Universite de Picardie Jules Verne
MBG7
 
 

BILAN RADIATIF DE LA TERRE

1. ENERGIE SOLAIRE ET ORBITE TERRESTRE

Le flux solaire incident est fonction de la luminosité solaire et inversement proportionnel au carré de la distance au soleil.

La Constante solaire correspond au flux solaire ramené à la distance Terre-Soleil. Elle varie selon l'activité solaire (cycle de 11 ans) et l'excentricité de l'orbite terrestre:

périhélie (3 janvier) : 1410 W / m²

aphélie (3 juillet): 1320 W / m²

moyenne annuelle: 1368 W / m²

L'orbite terrestre est une ellipse de faible excentricité ( 2% ).

La distance moyenne de la Terre au Soleil est l'Unité Astronomique; 1 U.A. = 149,5 10⁶ km

Le flux solaire est réparti sur la surface sphérique de la Terre qui est 4 fois plus grande que sa section. En 24 heure, compte-tenu de la rotation de la Terre (qui occulte la partie opposée au soleil) , le flux solaire moyen qui atteint le sommet de l'atmosphère est de 342 W / m². Cette valeur reste trés théorique (grande différence en pratique entre le flux reçu à l'équateur et aux pôles). Comparativement, le flux de chaleur d'origine interne est négligeable (0,06 W / m²).

La valeur de 342 w/m2 est la valeur moyenne annuelle du flux solaire à la surface du globe.

2. FLUX SOLAIRE ET ALBEDO

La surface du soleil est à une température d'environ 6 000 °K. elle émet des radiations dont la longueur d'onde varie de 0,2 à 4 µm, c'est à dire depuis l'ultra-violet jusqu'au proche infra-rouge. Le domaine visible s'étend de 0,3 à 0,7 µm environ.

En moyenne: 30 % du flux est réfléchi ou diffusé vers l'espace (par les nuages, les aérosols et la surface de la Terre) ;70 % est absorbé par l'atmosphère et par la surface et transformé en chaleur. Cette portion d'énergie solaire convertie en chaleur est le moteur des mouvements des masses d'air et d'eau à la surface du globe, et donc des climats. La Terre, dont la température superficielle est beaucoup plus basse, émet à son tour un flux d'Infra-Rouges de forte longueur d'onde (de 3 à 30 µm environ).

L'état thermique du système Terre-Atmosphère est relativement stationnaire sur une période de plusieurs années: le bilan radiatif global est nul.

L'albédo est en moyenne 30 % pour le globe:

5-10 % sur les mers sans nuages

10-15 % au dessus des forêts

30-50 % sur les déserts

60-85 % sur la neige et la glace.

3. BILAN RADIATIF MOYEN

Avec un albédo de 30%, 70 % du rayonnement solaire est absorbé et transformé en chaleur: Les Ultra-Violets sont absorbés par l'ozone de la stratosphère Les Infra-Rouges sont absorbés par la vapeur d'eau et le gaz carbonique de la troposphère puis réémis vers le sol et vers l'espace. Le Visible et le proche Infra-Rouge atteignent la surface.

Sans absorption des radiations par l'atmosphère, la température moyenne globale serait de -18 °C au lieu de 15 °C: c'est l'effet de serre. Les principaux gaz à effet de serre sont: H₂O, CO₂, N₂O,CH₄, O₃, Fréons.
 

pour en savoir plus sur l'effet de serre
www.x-environnement.org/Jaune_Rouge/JR00
manicore.com/documentation/serre
article de H. LE TREUT
article de J.M. JANCOVICI

 Le bilan radiatif est nul à l'échelle du globe et pour un an. En revanche il change selon le lieu et la saison. Le flux solaire incident varie en fonction de la latitude, de la saison et de l'heure. L'albédo varie en fonction de la latitude et de la saison. Le bilan annuel est positif à l'équateur mais négatif aux pôles.

4. VARIATION DU BILAN RADIATIF

1. Variations saisonnières

Le cycle annuel du bilan radiatif local est plus ou moins marqué selon la latitude.

Les saisons sont déterminées par  l'orientation de l'axe de rotation de la Terre par rapport au plan de l'écliptique et la position de la Terre par rapport au soleil. Actuellement, l'axe de rotation est incliné de 23° environ, en direction de l'étoile polaire. Remarque: si l'axe de rotation était perpendiculaire au plan de l'écliptique, le soleil serait toujours au zénith au dessus de l'équateur et le bilan radiatif serait constant localement tout le long de l'année avec une orbite circulaire.

