Lernzettel: Les mécanismes du bilan radiatif terrestre

📋 Plan du Cours

1. Spectres solaires et transmission atmosphérique
2. Absorption des infrarouges par les gaz atmosphériques
3. Devenir du rayonnement solaire et terrestre
4. Effet de serre : absorption puis réémission des IR
5. Albédo : définition et rôle du rayonnement réfléchi
6. Variations d’albédo selon les surfaces terrestres
7. Albédo et mécanismes amplificateurs du climat
8. Bilan radiatif et température des planètes
9. Températures théoriques et mesurées des planètes telluriques
10. Forçage radiatif et flux d’énergie à l’équilibre

📖 1. Spectres solaires et transmission atmosphérique

🔑 Notions clés & Définitions

• Spectre solaire : Le spectre solaire décrit la répartition de l’énergie du Soleil selon la longueur d’onde, notamment dans le visible et le proche infrarouge.
• Transmission atmosphérique : La transmission atmosphérique correspond à la fraction du rayonnement solaire qui traverse l’atmosphère jusqu’au sol.
• Fenêtres spectrales : Les fenêtres spectrales sont les zones de longueurs d’onde où l’atmosphère laisse passer davantage le rayonnement.

📝 Points essentiels

• Environ 70 à 75% du rayonnement solaire est transmis depuis le Soleil vers la Terre.
• Le rayonnement solaire incident couvre UV, visible et infrarouge, mais l’atmosphère ne transmet pas tout de la même façon.
• Une partie du rayonnement solaire est absorbée ou diffusée par l’atmosphère avant d’atteindre le sol.
• Le document relie le spectre solaire (en µm) aux longueurs d’onde réellement transmises par l’atmosphère.
• La Terre ne reçoit pas l’intégralité de l’énergie solaire car l’atmosphère bloque une partie des longueurs d’onde.

💡 Astuce mémo

Fenêtres spectrales = “trous” dans l’atmosphère où la lumière passe.

📖 2. Absorption des infrarouges par les gaz atmosphériques

🔑 Notions clés & Définitions

• Gaz à effet de serre : Les gaz à effet de serre sont des gaz atmosphériques capables d’absorber une partie du rayonnement infrarouge émis par la surface.
• Absorption IR : L’absorption IR est le mécanisme par lequel un gaz capte des photons infrarouges à des longueurs d’onde spécifiques.
• H2O : La vapeur d’eau est un gaz qui absorbe des infrarouges autour de 3 µm et 6 µm.
• CO2 : Le dioxyde de carbone absorbe des infrarouges autour de 4,2 µm et 15 µm.
• CH4 : Le méthane absorbe des infrarouges autour de 3,5 µm, 4,2 µm et 7 µm.

📝 Points essentiels

• H2O absorbe surtout autour de 3 µm et 6 µm.
• CO2 absorbe surtout autour de 4,2 µm et 15 µm.
• O3 absorbe surtout autour de 10 µm et 14,5 µm.
• CH4 absorbe surtout autour de 3,5 µm, 4,2 µm et 7 µm.
• L’absorption IR crée un écart entre ce qui est émis par la Terre et ce qui est réellement transmis vers l’espace.
• 1 micromètre vaut 1 000 nanomètres.

💡 Astuce mémo

CO2 = 4,2 µm et 15 µm (les “deux pics” à retenir).

📖 3. Devenir du rayonnement solaire et terrestre

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayonnement solaire incident : Le rayonnement solaire incident est l’énergie reçue par la Terre depuis le Soleil avant ses pertes par réflexion et absorption.
• Albédo terrestre : L’albédo terrestre mesure la part du rayonnement solaire réfléchi par la surface vers l’espace.
• Rayonnement infrarouge thermique : Le rayonnement infrarouge thermique est l’énergie que la Terre réchauffée émet vers l’atmosphère et l’espace.
• Transmission vers l’espace : La transmission vers l’espace est la fraction du rayonnement qui traverse l’atmosphère et s’échappe sans être absorbée.

