Ch. 1 Rayonnement solaire et bilan radiatif

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1 Ch. 1 Rayonnement solaire et bilan radiatif
rayonnement solaire = transfert d'énergie dans l'espace vide principale source d‘énergie du système Terre Océan Atmosphère (TOA) propagation à la vitesse de la lumière 1) Caractéristiques du rayonnement ondes électromagnétiques = propagation champ électrique + champ magnétique

2 F1: Spectre électromagnétique
Température du Soleil = 6000 K Émission de l’essentiel de l’énergie dans les courtes longueurs d’ondes : - visible = 0,4 à 0,7 µm à 700 nm, - PIR = 0,7 à 4 µm (astronomie) à 4000 nm (astronomie) F1: Spectre électromagnétique

3 F2 : flux incident, absorption, diffusion, réflexion, émission
Quel est le cheminement de la radiation solaire ? Flux incident Flux réfléchi Flux émis Flux diffusé Flux absorbé F2 : flux incident, absorption, diffusion, réflexion, émission L’absorption : quand les ondes électromagnétiques pénètrent dans l’objet mais ne le traverse pas ==> réchauffement de l'objet. La diffusion/dispersion : les molécules de gaz et autres particules + eau agissent comme un obstacle au rayonnement solaire. Le rayonnement est dévié par ces obstacles, qui dispersent le rayonnement unidirectionnel en multiples directions (mais intensité différente). La réflexion : le rayonnement repart dans une seule direction selon un angle avec le rayonnement incident. Dans le cas de la diffusion et de la réflexion, les ondes sont déviées par l’objet sans que leur longueur d’ondes ne subissent de changement

4  Albédo = rayonnement réfléchi / rayonnement incident
La capacité d’un objet à absorber ou à réfléchir l’énergie radiative dépend de plusieurs facteurs : - composition, - couleurs, - aspect de la surface, - angle d’incidence, - longueur d’ondes… L’albédo est le rapport qui renseigne sur la part de rayonnement absorbé et diffusé.  Albédo = rayonnement réfléchi / rayonnement incident 0 < Albédo < 1 Mer calme : 0,02-0,05 Forêt équatoriale : 0,5-0,1 Forêt boréale : 0,1-0,2 Prairies : 0,15-0,2 Sable sec : 0,25-0,3 Neige fraîche : 0,8-0,9 Surface terrestre : 0,28 F3 : Albédo

5 Fleuve Sénégal Nil Océan Atlantique Mer Rouge Dakar Nuages
Fleuve Niger Lac Tchad F4 : Mise en évidence de l'albédo terrestre. Image canal visible (0,5-0,9 µm), Meteosat 7, 01/01/1999.

6 Les solides absorbent la plupart des longueurs d'ondes.
Les gaz sont plus sélectifs ==> diffusion du rayonnement solaire vers l'espace ou la surface terrestre. Absorption ==> changement de température de l'objet

7 O2 et O3 CO2 H2O Atmosphère Longueur d’onde (µm) Absorption
Absorption à différentes longueurs de quelques composants de l’atmosphère - Absorption des UV par oxygène (O2) et ozone (O3) - Absorption des IR par le dioxyde de carbone (CO2) et la vapeur d’eau (H2O)  l’atmosphère laisse passer les longueurs d’onde du spectre visible

8 - gaz atmosphérique diffuse préférentiellement le bleu,
Couleur du soleil Matin / Soir Midi La diffusion dépend de la taille des molécules de gaz ou des particules en suspension dans l'atmosphère : - gaz atmosphérique diffuse préférentiellement le bleu, - particules solides diffusent plutôt le rouge

9 2) Energie solaire absorbée par le système TOA et effet de serre
0,002 % de la radiation totale constitue les entrées du système.

10 Soleil : corps de température = 5780 K  rayonnement
La constante solaire (C) : puissance reçue par une surface horizontale (disque) au sommet de l'atmosphère (~ 1368 W.m-2). Soleil : corps de température = 5780 K  rayonnement Loi de Stephan-Boltzmann : équivalence température  énergie rayonnée Énergie (E) : 5780 K  6, W.m-2 E x (RS/UA)2 ≈ 1368 W.m-2 (conservation de l'énergie rayonnée à travers l'espace) UA = 1, km RS = km TERRE F5 : Constante solaire au sommet de l'atmosphère le long d'un plan vertical = 1370 W.m-2, soient 342 W.m-2 sur une sphère. SOLEIL

11 1368 / 4 = 342 W.m-2 Or la Terre est une sphère aire d’un disque
aire d'une sphère donc aire du disque = aire d’une sphère / 4 342 W.m-2 1368 W.m-2 rayonnement solaire reçu sur la sphère : 1368 / 4 = 342 W.m-2 TERRE

12 Le système est en équilibre radiatif
Trajet du rayonnement solaire dans l'atmosphère F6: Absorption du rayonnement solaire et émission de rayonnement infra rouge par le système TOA. Rayonnement solaire (342 W.m-2): 30 % environ réfléchis dans l'espace (102 W.m-2)  nuages, poussières, surface 46 % absorbés par la surface (158 W.m-2 ) 240 W.m-2 24 % absorbés à différents niveaux de l'atmosphère (82 W.m-2) Émission de la Terre = 240 W.m-2 dans les IR Le système est en équilibre radiatif

13 « Effet de serre » naturel
Rayonnement IR du système = 240 W.m-2 D’après la loi de Stefan-Boltzmann1, c’est l’ équivalent en rayonnement d'un objet ayant une température de -18°C (255 K) Or la température moyenne régnant sur Terre est de 15°C environ (392 W.m-2 dans les IR) ??? Atmosphère absorbe le rayonnement IR de la surface grâce à CO2 et H20 entre autres + nuages (gaz concentrés dans les basses couches de l'atmosphère) « Effet de serre » naturel 1 où : M est le rayonnement en W.m-2, T est la température en K, σ est la constante de Stefan-Boltzmann (voir TD)

14 Schématisation de l'effet de serre
solaire IR Plaque seule : absorption OC = émission IR Vitre transparente au rayonnement solaire et opaque (absorption) au rayonnement IR; l'émission IR est donc produite par la vitre qui s'est réchauffée. A l'intérieur du système : la plaque reçoit 100 OC IR = 200. À l'équilibre la vitre doit émettre 100 vers l'extérieur. L'existence de la vitre permet l'augmentation de température à l'intérieur du système. F7 : Schématisation de l'effet de serre

15 L'équilibre radiatif est vérifié à l'échelle de la planète mais géographiquement des contrastes existent

16 Entrées (OC) Sorties (OL) Bilan (OC-OL) F8 : Les trois cartes montrent la radiation ondes courtes absorbée par le système TOA (haut); la radiation ondes longues (milieu) et la radiation nette (bas) donnée par la différence entre les 2 cartes. Unités : W.m-2; Données ERBE (moyenne annuelle Février 1985-Avril 1989).

17 F9 : Animation des bilans ondes courtes, ondes longues et radiatif net
F9 : Animation des bilans ondes courtes, ondes longues et radiatif net du système TOA

18 3) Variations de l'ensoleillement
Entrées de radiations solaires non constantes dans l'espace et le temps du fait de : - la rotation de la Terre, - l’orbite autour du Soleil, - l’inclinaison de l'axe de rotation de 23,5° environ 3.1 Variations diurnes rotation de la Terre + inclinaison sur son axe

19 F10: a,b) incidence du rayonnement solaire en surface.