MODÈLE DE BILAN D’ÉNERGIE TERRESTRE

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1 MODÈLE DE BILAN D’ÉNERGIE TERRESTRE
Modèle numérique interactif doté de 4 paramètres ajustables : 1) a albédo planétaire 2) ta transmissivité atmosphérique infrarouge 3) Dm profondeur de l’océan actif 4) Fs intensité de la radiation solaire

2 Objectifs Ce modèle permet de simuler l’évolution de la température moyenne globale de surface du système Terre-Atmosphère soumis à l’influence de l’absorption de la radiation solaire ainsi qu’à la déperdition de rayonnement infrarouge. La température, T, évolue à partir d’une valeur initiale arbitraire, To, vers une valeur constante lorsque l’équilibre entre l’absorption de l’énergie solaire et l’émission de rayonnement infrarouge est réalisé. L’absorption d’énergie solaire dépend de l’albédo, a, tandis que la déperdition de rayonnement infrarouge est contrôlé par la transmissivité atmosphérique, ta. La température dépend aussi de l’intensité de la radiation solaire au sommet de l’atmosphère par l’entremise du paramètre Fs qui en ajuste l’intensité. Finalement, la capacité thermique du système est déterminée en grande partie par la profondeur de la couche mélangée des océans, Dm, également désignée «couche active». schéma

3 Menu Principal Définitions a ta Dm Fs Simulations
Conclusions générales

4 a : albédo planétaire L’albédo planétaire détermine le pouvoir de réflexion du système Terre-Atmosphère global à l’égard du rayonnement solaire. Il est représenté par un paramètre variant de 0 à 1. La réflexion est produite par les effets combinés du sol (océans, forêts, glaces, etc) et de l’atmosphère (air, nuages, aérosols, etc). a = 0 absorption intégrale de la radiation solaire incidente par le système 0.3 valeur observée 0.5 le système absorbe 50% et réfléchit 50% de la radiation solaire incidente 1.0 le système réfléchit l’intégralité de la radiation solaire incidente

5 ta : transmissivité atmosphérique infrarouge
La transmissivité atmosphérique détermine la transparence de l’atmosphère à l’égard du rayonnement infrarouge. Elle est représentée par un paramètre variant de 0 à 1. L’inverse de la transparence, donc l’opacité, est produite par l’absorption du rayonnement infrarouge par les composants de l’atmosphère (air, nuages, aérosols, etc). ta = 0 le système est opaque à l’égard du rayonnement infrarouge 0.60 valeur obtenue lorsque la concentration des gaz à effet de serre augmente (ex. 2xCO2) 0.62 valeur observée actuellement 1.0 l’atmosphère est totalement transparente à l’égard du rayonnement infrarouge

6 Dm : profondeur de l’océan actif
La couche océanique de surface qui répond le plus rapidement aux sollicitations atmosphériques est une couche bien mélangée dans laquelle les conditions thermiques sont à peu près constantes. La profondeur de la couche active varie d’environ 50m à 200m et est produite par la turbulence de l’eau qui mélange ainsi les propriétés. Dm = 50 m couche peu profonde, capacité thermique réduite et réaction rapide du système = 200 m couche profonde, capacité thermique importante et réaction lente du système

7 Fs : intensité de la radiation solaire
Ce paramètre détermine l’intensité de la radiation solaire incidente. Le soleil émet des ondes électromagnétiques dont le spectre est composé de radiations de longueurs d’ondes variant entre 0.3 mm et 4 mm. L’intensité du flux de radiation, Io, est de 1370 W m-2 au sommet de l’atmosphère. Fs = 0 le flux de radiation est nul 0.9 le flux vaut 90% de Io soit 685 W m-2 1.1 le flux vaut 110% de Io soit 1507 W m-2

8 Simulations 1) Terre sans Atmosphère 2) Climat actuel
Proposition de 3 situations pour la simulation de l’évolution de la température globale moyenne de surface : 1) Terre sans Atmosphère 2) Climat actuel 3) Doublement des concentrations de CO2 atmosphérique 4) Influence des aérosols 5) Influence des taches solaires

9 Modèle de Bilan d’Énergie Terrestre
Fs intensité de la radiation solaire = 1 soleil actuel = 0.5 intensité solaire réduite de moitié a réflexion de la radiation solaire = 0.3 valeur observée = 0.5 présence accrue de nuages T température globale moyenne de la Terre. Résulte de l’équilibre existant entre la radiation solaire absorbée et la déperdition de rayonnement infrarouge Ds océan «actif» = 20 m peu profond = 200 m profond déperdition de rayonnement infrarouge vers l’espace ta transparence atmosphérique à l’égard du rayonnement infrarouge = Terre hypothétique sans atmosphère = 0.62 valeur observée = 0.60 atmosphère enrichie en gaz à effet de serre © Stéphane Goyette