📝 Points essentiels

• Le rayonnement solaire incident est en partie réfléchi vers l’espace par diffusion (faible partie) puis une grande part atteint la surface.
• Une fraction du rayonnement solaire transmis est absorbée par l’atmosphère (70 W.m²).
• Le reste du rayonnement solaire atteint la surface puis est partagé entre réflexion (albédo) et absorption par le sol (170 W.m²).
• L’albédo terrestre correspond à la part réfléchie vers l’espace (102 W.m²).
• La Terre émet ensuite un rayonnement infrarouge thermique (IR) vers l’atmosphère.
• La présence de l’atmosphère modifie ce qui est transmis : la courbe “sans atmosphère” diffère de la courbe “réellement transmise”.

💡 Astuce mémo

Bilan simple : Soleil → (réfléchi + absorbé) ; Terre chauffée → IR → (absorbé + échappé).

📖 4. Effet de serre : absorption puis réémission des IR

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet de serre : L’effet de serre est le processus où des gaz absorbent des IR terrestres puis en réémettent une partie vers la surface, limitant la perte vers l’espace.
• Absorption des IR par les GES : L’absorption des IR par les GES est la capture d’une partie du rayonnement infrarouge émis par la surface par H2O, CO2 et CH4.
• Réémission dans toutes les directions : La réémission dans toutes les directions est l’émission d’IR par les gaz échauffés vers l’espace et vers la Terre.
• Pure perte pour la Terre : La pure perte pour la Terre correspond à la fraction d’IR réémise par l’atmosphère qui part vers l’espace au lieu de revenir au sol.

📝 Points essentiels

• Les IR émis par la Terre sont en grande partie absorbés par les gaz à effet de serre (H2O, CO2, CH4).
• L’absorption d’IR par les GES provoque un échauffement de l’atmosphère.
• Les GES échauffés réémettent des IR dans toutes les directions.
• Une partie de cette réémission part vers l’espace et constitue une perte pour la Terre.
• Une autre partie revient vers la surface et constitue l’effet de serre.
• L’effet de serre est donc défini par la fraction d’IR réémise vers la Terre.

💡 Astuce mémo

GES = “absorbe puis renvoie” : une partie revient au sol → réchauffement.

📖 5. Albédo : définition et rôle du rayonnement réfléchi

🔑 Notions clés & Définitions

• Albédo : L’albédo est le rapport entre l’énergie lumineuse réfléchie par une surface et l’énergie lumineuse qu’elle reçoit.
• Surface parfaitement réfléchissante : Une surface parfaitement réfléchissante a un albédo égal à 1.
• Surface parfaitement sombre : Une surface parfaitement sombre correspond à un albédo proche de 0.
• Rayonnement réfléchi : Le rayonnement réfléchi est la part du rayonnement solaire renvoyée vers l’espace par la surface et l’atmosphère.

📝 Points essentiels

• Une partie du rayonnement solaire est réfléchie vers l’espace par la surface terrestre.
• L’atmosphère, les nuages et les surfaces (océans, continents) réfléchissent plus ou moins les radiations solaires.
• L’énergie réfléchie est une perte pour la Terre car elle ne contribue pas au chauffage du sol.
• L’albédo est un rapport entre énergie réfléchie et énergie reçue.
• L’albédo vaut 1 pour une réflexion parfaite.
• Un albédo faible correspond à une surface plus sombre.

💡 Astuce mémo

Albédo = “réfléchi / reçu” : plus c’est clair, plus ça renvoie.

📖 6. Variations d’albédo selon les surfaces terrestres

🔑 Notions clés & Définitions

• Neige et glace : La neige et la glace ont un albédo élevé, donc elles réfléchissent fortement le rayonnement solaire.
• Océans : Les océans ont un albédo intermédiaire, dépendant notamment de la configuration d’éclairage.
• Déserts : Les déserts ont un albédo plutôt faible à intermédiaire selon les conditions de surface.
• Végétation : La végétation présente un albédo plus faible que la neige et la glace, mais plus élevé que des surfaces très sombres.
• Nuages : Les nuages réfléchissent une part significative du rayonnement solaire, avec un albédo global intermédiaire.

📝 Points essentiels

• Neige fraîche, soleil haut : albédo 0,80 à 0,85.
• Neige fraîche, soleil bas : albédo 0,50 à 0,60.
• Herbe : albédo 0,20 à 0,30.
• Terre sèche : albédo 0,05 à 0,10.
• Forêt : albédo 0,15 à 0,25.
• Océans (soleil horizontal) : albédo 0,50 à 0,80.

