Bases scientifiques du changement climatique 2 Bilan radiatif de la Terre. Effet de serre

Sous quelle forme l’énergie parvient-elle du Soleil à la Terre? Rayonnement solaire Sous quelle forme l’énergie parvient-elle du Soleil à la Terre? Sous forme de rayonnements électromagnétiques: lumière visible (40 %), rayons infrarouge et ultraviolets invisibles (60%)

De quelle partie du Soleil le rayonnement émane-t-il? Rayonnement solaire De quelle partie du Soleil le rayonnement émane-t-il? Le rayonnement est émis par la couche interne de l’atmosphère solaire, appelée photosphère.

Rayonnement solaire reçu par la Terre 1 m2 perpendiculaire aux rayons reçoit 1368 W/m2 = constante solaire Quelle est la puissance reçue en moyenne par 1 m2 de la surface terrestre? La Terre reçoit un flux moyen de 342 W/m2

Rayonnement solaire reçu par la Terre La constante solaire varie avec la luminosité du soleil: des fluctuations de 0,4% sont dus aux variations de la rotation du soleil (quelques jours) 0,1% sont dus aux variations de l'activité solaire (cycle de 11 ans), et avec la distance Soleil-Terre:1410 W/m2 le 3 janvier, 1320 W/m2 le 3 juillet

En quelles régions fait-il le plus froid? Pourquoi? Rayonnement solaire reçu par la Terre En quelles régions fait-il le plus froid? Pourquoi? Globalement il fait d’autant plus froid sur Terre que les rayons tombent plus obliquement sur la surface terrestre. Records de température: -89°C en Antarctique et 58°C en Lybie

Rayonnement solaire reçu par la Terre Le rayonnement du Soleil correspond à celui d’un corps noir portée à la température de 5800 K.

Rayonnement solaire reçu par la Terre

Rayonnement solaire reçu par la Terre Le rayonnement diffusé par l’atmosphère donne au ciel sa couleur bleue.

Rayonnement solaire reçu par la Terre

Rayonnement solaire reçu par la Terre Le rayonnement visible est peu absorbé par l’atmosphère: pendant le jour il fait clair!

Rayonnement solaire réfléchi par la Terre Comment l’atmosphère, plutôt transparente au rayonnement solaire est-elle chauffée? La surface terrestre est visible de l’espace: elle réfléchit (diffuse) donc une partie du rayonnement qu’elle reçoit. Globalement la Terre (sol+atmosphère) réfléchit 30 % de l’énergie incidente les autres 70 % étant absorbés.

Echauffement de l’atmosphère L’atmosphère est encore chauffée par effet de serre, et par convection!

Echauffement de l’atmosphère par convection L’air humide chauffé au contact du sol monte et se refroidit: la vapeur d’eau se condense avec libération de chaleur latente de vaporisation.

Echauffement de l’atmosphère par effet de serre Pour en savoir plus sur le rayonnement électromagnétique... Rayonnement mesurée au-dessus du Sahara L’atmosphère absorbe en partie le rayonnement thermique terrestre..., et s’échauffe..., et émet aussi un rayonnement thermique.

Théorie de la relativité d’Einstein Rayonnement solaire En présence d’atmosphère Théorie de la relativité d’Einstein Rayonnement solaire L’effet de serre naturel Testez votre compréhension... Rayonnement mesurée au-dessus du Sahara Comment l’atmosphère, plutôt transparente au rayonnement solaire est-elle chauffée? Stabilité et instabilité verticale de l’atmosphère Le rayonnement diffusé par l’atmosphère donne au ciel sa couleur bleue. Flux solaire = puissance reçue par 1 m2 en incidence normale Constante solaire = flux à la distance moyenne Soleil-Terre = 1368 W/m2 Flux moyen reçu par le sommet de l’atmosphère = 342 W/m2 Quel sera la trajectoire des photons à proximité d’une étoile à fort champ de gravitation? Pour en savoir plus sur l’effet de serre atmosphérique...

Ainsi la vie a pu se développer sur Terre. L’effet de serre: régulateur climatique Depuis plus d'un milliard d'années, grâce à l'effet de serre, la température sur Terre a été telle que 1) l'eau s'y trouve à l'état liquide, 2) ses fluctuations n'ont jamais dépassé 10°C dans les deux sens. Ainsi la vie a pu se développer sur Terre.

