3. Climat et changement climatique

L'effet de serre (3/4)

Le bilan radiatif

Nous avions calculé la puissance radiative émanant du soleil qui est absorbée par la Terre en tant que Terre noire et en tant que planète bleue. Le point de départ était la température de rayonnement T_rad,S = 5772 K de la photosphère. Nous avions également trouvé une relation pour le pouvoir radiatif émis par la Terre, où la valeur de la température moyenne de rayonnement T_rad,E de la surface de la Terre restait ouverte. C'est la taille que nous recherchons !

Si nous supposons que le pouvoir radiatif solaire absorbé par la Terre est égal au pouvoir radiatif émis par la Terre, nous pouvons déterminer la température de rayonnement de la Terre. Nous savons déjà que cet équilibre n'est pas exactement respecté, ce qui explique les changements climatiques, mais l'écart est supposé être relativement faible. L'équation entre le rayonnement solaire absorbé et le rayonnement émis par la Terre donne :

Terre noire:

π R_{E}^{2} S = 4 π R_{E}^{2} σ T_{r a d, E}^{4} \to T_{r a d, E} = 278,3 K ou 5 ° C

C'est le cas lorsque l'absorption du rayonnement solaire disponible est la plus élevée possible. Néanmoins, la température moyenne de la Terre est encore inférieure de 9°C à la valeur moyenne réelle de 14°C !

Planète bleue:

(1 - A) π R_{E}^{2} S = 4 π R_{E}^{2} σ T_{r a d, E}^{4} \to T_{r a d, E} = 254,6 K ou - 17,6 ° C

Comme on peut s'y attendre, la température de la Terre, dont l'albédo correspond à une absorption du rayonnement solaire inférieure de 30%, est encore plus froide. Elle est si froide que l'eau liquide ne pourrait pas exister !

À titre de comparaison, lors de la dernière période glaciaire, il y a 20 000 ans, la température moyenne était d'environ +8°C ! Même la Terre noire serait plus froide de 3°C !

Qu'est-ce qui n'est pas pris en compte dans notre modèle ?

L'effet de serre. Il réduit tellement la perte de rayonnement de la Terre vers l'espace qu'aujourd'hui, notre biosphère a une température moyenne très convenable de 14°C.

L'effet de serre est donc absolument indispensable à la Terre telle que nous la connaissons.

Le problème : le climat de la Terre réagit de manière très sensible, même à de petites erreurs dans l'équilibre radiatif, par des changements de la température moyenne, comme nous pouvons l'observer actuellement.

Équations ↓

Comment fonctionne une serre ?

Le verre des fenêtres des serres laisse passer le rayonnement solaire, mais il bloque le rayonnement infrarouge produit à l'intérieur à une longueur d'onde supérieure à 3,5 μm. C'est ce qui explique les températures modérées dans la serre. Le gain par rayonnement solaire doit être équilibré par les pertes pour obtenir un bilan énergétique, sinon les températures à l'intérieur ne cessent d'augmenter. Cela se fait par conduction thermique : la surface intérieure du verre chauffée par absorption conduit la chaleur vers l'extérieur. Il y a un transfert direct de chaleur vers l'air, ce qui explique la perte d'énergie. En fait, les fenêtres sont une source importante de fuites de chaleur dans les bâtiments.

Transmission et réflexion des vitres ↓

Une serre, Jardin zoologique et botanique Wilhelma de Stuttgart, Allemagne. Rayonnement solaire incident (1), réfléchi (2) et atteignant le sol (3). Rayonnement thermique provenant du sol (4), rayonnement de retoure (5) provenant de l'intérieur du verre et perte de chaleur (6).
Source: Rainer Reuter, Université d'Oldenburg, Allemagne.

Les serres constituent donc une bonne analogie avec l'atmosphère terrestre.