💡 Astuce mémo

Neige = très réfléchissante (0,8 environ), herbe/forêt = autour de 0,2.

📖 7. Albédo et mécanismes amplificateurs du climat

🔑 Notions clés & Définitions

• Mécanisme amplificateur du climat : Un mécanisme amplificateur du climat est une boucle où une modification initiale entraîne des changements qui renforcent le réchauffement ou le refroidissement.
• Banquise arctique : La banquise arctique est une surface de glace dont la diminution modifie l’albédo global.
• Fonte de la banquise : La fonte de la banquise est la réduction de la surface glacée, ce qui diminue la réflexion du rayonnement solaire.

📝 Points essentiels

• Les surfaces très réfléchissantes (neige et glace) ont un albédo élevé, donc elles renvoient davantage vers l’espace.
• Si la banquise diminue, la surface remplacée par des zones moins réfléchissantes réduit l’albédo.
• Une baisse d’albédo augmente l’énergie absorbée par la Terre, ce qui favorise le réchauffement.
• Le document 4 demande d’expliquer un mécanisme amplificateur à partir de l’évolution 1979-2018.
• Le scénario attendu repose sur une relation cause→effet entre réchauffement, fonte et albédo.
• Le schéma demandé doit relier la variation d’albédo à la variation d’énergie absorbée.

💡 Astuce mémo

Fonte → moins de glace → albédo ↓ → absorption ↑ → réchauffement ↑.

📖 8. Bilan radiatif et température des planètes

🔑 Notions clés & Définitions

• Bilan radiatif : Le bilan radiatif est la différence entre l’énergie reçue (solaire absorbée) et l’énergie émise vers l’espace par la planète.
• Flux d’énergie à l’équilibre : Le flux d’énergie à l’équilibre est l’état où les gains et pertes radiatifs se compensent à l’échelle considérée.
• Rayonnement incident : Le rayonnement incident est l’énergie solaire reçue par la planète avant d’être réfléchie et avant absorption.
• Rayonnement émis : Le rayonnement émis est l’énergie thermique renvoyée vers l’espace par la planète.

📝 Points essentiels

• Le bilan radiatif compare le flux incident moins le rayonnement émis vers l’espace.
• Le flux solaire absorbé correspond à la différence entre rayonnement incident et rayonnement réfléchi.
• Le bilan radiatif s’exprime en termes de flux d’énergie à l’échelle de la planète.
• À l’équilibre, la différence entre énergie reçue et énergie émise s’annule (ou devient constante).
• Le réchauffement de la planète sur environ 50 ans n’est pas décrit comme une serre parfaite.
• Le document donne une valeur de différence au niveau de la Terre : 130 W/m².

💡 Astuce mémo

Bilan radiatif = (absorbé) − (émis) : à l’équilibre, ça se compense.

📖 9. Températures théoriques et mesurées des planètes telluriques

🔑 Notions clés & Définitions

• Température moyenne théorique : La température moyenne théorique est une estimation calculée à partir des paramètres orbitaux et du bilan radiatif simplifié.
• Température moyenne mesurée : La température moyenne mesurée est la valeur observée à la surface d’un corps planétaire.
• Écart entre températures : L’écart entre températures est la différence entre la valeur théorique et la valeur mesurée pour une planète donnée.
• Atmosphère et effet de serre : L’atmosphère peut modifier la température réelle en renforçant l’effet de serre par absorption et réémission des IR.

📝 Points essentiels

• Le but de l’activité est de comparer températures calculées (théoriques) et températures réellement mesurées pour les planètes telluriques et la Lune.
• Les hypothèses explicatives portent sur les paramètres qui contrôlent la proportion de puissance solaire réellement reçue.
• Le tableau fournit des températures théoriques et mesurées pour Mercure, Vénus, Terre et la Lune.
• Vénus : température théorique 29 °C et température mesurée 477 °C, soit un écart de 448 °C.
• Terre : température théorique 15 °C et température mesurée 15 °C, avec écart non renseigné (pas d’écart).
• Lune : température théorique -17 °C et température mesurée -18 °C, avec écart non renseigné (proche).

💡 Astuce mémo

Grand écart = atmosphère très efficace (ex : Vénus).

