre, en vertu du principe de conservation de l'énergie.

L'augmentation du forçage radiatif anthropique entre 1750 et 2011 est évaluée à 2,29 (1,13 à 3,33) W/m2 par le cinquième rapport du GIEC[12].

La notion de température effective est parfois utilisée par les climatosceptiques pour contester les ordres de grandeur d'évolution de la température moyenne globale de la terre exploitant des modèles radiatifs[13]. Ces travaux ont suscité de nombreuses critiques[14].

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