10 Simulation d’une Terre sans atmosphère…
L’absence d’atmosphère induit une transparence totale à l’égard du rayonnement infrarouge, le système se comporte alors comme un «corps noir*». Cette situation implique que le rayonnement infrarouge émis depuis la surface de la Terre, suite à l’absorption de la radiation solaire, est perdu en totalité vers l’espace. Alors, ta = 1 Fs = 1 , la radiation solaire incidente est de 1370 W m-2 hypothèse: a = 0.3 , la réflexion est causée par la surface uniquement Dm= 200 m, la capacité thermique des océans est fixée températures initiales de la simulation To = +50C, départ «chaud» To = -50C, départ «froid» (*)

11 Corps Noir La définition traditionnelle du corps noir est celle d’un objet théorique (solide, liquide ou gazeux) qui absorbe toutes les radiations incidentes sur lui. Aussi, tout corps noir émet un rayonnement proportionnel à la 4e puissance de sa température selon la loi de Stefan-Boltzmann. Le pic d’émissivité maximal est inversement proportionnel à sa température selon la loi de Wien. © Stéphane Goyette

12 Évolution de la température moyenne globale pour le cas d’une Terre sans atmosphère
discussion

13 Discussion La température décroît fortement depuis sa valeur initiale de +50C pour se stabiliser à -18.2C après 30 années de simulation. En effet, une température initiale trop élevée induit une déperdition d’énergie infrarouge qui n’est pas compensée par le gain résultant de l’absorption d’énergie solaire: le système est alors hors d’équilibre. Par conséquent, la perte favorise une décroissance de T jusqu’à ce que la déperdition d’énergie infrarouge équilibre le gain d’énergie solaire. En conclusion, une Terre dénuée d’atmosphère constitue un système «froid», en dépit de la condition initiale To plutôt élevée.

14 Évolution de la température moyenne globale pour le cas d’une Terre sans atmosphère
discussion

15 Discussion La température croît fortement depuis sa valeur initiale de -50C pour se stabiliser à -18.2C après 30 années de simulation. En effet, d’une température initiale trop faible découle un gain résultant de l’absorption d’énergie solaire qui n’est pas compensé par la déperdition d’énergie infrarouge : le système est alors hors d’équilibre. Par conséquent, le gain favorise une croissance de T jusqu’à ce que la perte d’énergie infrarouge équilibre l’absorption d’énergie solaire. En conclusion, une Terre dénuée d’atmosphère demeure un système «froid», malgré le réchauffement du système depuis la condition initiale très froide.

16 Simulation de la température moyenne globale actuelle…
Afin de simuler la température moyenne globale de surface observée, il faut initialiser le modèle avec des caractéristiques radiatives et thermiques «observées» du système Terre-Atmosphère. Cette situation implique une prise en compte des mesures des divers éléments, ce qui nous permet de prescrire les valeurs suivantes : ta = 0.62, valeur mesurée depuis l’espace Fs = 1 , radiation solaire de 1370 W m-2 mesurée depuis l’espace a = 0.3 , valeur mesurée depuis l’espace températures initiales océan Dm = 50 m To = +50C, départ «chaud» Dm = 200 m To = -50C, départ «froid» Dm = 50 m Dm = 200 m

17 Évolution de la température moyenne globale pour des conditions actuelles du système Terre-Atmosphère discussion

18 Discussion La température décroît depuis sa valeur initiale de +50C pour se stabiliser à +14.2C après 10 années de simulation. En effet, une température initiale trop élevée induit une déperdition d’énergie infrarouge qui n’est pas compensée par le gain dû à l’absorption d’énergie solaire: le système est alors hors d’équilibre. Par conséquent, ces pertes favorisent une décroissance de T jusqu’à ce que la déperdition d’énergie infrarouge équilibre l’énergie solaire absorbée. En conclusion, l’atmosphère induit un environnement «favorable» au développement de la vie car en plus d’être un mélange gazeux nécessaire à la respiration, sa présence sur Terre crée un effet de serre naturel qui maintient la température moyenne globale à +14.2C comparativement à -18.2C en son absence. L’effet de serre naturel est ici défini par DT = +32.4C, mesure confirmée par les observations.

