Équilibre thermique de la Terre
L'équilibre thermique de la Terre est un facteur extrêmement important qui rend la Terre vivable. La capacité de la Terre de réagir à de légères variations dans la quantité de rayonnement entrant pour maintenir la température relativement stable est le résultat du bilan énergétique de la Terre. Ce phénomène est également étroitement lié aux flux sur la Terre et à l'énergie solaire pour la Terre. La plupart de l'énergie que reçoit la Terre constitue l'énergie rayonnante qui provient du Soleil. La température de la Terre est un exercice d'équilibre, les gaz à effet de serre présents dans l'atmosphère contribuant à rendre la planète habitable. Cet équilibre de la température est maintenu par plusieurs mécanismes différents.
Origine de l'énergie
La Terre reçoit une grande quantité d'énergie du Soleil, plus de 1.7 x 1017 joules chaque seconde (ou 1.7 x 1017 Watts), et c'est cette énergie qui permet d'avoir une planète chaude et vivable.[1] Toutefois, seulement une certaine quantité de cette énergie est absorbée par l'atmosphère et utilisée pour chauffer la Terre. Environ 70 % sont absorbés par la planète, et les 30 % restants sont réfléchis vers l'espace par diverses surfaces telles que les nuages, la glace et les déserts.[2] C'est la source d'énergie du climat et de la biosphère de la Terre. La figure 1 ci-dessous donne un aperçu détaillé de la destination de toute cette énergie incidente.
Équilibre actif
Si la seule contribution à la température de la Terre était la lumière du Soleil absorbée, la température de la Terre augmenterait de près d'un million de degrés Celsius en un milliard d'années.[4] Il est donc essentiel que les planètes aient un moyen de rejeter de l'énergie dans l'espace. Comme la Terre est entourée du vide de l'espace, elle ne peut pas perdre d'énergie par conduction ou convection. Au lieu de cela, la seule façon dont la Terre dépose de l'énergie dans l'espace est le rayonnement électromagnétique. Aux températures planétaires typiques, l'énergie libérée dans l'espace se situe dans la partie infrarouge du spectre électromagnétique. En fait, tous les objets ayant une température émettent une certaine forme de rayonnement, et l'émission infrarouge vers l'espace résulte des contributions de la surface planétaire et de l'atmosphère.
Comment fonctionne cet équilibrage ?
La température d'un objet détermine la vitesse à laquelle il perd de l'énergie dans son environnement. Les objets plus chauds émettent plus de rayonnement que les objets plus froids, donc une planète plus chaude rejettera plus d'énergie qu'une planète plus froide. Cela signifie qu'il doit exister une température à laquelle le taux d'émission infrarouge dans l'espace est égal au taux d'absorption de l'énergie par le Soleil. Si la planète se réchauffait, l'énergie sortant augmenterait jusqu'à ce que la planète se refroidisse à sa température d'équilibre. De même, si la planète était refroidie soudainement, elle perdrait de l'énergie plus lentement et se réchaufferait donc jusqu'à ce que les énergies s'équilibrent.[4]
Cet équilibre entre les flux d'énergie solaire et terrestre définit le bilan énergétique (et la température d'équilibre) d'une planète.[4] Cet équilibre est la contrainte fondamentale du climat d'une planète ; et la dépendance de l'énergie infrarouge sortante par rapport aux températures est un type de rétroaction stabilisatrice qui permet aux planètes de rester en équilibre (en plus de résister aux variations climatiques très extrêmes de centaines ou de millions de Kelvin).
L'équilibre radiatif étant la base de la physique du climat, les climatologues sont très intéressés par le concept d'équilibre énergétique. Lorsque le climat change (par exemple à cause de la consommation de combustibles fossiles et de l'augmentation de la concentration de CO2 dans l'atmosphère), il est impératif de comprendre comment les flux d'énergie entrants et sortants sont perturbés et quels changements de température sont nécessaires pour que la planète entière soit en équilibre énergétique.
En cas de déséquilibre
Les changements dans la composition de l'atmosphère terrestre peuvent modifier la température à laquelle la Terre se stabilise, ce qui a des effets sur la température de la Terre. Les changements dans la composition de l'atmosphère modifient les valeurs de l'énergie qui y est absorbée et réfléchie, comme le montre la figure 1. De tels changements entraînent un déséquilibre énergétique minime, mais significatif, sur la Terre. Ce déséquilibre énergétique continue de s'accroître en raison des activités humaines. Il représente environ [math]\displaystyle{ 2.3 \frac{W}{m^2} }[/math] de plus d'énergie entrante que celle qui quitte la Terre.[5]
Pour en savoir plus sur l'influence de ce déséquilibre sur la Terre, cliquez ici.
Références
- ↑ ITACA. (July 27, 2015). The Sun as a Source of Energy [Online]. Available: http://www.itacanet.org/the-sun-as-a-source-of-energy/part-2-solar-energy-reaching-the-earths-surface/
- ↑ Oklahoma Climatological Survey. (July 27, 2015). Earth's Energy Budget [Online]. Available: http://okfirst.mesonet.org/train/meteorology/EnergyBudget.html
- ↑ Created internally by a member of the Energy Education team. Adapted from: R. Wolfson, Figure 12.5 in Energy, Environment and Climate, 2nd ed. New York, U.S.A.: Norton, 2012, pp. 331
- ↑ 4,0 4,1 et 4,2 R. Wolfson, Figure 12.5 in Energy, Environment and Climate, 2nd ed. New York, U.S.A.: Norton, 2012
- ↑ Le forçage radiatif est compliqué. Le GIEC affirme que le forçage anthropique total se situe entre 1.1 et 3.3 W/m2. Voir, par exemple: IPCC WG1 AGR5. (Accessed July 29th, 2015) Anthropogenic and Natural Radiative Forcing [Online] Available: https://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar5/wg1/WG1AR5_Chapter08_FINAL.pdf