L’effet de serre: régulateur climatique L'effet de serre est un phénomène naturel mettant en jeu l'interaction entre les rayonnements électromagnétiques et la matière.

La Terre reçoit un flux énergétique moyen de 342 W/m2. Effet de serre Quelle en est la proportion réfléchie par la Terre? La Terre reçoit un flux énergétique moyen de 342 W/m2.

Effet de serre: Albédo de la Terre En absence d’atmosphère Quelle est l'intensité du rayonnement infrarouge émis par la Terre? 30 % du flux incident sont directement réfléchis vers l'espace: l'albédo de la Terre est de 0,3 ou 30%. 70% sont absorbés: la Terre s'échauffe.

Effet de serre: Équilibre thermique de la Terre En absence d’atmosphère En cas d’équilibre thermique, les flux entrant et sortant ont même intensité! 240 W/m2 correspondent à une température de 255 K= -18°C. Ce serait la température moyenne sur Terre en absence d'effet de serre!

Effet de serre En présence d’atmosphère L'atmosphère absorbe une partie du rayonnement infrarouge terrestre. Elle thermalise cette énergie et émet elle-même un rayonnement infrarouge, en partie vers l'espace et en partie vers le sol. Le sol reçoit donc deux rayonnements: il s'échauffe au-delà de -18°C! A l’équilibre thermique, les bilans des flux énergétiques des 3 systèmes sol, atmosphère, Terre doivent être équilibrés! Quelle est l'intensité du rayonnement infrarouge partant vers l'espace?

Il doit y avoir 240 W/m2 partant vers l’espace. Effet de serre En présence d’atmosphère Il doit y avoir 240 W/m2 partant vers l’espace. Les calculs combinés aux observations ont montré que les deux flux infrarouges restants doivent être de 495 W/m2 respectivement de 325 W/m2. Or aux 495 W/m2 correspondrait une température de 33°C!!!

Or, le transfert d'énergie du sol vers l'atmosphère se fait Effet de serre En présence d’atmosphère Or, le transfert d'énergie du sol vers l'atmosphère se fait également sous forme d'un flux de chaleur latente (105 W/m2): le sol n’émet donc que 390 W/m2 ce qui équivaut à une température de 15°C! L'atmosphère a piégé 150 W/m2 par effet de serre!

Rayonnement solaire et échauffement de l’atmosphère Rayonnement solaire et échauffement de l’atmosphère. Effet de serre naturel Testez votre compréhension... 1) Pourquoi fait-il en général plus froid la nuit que le jour? 2) A quel moment d’une nuit claire le minimum de température est-il atteint? 3) A quel moment d’une journée ensoleillée le maximum de température est-il atteint? 4) Pourquoi fait-il le plus froid les nuits claires ? 5) Pourquoi le refroidissement nocturne est-il particulièrement important lorsque le sol est couvert de neige? 6) Pourquoi le refroidissement nocturne est-il particulièrement important dans les déserts? 7) Que veut dire: « L’atmosphère a piégé 150 W/m2 par effet de serre »?

Augmentation des concentrations des gaz à effet de serre

Augmentation des concentrations des gaz à effet de serre

Effet de serre anthropique. Forçage radiatif Augmentation de la concentration des gaz à effet de serre due aux activités humaines Intensification de l’effet de serre: effet de serre anthropique Intensification du flux infrarouge dirigé vers le bas Forçage radiatif Bilan radiatif déséquilibré Le sol et la basse atmosphère s’échauffent de plus en plus Comment l’équilibre thermique pourra-t-il se réinstaller?

Effet de serre anthropique. Forçage radiatif L’équilibre s’installe: le sol s’échauffe et émet un flux infrarouge plus puissant Les flux infrarouges émis par l’atmosphère deviennent également plus puissants: le flux dirigé vers l’espace retrouve sa valeur initiale avec une température du sol plus élevée Doublement de la concentration du CO2  forçage radiatif de 4 W/m2 Forçage actuel dû à tous les gaz à effet de serre: 2,6 W/m2 Animation: effet de serre anthropique

Effet de serre anthropique. Forçage radiatif Il faudra étudier les cycles biogéochimiques des différents gaz à effet de serre! Quelles sont les sources les mécanismes de transport et les puits des différents gaz à effet de serre?