19 Évolution de la température moyenne globale pour des conditions actuelles du système Terre-Atmosphère discussion

20 Discussion La température décroît depuis sa valeur initiale de +50C pour se stabiliser à +14.2C après 30 années de simulation. En effet, une température initiale trop élevée induit une déperdition d’énergie infrarouge qui n’est pas compensée par le gain dû à l’absorption d’énergie solaire: le système est alors hors d’équilibre. Par conséquent, ces pertes favorisent une décroissance de T jusqu’à ce que la déperdition d’énergie infrarouge équilibre le gain d’énergie solaire. En conclusion, l’atmosphère induit un environnement «favorable» au développement de la vie car en plus d’être un mélange gazeux nécessaire à la respiration, sa présence sur Terre crée un effet de serre naturel qui maintient la température moyenne globale à +14.2C comparativement à -18.2C en son absence. L’effet de serre naturel est ici défini par DT = C, mesure confirmée par les observations. La profondeur océanique de 200 m allonge considérablement le temps pour que T parvienne à l’équilibre.

21 Évolution de la température moyenne globale pour des conditions actuelles du système Terre-Atmosphère discussion

22 Discussion La température croît fortement depuis sa valeur initiale de -50C pour se stabiliser à +14.2C après 10 années de simulation. En effet, d’une température initiale trop faible découle un gain dû à l’absorption d’énergie solaire qui n’est pas compensée par la déperdition d’énergie infrarouge : le système est alors hors d’équilibre. Par conséquent, le gain favorise une croissance de T jusqu’à ce que la perte d’énergie infrarouge équilibre l’absorption d’énergie solaire. En conclusion, l’atmosphère induit un environnement «favorable» au développement de la vie car en plus d’être un mélange gazeux nécessaire à la respiration, sa présence sur Terre crée un effet de serre naturel qui maintient la température moyenne globale à +14.2C comparativement à -18.2C en son absence et, ceci, indépendamment des conditions initiales, To, de la simulation !

23 Évolution de la température moyenne globale pour des conditions actuelles du système Terre-Atmosphère discussion

24 Discussion La température croît fortement depuis sa valeur initiale de -50C pour se stabiliser à +14.2C après 30 années de simulation. En effet, d’une température initiale trop faible découle un gain dû à l’absorption d’énergie solaire qui n’est pas compensée par la déperdition d’énergie infrarouge : le système est alors hors d’équilibre. Par conséquent, le gain favorise une croissance de T jusqu’à ce que la déperdition d’énergie infrarouge équilibre l’absorption d’énergie solaire. En conclusion, l’atmosphère induit un environnement «favorable» au développement de la vie car en plus d’être un mélange gazeux nécessaire à la respiration, sa présence sur Terre crée un effet de serre naturel qui maintient la température moyenne globale à +14.2C comparativement à -18.2C en son absence et, ceci, indépendamment des conditions initiales, To, de la simulation ! La profondeur océanique de 200 m allonge le temps pour que T parvienne à l’équilibre.

25 Simulation de la température moyenne globale suite au doublement du CO2…
Le doublement des concentrations de CO2 atmosphérique induit une augmentation de l’opacité de l’atmosphère à l’égard du rayonnement infrarouge. Afin de simuler cette situation nous devons alors considérer les valeurs suivantes : ta = 0.60, valeur initiale réduite de 2.4% Fs = 1 , radiation solaire de 1370 W m-2 mesurée depuis l’espace a = 0.3 , valeur actuelle Dm = 200 m profondeur fixe températures initiales To = +50C, départ «chaud» To = -50C, départ «froid»

26 Évolution de la température moyenne globale pour des conditions 2 x CO2
discussion

27 Discussion La température décroît depuis sa valeur initiale de +50C pour se stabiliser à +16.6C après 30 années de simulation. En effet, une température initiale trop élevée induit une déperdition d’énergie infrarouge qui n’est pas compensée par le gain dû à l’absorption d’énergie solaire: le système est alors hors d’équilibre. Par conséquent, ces pertes favorisent une décroissance de T jusqu’à ce que la déperdition d’énergie infrarouge équilibre le gain d’énergie solaire. En conclusion, une atmosphère enrichie en dioxyde de carbone (CO2) induit une perturbation de l’effet de serre naturel se traduisant par une hausse supplémentaire des températures d’environ 2.4C.

28 Évolution de la température moyenne globale pour des conditions 2 x CO2
discussion

29 Discussion La température croît fortement depuis sa valeur initiale de -50C pour se stabiliser à +16.6C après 30 années de simulation. En effet, d’une température initiale trop faible découle un gain dû à l’absorption d’énergie solaire qui n’est pas compensé par la déperdition d’énergie infrarouge : le système est alors hors d’équilibre. Par conséquent, le gain favorise une croissance de T jusqu’à ce que la déperdition d’énergie infrarouge équilibre l’absorption d’énergie solaire. En conclusion, une atmosphère enrichie en dioxyde de carbone (CO2) induit une perturbation de l’effet de serre naturel se traduisant par une hausse supplémentaire des températures d’environ 2.4C.