L 'énergie solaire est répartie de façon trés inégale à la surface du globe. Elle est redistribuée par convexion selon des transferts méridiens; la chaleur excédentaire de l'équateur est distribuée aux latitudes élevées par la circulation atmosphérique et par les courants océaniques.

4.2 Variations de longues périodes

Observations: les variations du climat au cours des temps géologiques sont bien connues depuis le Pliocène: 1ère glaciation à -2,3 M.a.; alternance glaciaire/interglaciaires jusqu'à maintenant. Les variations de température sont évaluées à l'aide du rapport des isotopes de l'Oxygène (¹⁶O/¹⁸O) sur les carottes de sédiments océaniques et de glace de l'Antarctique.

Les causes sont nombreuses, ce sont en particulier les fluctuations de l'orbites terrestre (cycle de Milankovitch).

a) Précessions des équinoxes

L'axe de la Terre décrit un cône en 25 670 ans environ: les saisons se déplacent sur l'orbite terrestre. Au 1er janvier 2019 de la vitesse de précession des équinoxes est d'environ 1 degré tous les 71,58 ans.

b) obliquité

Variation de l'angle de l'axe de rotation avec le plan de l'écliptique (conséquence de l'attraction de la lune dont l'orbite n'est pas strictement dans le plan de l'écliptique). L' angle est égale à 23° 27' + ou - 1°30' , la période est de 41 000 ans. Cette fluctuation agit sur la répartition géographique de l'énergie solaire.

c) excentricité

L'excentricité de l'orbite elliptique varie de 0 environ (cercle) à 7 % . La cause est l'attraction de Jupiter; sa période est de 100 000 ans environ. Cette variation de l'orbite agit sur la distance Terre-Soleil, donc sur la quantité d'énergie solaire reçue.

d) activité solaire

La "constante solaire" a probablement varié au cours des temps géologiques mais nous n'avons pas de mesures . Depuis quelques années, la constante est mesurée par satellite; on a enregistré une variation de 0,02% par an, mais les techniques sont trop récenteset les mesures trop rares pour généraliser. Les taches solaires font une rotation en 27,25 jours. Le développement des tâches solaires paraissent corrélées à des variations climatiques (température, pluviosité).  Les minima d'activité solaire semblent correspondre aux refroidissement et aux avancées glaciaires (petit âge glaciaire du XVII au XIX siècle) tandis que les maxima correspondraient aux optima climatiques (Moyen Age). Le ralentissement de l'activité solaire s'accompagnerait d'une diminution de son champ électromagnétique qui dévierait moins les rayons cosmiques; ceux-ci produiraient dans l'atmosphère des traînées de condensation dans la vapeur d'eau et la formation de nuages jouant le rôle de « parasol » diminuant l'ensoleillement.

L'analyse des sédiments prélevés par les forages profonds ODP dans le Pacifique a mis en évidence plusieurs cycles. Le rapport isotopique de l'Oxygène montre une fluctuation de période 100 k.a. correspondant à la variation de l'inclinaison de l'axe de la Terre (obliquité). Les caractères des sédiments montrent les périodes des variations d'excentricité: 95, 125 et 400 k.a. Les variations de volume des glace sont rattachées aux variations d'obliquité.

REFERENCES

BERGER A. (1992) - Le climat de la Terre. De Boeck Université, Bruxelles.

FREMY D. et M. (2001) - Encyclopédie Quid. Robert Lafond.

KANDEL R. et FOUQUART Y. (1992) - Le bilan radiatif de la Terre. La Recherche, 23, p. 316-324.

MAILLARD R. et MILLET A. (1953) - Cosmographie. Hachette.

MICROSOFT(1997) - Encyclopédie Encarta.

MULLER R.A. et Mac DONALD G.J. (1997) - Simultaneous presence of orbital inclination and eccentricity... Geology, 25, p. 3-6

NESME-RIBES E. (1997) - The solar engine and its influence on terrestrial atmosphere and climate. NATO ASI Series, Springler-Verlag.
 

LIENS

Ecole Polytechnique
Museum National d'Histoire Naturelle

(CHAPITRE SUIVANT)
 

Jacques.beauchamp
u-picardie.fr

04/11/03