L’essentiel
Le bilan radiatif de la Terre compare la puissance reçue du Soleil et celle renvoyée vers l’espace. Sur 340 W/m² reçus en moyenne, environ 100 W/m² sont réfléchis (albédo de 0,30) et environ 240 W/m² sont absorbés, puis réémis en infrarouge. Si les deux flux s’équilibrent, la température moyenne reste stable.
Le bilan radiatif en chiffres
Le bilan radiatif terrestre fait les comptes de l’énergie échangée par rayonnement entre la Terre et l’espace. On l’exprime en watts par mètre carré, en moyenne sur toute la planète et sur une année.
Un schéma du bilan se lit comme un tableau de flux : ce qui entre, ce qui repart aussitôt, ce qui est absorbé, puis ce qui repart plus tard sous forme d’infrarouge.
| Flux | Valeur moyenne | Part du flux reçu |
|---|---|---|
| Reçu du Soleil | 340 W/m² | 100 % |
| Réfléchi vers l’espace (nuages, air, surface) | Environ 100 W/m² | Environ 30 % |
| Absorbé par l’atmosphère | Environ 80 W/m² | Environ 23 % |
| Absorbé par la surface | Environ 160 W/m² | Environ 47 % |
| Émis vers l’espace en infrarouge | Environ 240 W/m² | Environ 70 % |
Astuce : Le calcul exact 340 × 0,30 donne 102 W/m². Les bilans publiés arrondissent souvent à 100 W/m² réfléchis et 240 W/m² absorbés.
Pourquoi 340 W/m² : la constante solaire divisée par 4
Au sommet de l’atmosphère, une surface perpendiculaire aux rayons reçoit environ 1 361 W/m² : c’est la constante solaire. Mais la Terre présente au Soleil un disque de surface π × R², alors que cette énergie se répartit sur une sphère de surface 4 × π × R². La sphère est quatre fois plus grande que le disque.
Flux moyen reçu = constante solaire ÷ 4 = 1 361 ÷ 4 ≈ 340 W/m².
- Puissance totale interceptée, avec R = 6 370 km : 1 361 × π × (6,37 × 10⁶)² ≈ 1,7 × 10¹⁷ W.
L’albédo : la part réfléchie
Une surface claire renvoie beaucoup de lumière, une surface sombre en absorbe la majeure partie. L’albédo moyen de la Terre vaut environ 0,30, en grande partie à cause des nuages, très réfléchissants.
Albédo = puissance réfléchie ÷ puissance reçue. C’est un nombre sans unité, compris entre 0 et 1.
| Surface | Albédo |
|---|---|
| Neige fraîche | Environ 0,8 |
| Sable du désert | Environ 0,4 |
| Forêt | Environ 0,15 |
| Océan | Environ 0,06, selon l’angle du Soleil |
- Sur de la neige fraîche qui reçoit 300 W/m², 300 × 0,8 = 240 W/m² sont réfléchis et 60 W/m² absorbés.
Ce qui entre doit ressortir
Le Soleil émet surtout de la lumière visible, autour de 0,5 µm. La Terre, bien plus froide, émet de l’infrarouge, autour de 10 µm. Le bilan oppose donc deux rayonnements de nature différente.
Si la Terre absorbe 240 W/m², elle doit émettre 240 W/m² vers l’espace pour rester à température constante. Une Terre qui rayonne 240 W/m² aurait une température de −18 °C environ. La surface est en réalité à environ 15 °C, parce que l’atmosphère renvoie une partie de l’infrarouge vers le sol : le mécanisme est expliqué sur la page de l’effet de serre.
Équilibre : puissance absorbée = puissance émise. Si l’une dépasse l’autre, la température moyenne change.
- Aujourd’hui, le bilan n’est pas tout à fait équilibré : la Terre absorbe de l’ordre de 1 W/m² de plus qu’elle n’en émet, et cet excédent réchauffe surtout les océans.
Un bilan différent selon la latitude
Le bilan de 340 W/m² est une moyenne. Près de l’équateur, les rayons arrivent presque à la verticale et se concentrent sur une petite surface. Près des pôles, ils arrivent en oblique et se répartissent sur une grande surface.
Les régions tropicales absorbent donc plus qu’elles n’émettent, et les régions polaires émettent plus qu’elles n’absorbent. Les vents et les courants océaniques transportent cet excédent de chaleur vers les pôles. L’inclinaison de l’axe de la Terre fait varier cette répartition au cours de l’année : c’est l’origine des saisons.
Les erreurs à éviter
L’albédo s’exprime en W/m². L’albédo n’a pas d’unité.
C’est le quotient de deux puissances : les unités se simplifient.
La Terre reçoit en moyenne 1 361 W/m² sur toute sa surface. La moyenne vaut 340 W/m².
La valeur de 1 361 W/m² vaut pour une surface perpendiculaire aux rayons. Il faut la diviser par 4.
Le rayonnement émis par la Terre est de la lumière visible. La Terre émet surtout dans l’infrarouge.
Sa température, bien plus basse que celle du Soleil, déplace son émission vers de grandes longueurs d’onde.
Exercices corrigés
1. Que vaut l’albédo moyen de la Terre ?
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0,30. La Terre réfléchit environ 30 % du rayonnement solaire reçu.
2. Quelle surface a l’albédo le plus élevé ?
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La neige fraîche. La neige fraîche réfléchit environ 80 % de la lumière qu’elle reçoit.
3. Une surface reçoit 200 W/m² et en réfléchit 60 W/m². Quel est son albédo ?
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0,30. 60 ÷ 200 = 0,30. L’albédo est le rapport entre puissance réfléchie et puissance reçue.
4. Si la constante solaire valait 1 400 W/m², quel serait le flux moyen reçu par la Terre ?
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350 W/m². 1 400 ÷ 4 = 350 W/m², car la sphère a une surface quatre fois plus grande que le disque qu’elle présente au Soleil.
5. Une planète reçoit en moyenne 400 W/m² et son albédo vaut 0,25. Quelle puissance absorbe-t-elle ?
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300 W/m². Puissance réfléchie : 400 × 0,25 = 100 W/m². Puissance absorbée : 400 − 100 = 300 W/m².
6. Une calotte glaciaire fond et laisse place à l’océan. Quel est l’effet direct sur le bilan radiatif ?
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L’albédo diminue et la région absorbe plus. L’océan sombre réfléchit bien moins que la glace : il absorbe davantage d’énergie, ce qui accentue le réchauffement.
Questions fréquentes
Qu’est-ce que le bilan radiatif de la Terre ?
C’est la comparaison entre la puissance reçue du Soleil et la puissance renvoyée vers l’espace par réflexion et par émission d’infrarouge.
Pourquoi divise-t-on la constante solaire par 4 ?
La Terre intercepte le rayonnement sur un disque de surface π × R², mais il se répartit sur une sphère de surface 4 × π × R². Le rapport des deux surfaces vaut 4.
Quelle est la différence entre bilan radiatif et effet de serre ?
Le bilan radiatif fait les comptes de tous les flux d’énergie. L’effet de serre est le mécanisme par lequel l’atmosphère absorbe de l’infrarouge et en renvoie une partie vers le sol.
Comment calculer la puissance absorbée par la Terre ?
On multiplie le flux reçu par 1 − albédo : 340 × (1 − 0,30) = 238 W/m², soit environ 240 W/m².