30 Simulation de la température moyenne globale suite à l’augmentation de la charge en aérosols de l’atmosphère Les aérosols atmosphériques ont pour effet d’augmenter l’albédo planétaire et de diminuer la transparence de l’atmosphère à l’égard du rayonnement infrarouge. D’où : ta = 0.61, valeur initiale réduite de 1.6 % Fs = 1 , radiation solaire de 1370 W m-2 mesurée depuis l’espace a = 0.32 , valeur augmentée de 6.6 % Dm = 200 m profondeur fixe températures initiales To = +50C, départ «chaud» To = -50C, départ «froid»

31 Évolution de la température moyenne globale pour une atmosphère chargée en aérosols
discussion

32 Discussion La température croît fortement depuis sa valeur initiale de -50C pour se stabiliser à +13.3C après 30 années de simulation. En effet, d’une température initiale trop faible découle un gain dû à l’absorption d’énergie solaire qui n’est pas compensé par la déperdition d’énergie infrarouge : le système est alors hors d’équilibre. Par conséquent, le gain favorise une croissance de T jusqu’à ce que la déperdition d’énergie infrarouge équilibre l’absorption d’énergie solaire. En conclusion, une atmosphère enrichie en aérosols produit une réflexion de la radiation solaire qui n’est pas entièrement compensée par l’absorption de rayonnement infrarouge: la température moyenne globale est donc réduite de 0.9C par rapport à la température moyenne globale actuelle.

33 Évolution de la température moyenne globale pour une atmosphère chargée en aérosols
discussion

34 Discussion La température décroît depuis sa valeur initiale de +50C pour se stabiliser à +13.3C après 30 années de simulation. En effet, une température initiale trop élevée induit une déperdition d’énergie infrarouge qui n’est pas compensée par le gain dû à l’absorption d’énergie solaire: le système est alors hors d’équilibre. Par conséquent, ces pertes favorisent une décroissance de T jusqu’à ce que la déperdition d’énergie infrarouge équilibre le gain d’énergie solaire. En conclusion, une atmosphère enrichie en aérosols produit une réflexion de la radiation solaire qui n’est pas entièrement compensée par l’absorption de rayonnement infrarouge, malgré les conditions initiales plutôt favorables: la température moyenne globale est donc réduite de 0.9C par rapport à la température moyenne globale actuelle.

35 Simulation de la température moyenne globale suite à une augmentation des taches solaires
Les taches solaires ont pour effet d’augmenter l’intensité du flux incident de radiation solaire sur la Terre. Alors, afin de simuler la température globale moyenne nous devons considérer les valeurs suivantes : ta = 0.62, valeur actuelle Fs = , radiation solaire haussée de 0.5% a = 0.3 , valeur actuelle Dm = 200 m profondeur fixe températures initiales To = -50C, départ «froid»

36 Évolution de la température moyenne globale suite à une augmentation des taches solaires
discussion

37 Discussion La température croît fortement depuis sa valeur initiale de -50C pour se stabiliser à +14.5C après 30 années de simulation. En effet, d’une température initiale trop faible découle un gain dû à l’absorption d’énergie solaire qui n’est pas compensé par la déperdition d’énergie infrarouge : le système est alors hors d’équilibre. Par conséquent, le gain favorise une croissance de T jusqu’à ce que la déperdition d’énergie infrarouge équilibre l’absorption d’énergie solaire. En conclusion, la température d’équilibre simulée lors d’une augmentation du nombre de taches solaires est plus élevée de celle actuelle de 0.3C. Toutefois, il est difficile de conclure fermement à propos d’une influence directe de ce phénomène sur le climat sur Terre, celle-ci pouvant être masqué par d’autres variations naturelles.

38 Conclusions Générales
Ce modèle de bilan d’énergie planétaire nous permet de d’analyser le rôle joué par les caractéristiques radiatives et thermiques du système Terre-Atmosphère global. La présence d’une atmosphère induit un effet de serre naturel qui maintient la température moyenne globale à 14.2C, soit 32.4C de plus qu’une Terre dénuée d’atmosphère. La capacité thermique de l’eau détermine la rapidité avec laquelle le système retrouve un équilibre énergétique, i.e. l’équilibre entre l’énergie solaire absorbée et l’énergie infrarouge émise. L’intensité de la radiation solaire influe directement sur la quantité d’énergie disponible et donc sur la température du système Terre-Atmosphère. L’effet des aérosols est cependant plus délicat à analyser avec ce modèle car la température moyenne globale dépend d’un équilibre subtil entre la réflexion de la radiation solaire et de l’absorption du rayonnement infrarouge. MENU FIN