Flux d'énergie de la Terre

La météo et le climat sur la Terre sont dictés par la quantité d'énergie reçue du Soleil. Selon le bilan énergétique de la Terre, si les rayonnements entrants et sortants sont égaux, le climat est en équilibre. L'atteinte de cet équilibre dépend de la manière dont cette énergie entrante interagit avec la Terre et les objets qui s'y trouvent à travers des phénomènes tels que la diffusion, la réflexion, l'absorption et les transformations énergétiques. L'énergie peut être convertie, transportée et stockée sous diverses formes. Dans l'ensemble, la façon dont l'énergie agit une fois qu'elle a atteint la Terre joue un rôle important dans le climat de la Terre. Les flux d'énergie sont des transformations et des mouvements d'énergie qui se produisent une fois que l'énergie a atteint la Terre. Ces flux décrivent comment l'énergie est distribuée et comment elle interagit avec des objets, déterminant certaines propriétés climatiques.

Figure 1. Flux d'énergie sur Terre.

Toute l'énergie qui atteint la Terre agit de différentes manières. 30 % de l'énergie solaire est réfléchie, et les 70 % qui restent se déplacent sous différentes formes et voies. La majorité d'énergie que la Terre reçoit provient du Soleil, et seulement 0,03 % provient d'autres sources (comme le montre la figure 1). Cela signifie que le flux solaire est le flux d'énergie le plus dominant. Au total, 174 000 TW de puissance - l'énergie d'environ 4 millions de tonnes de pétrole chaque seconde - atteignent la Terre. Bien que ce ne soit qu'une petite partie des 410 000 000 000 000 TW de puissance que le Soleil émet dans toutes les directions, c'est encore beaucoup d'énergie.

Flux à la surface terrestre

Bien que le flux d'énergie solaire soit le flux le plus dominant, ce n'est pas la seule source d'énergie sur Terre. L'énergie provenant de l'utilisation de combustibles nucléaires, l'énergie des marées et l'énergie thermique du centre de la Terre contribuent toutes à l'énergie totale existant sur Terre. Bien que ces flux contribuent beaucoup moins d'énergie que d'autres sources énergétiques, ils sont toujours vitaux pour l'équilibre énergétique de la Terre.

Flux solaire

Figure 2. Voies spécifiques au sein du flux solaire dominant.

Des 174 000 TW d'énergie reçus par la Terre, la valeur moyenne de [math]\displaystyle{ 1367\frac{W}{m^2} }[/math] est déterminée comme étant l’énergie électrique incidente sur un mètre carré situé à un emplacement fixe en dehors de l’atmosphère terrestre. Cependant, cette valeur moyenne pour toute la planète devient [math]\displaystyle{ 340\frac {W}{m^2} }[/math]. Voir cette page pour une dérivation plus approfondie de ces valeurs. De cette puissance, environ 30 % est réfléchi à nouveau dans l'espace due à l'atmosphère, aux nuages, à l'océan, à la terre et à la glace.

Les 120 000 TW d'énergie qui restent, soit environ 70 % de l'énergie initiale qui atteint la surface de la Terre, descendent et réchauffent l'atmosphère. Cette portion de la voie est visible à la figure 2. Dans l'atmosphère, les molécules de gaz à effet de serre absorbent cette énergie thermique, ce qui résulte en une augmentation de leur température. Après cette absorption, les gaz rayonnent de l'énergie thermique dans toutes les directions. Cette énergie thermique revient ensuite à nouveau dans l'espace. C'est ce phénomène qui chauffe la surface grâce à l'effet de serre naturel. Environ 78300 TW d'énergie sont utilisés pour maintenir l'atmosphère au chaud de cette manière, ce qui garde la température moyenne à 15°C ou 288 K. De l'énergie entrante d'origine, environ 23 % ou 40000 TW évaporent l'eau et exécutent le cycle hydrologique. Ici, les molécules d'eau liquide absorbent l'énergie entrante et changent de phase du liquide en gaz. L'énergie qu'il a fallu pour évaporer cette eau est ensuite latente dans le mouvement des molécules de vapeur. Les molécules peuvent par la suite se condenser - créant de la pluie, de la neige et du grésil, qui remplissent les rivières, entraînent le ruissellement et facilitent la formation de nuages - et puis libérer la chaleur latente dans l'atmosphère. Cela permet également à l'hydroélectricité de capter de l'énergie, dont les humains utilisent ~1 TW.

Environ 1 % ou 1700 TW est transformé en énergie du vent et en courants océaniques. Cela déplace l'air et l'eau sur toute la planète, ce qui transfère la chaleur contenue dans le mouvement des molécules du gaz ou du liquide.

Une très petite quantité (seulement environ 0,08 % ou 140 TW) de l'énergie initiale est captée par la photosynthèse, fournissant de l'énergie aux plantes. Cette photosynthèse permet aux plantes d'absorber le carbone de l'atmosphère sous forme de dioxyde de carbone. La quasi-totalité de l'énergie utilisée pour alimenter la vie provient de ces 140 TW. Les plantes obtiennent leur énergie de la photosynthèse, ensuite les animaux mangent les plantes ou mangent d'autres animaux qui mangent les plantes pour obtenir cette énergie. Lorsque les plantes et les animaux meurent, ils peuvent devenir des combustibles fossiles. Cependant, ce processus prend beaucoup de temps (des millions d'années). Bien que la formation de combustibles fossiles ne soit pas simple, la plupart d'énergie chimique stockée dans les plantes et les animaux se désintègre en énergie thermique dans l'atmosphère. Les combustibles fossiles utilisés par les êtres humains représentent au total environ 14 TW d'énergie (des 16 TW d'énergie primaire utilisée par l'homme).

Autres flux

En plus du flux solaire, le flux nucléaire contribue également à l'énergie globale sur la Terre. Les humains utilisent environ 1 TW de combustibles nucléaires, , et cette énergie ne provient pas du Soleil. Les combustibles nucléaires sont produits par l'explosion qui a déclenché le système solaire. Ce 1 TW fait partie du 0,02 % qui ne provient pas du Soleil.

En outre, le flux géothermique est une autre source d'énergie qui ne provient pas du Soleil. L'énergie géothermique traversant la croûte terrestre est d'environ 44 TW ou environ 0,025 %. Le reste de l'énergie qui ne vient pas du Soleil compte ~ 3 TW ou 0,0017 % provenant des forces de marée agissant entre la Terre et la Lune. Ce petit flux est connu sous le nom de flux de marée.

Équilibre

La Terre retourne l'énergie de tous les flux dans l'espace sous forme de rayonnement thermique. La Terre reste presque totalement équilibrée en termes de température grâce à la manière dont les flux interagissent les uns avec les autres et à la façon dont l'énergie solaire atteint la Terre. Cela est dû au bilan énergétique de la Terre. L'augmentation des gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone et le méthane provoque un rayonnement légèrement inférieur à la quantité d'énergie entrante. Cette différence équivaut à environ [math]\displaystyle{ 1 \frac{W}{m^2} }[/math], ce qui est miniscule. Pendant plusieurs décennies, ce [math]\displaystyle{ 1 \frac{W}{m^2} }[/math] a entraîné un réchauffement climatique, en particulier le réchauffement des océans, même si cette puissance semble insignifiante, équivalant à la sortie d'environ 1 lumière d'arbre de Noël pour chaque mètre carré de la surface de la Terre.

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