📖 10. Forçage radiatif et flux d’énergie à l’équilibre

🔑 Notions clés & Définitions

• Forçage radiatif : Le forçage radiatif est la modification du bilan radiatif qui déséquilibre temporairement l’énergie reçue et l’énergie émise.
• Flux d’énergie à l’équilibre : Le flux d’énergie à l’équilibre décrit la compensation radiative quand la planète atteint un régime stable.
• Serre non parfaite : Une serre non parfaite signifie que la planète n’émet pas exactement comme un système idéal, donc le bilan radiatif reste non nul.

📝 Points essentiels

• Le bilan radiatif est la différence entre le flux incident et le rayonnement émis vers l’espace.
• Le flux solaire absorbé correspond à (rayonnement incident − rayonnement réfléchi).
• Le flux thermique émis vers l’espace est pris en compte dans la différence du bilan radiatif.
• Le document indique que la différence doit être égale à 130 W/m² au niveau de la Terre.
• Le réchauffement sur environ 50 ans n’est pas une serre parfaite.
• Le schéma de correction relie une boucle de rétroactions positives à une variation du forçage radiatif via la solubilité du CO2 et le dégazage.

💡 Astuce mémo

Forçage radiatif = “déséquilibre” du bilan : (incident − réfléchi) − (émis) ≠ 0.

📊 Tableaux de synthèse

Températures théoriques vs mesurées (telluriques et Lune)

Corps	Température théorique (°C)	Température mesurée (°C)	Écart (°C)
Mercure	163	163	-
Vénus	29	477	448
Terre	15	15	-
Lune	-17	-18	-

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre albédo et effet de serre : l’albédo concerne la réflexion du solaire, l’effet de serre concerne l’IR réémis vers la surface.
2. Croire que “plus d’IR absorbé” signifie forcément “plus d’IR vers l’espace” : une partie de la réémission revient aussi vers la Terre.
3. Oublier que l’albédo est un rapport (réfléchi / reçu) et pas une valeur en W.m².
4. Interpréter les longueurs d’onde d’absorption comme des “valeurs uniques” : chaque gaz absorbe autour de plusieurs longueurs d’onde.
5. Penser que la température mesurée doit toujours être proche de la théorique : Vénus montre un écart très grand.
6. Mélanger “sans atmosphère” et “avec atmosphère” dans le devenir du rayonnement : les courbes diffèrent car l’atmosphère modifie la transmission.

✅ Checklist Examen

1. Savoir donner la fraction du rayonnement solaire transmise (70 à 75%) et expliquer pourquoi la Terre ne reçoit pas tout.
2. Savoir relier le spectre solaire (UV-visible-IR) aux fenêtres de transmission atmosphérique.
3. Connaître les longueurs d’onde d’absorption IR principales pour H2O, CO2, O3 et CH4 (autour de 3/6 µm, 4,2/15 µm, 10/14,5 µm, 3,5/4,2/7 µm).
4. Expliquer le devenir du rayonnement solaire : diffusion/réflexion, absorption atmosphérique (70 W.m²), albédo (102 W.m²) et absorption du sol (170 W.m²).
5. Décrire le devenir du rayonnement terrestre : émission IR thermique puis absorption par les GES et transmission partielle vers l’espace.
6. Définir l’effet de serre comme la fraction d’IR réémise par l’atmosphère vers la surface, après échauffement des GES.
7. Définir l’albédo comme rapport énergie réfléchie / énergie reçue et donner les valeurs limites (1 pour parfait, proche de 0 pour sombre).
8. Associer des surfaces à des albédo typiques : neige/glace (0,80-0,85 ou 0,50-0,60), herbe (0,20-0,30), sable/terre sèche (0,10-0,25 et 0,05-0,10), forêt (0,15-0,25), océans (0,50-0,80).
9. Expliquer un mécanisme amplificateur lié à l’albédo : fonte de la banquise → albédo ↓ → absorption solaire ↑ → réchauffement renforcé.
10. Comparer températures théoriques et mesurées pour Mercure, Vénus, Terre et la Lune et interpréter l’écart via l’atmosphère/effet de serre.
11. Définir le bilan radiatif comme (flux incident − rayonnement émis) et relier le flux solaire absorbé à (incident − réfléchi).
12. Donner la valeur de différence au niveau de la Terre : 130 W/m², et relier cela à l’idée de serre non parfaite.