Cycle géochimique du carbone Animation: Cycle du carbone CaSiO3  +  2 CO2  +  H2O  Ca2+  + 2 HCO3-  + SiO2 (1) Ca2+  + 2 HCO3-  CaCO3  +  H2O  +  CO2 (2) CaSiO3  +  CO2  CaCO3  +  SiO2

Cycle biologique du carbone

Cycle biogéochimique du carbone

Sources du méthane

Sources du méthane

Disparition du méthane Le méthane disparaît en réagissant avec le radical OH suivant un mécanisme trèps complexe. La réaction est lente. La durée de vie moyenne du méthane dans l’atmosphère est de 12 ans.

Effet de serre anthropique. Cycles du C et du CH4 Testez votre compréhension... 1) Qu’est-ce qu’on entend par « effet de serre anthropique »? 2) Montrer que la température de la surface terrestre varie aussi longtemps que le bilan radiatif de la Terre n’est pas équilibré. 3) Commenter l’affirmation: « L’augmentation de la concentration des gaz à effet de serre due aux activités humaines produit un forçage radiatif de 2,5 W/m2 . » 4) Décrire le cycle biogéochimique du carbone. 5) Quelles sont les sources du méthane atmosphérique et quels sont les mécanismes de disparition de ce méthane? Fin de la 2e partie

Température et rayonnement électromagnétique La température est une mesure de l'aptitude d'un système de particules en mouvement à fournir de l'énergie thermique à un objet. Elle reflète, non la somme de l'énergie cinétique désordonnée totale, mais sa valeur moyenne par particule.

Température et rayonnement électromagnétique Tout corps dont la température absolue T est supérieure à 0 K émet un rayonnement électromagnétique, appelé rayonnement thermique, caractérisé par une gamme de longueurs d'onde continue et large.

Température et rayonnement électromagnétique L'intensité d'un rayonnement est l'énergie rayonnée par seconde et par m2. C'est donc la puissance par m2 s'exprimant en W/m2. A température constante, l'intensité I du rayonnement thermique correspondant à une certaine longueur d'onde l dépend de l. Que devient l'allure de I=f(l) lorsque la température augmente?

Température et rayonnement électromagnétique A température croissante, l'intensité totale du rayonnement croît d'après la loi de Stefan-Boltzmann Itot = sT4 (T = température en K, s = constante), et le maximum d'émission est décalé vers les longueurs d'onde plus petites d'après la loi de Wien lmaxT = constante. Quel est le rayonnement d'un corps à température ambiante?

Température et rayonnement électromagnétique A température ambiante, les corps émettent dans le domaine de l'infrarouge. Les photos prises en infrarouge sont essentiellement des cartes de température (des couleurs plus proches du rouge représentant des rayonnements plus intenses et donc des températures plus élevées).

Température et rayonnement électromagnétique A fur et à mesure que la température augmente, l'émission du rayonnement thermique se décale de plus en plus vers la bande du spectre visible. (émission de lumière par la braise ou par une lampe à incandescence!)

Rayonnement solaire Le rayonnement du Soleil correspond à une température de 5800 K. Le maximum de l'intensité rayonnée a lieu pour le bleu et le vert. La moitié de l'intensité totale se situe dans l'infra-rouge.

Rayonnement terrestre La température moyenne sur Terre est de 288 K. La Terre émet uniquement dans l'infra-rouge Que veut dire "un corps est opaque/transparent au rayonnement"?

Absorption d’un rayonnement Un corps opaque à un rayonnement absorbe ce rayonnement: l'énergie absorbée sert à augmenter l'agitation thermique du corps, donc à l'échauffer. On dit que le corps thermalise le rayonnement absorbée! Et l'intensité du rayonnement thermique émis par le corps augmente. Quelle condition doit être remplie à l'équilibre thermique? A l'équilibre thermique, l'intensité du rayonnement absorbée est égale à celle du rayonnement thermique émis!

Absorption d’un rayonnement Retour au rayonnement solaire reçu par la Terre... Un corps transparent à un rayonnement n'absorbe pas ce rayonnement. Son agitation thermique ne peut pas augmenter. Comme le corps émet du rayonnement thermique il se refroidit et l’intensité de son rayonnement thermique va diminuer.