Le bilan radiatif terrestre et l’équilibre énergétique

Introduction

Si tu as déjà ressenti la chaleur d’un radiateur, tu sais qu’il émet de l’énergie sous forme de rayonnement invisible. La Terre se comporte de manière similaire : après avoir reçu l’énergie lumineuse du Soleil, elle en réémet une partie sous forme de rayonnement infrarouge. Ce va-et-vient énergétique entre l’entrée et la sortie détermine la température moyenne de notre planète. Mais l’atmosphère intervient dans ce processus grâce à un phénomène essentiel, l’effet de serre, qui permet à la Terre de rester habitable. Comprendre ce bilan radiatif terrestre est indispensable pour expliquer la stabilité relative du climat et les dérèglements liés aux activités humaines.

Le rayonnement infrarouge émis par la Terre

La puissance solaire incidente au sommet de l’atmosphère est la constante solaire ($≈ 1~360~W·m⁻²$ pour une surface perpendiculaire aux rayons). En tenant compte de la forme sphérique de la Terre et de son albédo moyen ($≈ 0,3$, soit 30 % de l’énergie renvoyée vers l’espace), la puissance moyenne absorbée par unité de surface terrestre est d’environ $≈ 240~W·m⁻²$. Ce chiffre correspond à l’énergie effectivement disponible pour chauffer la surface et l’atmosphère.

Comme tout corps chaud, la Terre réémet l’énergie absorbée sous forme de rayonnement. Mais sa température moyenne ($≈ 288 K$, soit +15 °C) étant beaucoup plus basse que celle du Soleil ($≈ 5~800~K$), l’émission se situe dans le domaine infrarouge, autour d’une longueur d’onde moyenne de $10~µm$.

La loi de Stefan-Boltzmann permet de relier la puissance rayonnée par unité de surface à la température $P$ (flux radiatif émis). Unité : $W·m⁻²$ (watt par mètre carré) :

$P = \sigma T^4$, avec la constante de Stefan-Boltzmann $σ = 5,67 × 10⁻⁸ W·m⁻²·K⁻⁴$

$T$ : température absolue de la surface, en kelvins ($K$).

$W·m⁻²·K⁻⁴$ est l’unité en watts par mètre carré et par kelvin puissance -4.

Sans atmosphère, l’équilibre entre puissance absorbée et puissance émise donnerait une température moyenne de surface d’environ –18 °C, bien inférieure à la température réelle. Ce calcul simple montre que l’atmosphère joue un rôle essentiel.

À retenir

La Terre absorbe en moyenne environ 240 W·m⁻² après réflexion d’une partie du rayonnement (albédo). Elle réémet cette énergie en infrarouge, autour de 10 µm. Sans atmosphère, la loi de Stefan-Boltzmann conduit à une température d’équilibre de –18 °C.

Le rôle de l’effet de serre

L’atmosphère n’est pas transparente à tout le rayonnement infrarouge émis par la Terre. Des gaz comme la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone (CO₂), le méthane (CH₄) ou le protoxyde d’azote (N₂O) absorbent une partie de ce rayonnement. Ils le réémettent ensuite dans toutes les directions, y compris vers la surface terrestre. Ce mécanisme est appelé effet de serre.

L’effet de serre est un phénomène naturel et vital : grâce à lui, la température moyenne terrestre atteint environ +15 °C au lieu de –18 °C, rendant la vie possible. Mais l’augmentation des concentrations de gaz à effet de serre, liée aux activités humaines (combustion des énergies fossiles, déforestation, agriculture), renforce ce phénomène et entraîne une élévation progressive de la température moyenne mondiale : c’est le réchauffement climatique.

Cette idée s’est construite progressivement :

• Dès 1824, Joseph Fourier émet l’hypothèse que l’atmosphère agit comme une « couverture » qui retient la chaleur.

• En 1859, John Tyndall montre expérimentalement que certains gaz absorbent le rayonnement infrarouge.

• En 1896, Svante Arrhenius calcule que la concentration en CO₂ influence directement la température terrestre.

Ces travaux marquent la naissance de la notion scientifique d’effet de serre.

À retenir

L’effet de serre maintient la Terre à une température clémente. Sa découverte résulte d’une longue construction scientifique (Fourier, Tyndall, Arrhenius). Son intensification par les activités humaines perturbe l’équilibre et provoque un réchauffement global.

L’équilibre énergétique dynamique

Le bilan radiatif terrestre repose sur un équilibre entre l’énergie reçue du Soleil et l’énergie réémise par la Terre. Cet équilibre est dit dynamique car il s’établit en permanence : à tout instant, la Terre absorbe de l’énergie solaire et émet de l’énergie infrarouge.

Deux paramètres clés interviennent :

• l’albédo, qui détermine la fraction du rayonnement solaire réfléchie vers l’espace (≈ 30 %) ;

• l’effet de serre, qui régule la part de rayonnement infrarouge retenue par l’atmosphère.

Lorsque l’énergie absorbée est égale à l’énergie émise, la température moyenne de la Terre reste stable. Si l’une des deux composantes change (par exemple, une diminution de l’albédo due à la fonte des glaces, ou une augmentation de l’effet de serre liée aux gaz atmosphériques), l’équilibre est rompu. La Terre s’ajuste alors en changeant sa température jusqu’à atteindre un nouveau point d’équilibre.

Exemple : l’augmentation du CO₂ depuis la révolution industrielle réduit la part de rayonnement infrarouge qui s’échappe vers l’espace. La planète conserve plus d’énergie qu’elle n’en perd, ce qui entraîne une élévation progressive de sa température moyenne.

À retenir

Le bilan radiatif repose sur un équilibre dynamique entre l’énergie reçue (modulée par l’albédo) et l’énergie émise (modulée par l’effet de serre). Toute perturbation modifie la température moyenne terrestre.

Conclusion

Le rayonnement infrarouge, l’albédo et l’effet de serre structurent le bilan radiatif terrestre. Naturellement, ce mécanisme maintient une température moyenne d’environ +15 °C, rendant la Terre habitable. Mais la hausse des gaz à effet de serre et la diminution de l’albédo global perturbent cet équilibre dynamique. Résultat : un réchauffement climatique global, identifié depuis les travaux de Fourier, Tyndall et Arrhenius, qui constitue aujourd’hui l’un des défis scientifiques et sociétaux majeurs.