Ch. 1 Rayonnement solaire et bilan radiatif

• rayonnement solaire = transfert d'énergie dans l'espace vide

• principale source d‘énergie du système Terre Océan Atmosphère (TOA)

• propagation à la vitesse de la lumière

1) Caractéristiques du rayonnement

• ondes électromagnétiques = propagation champ électrique + champ magnétique

F1: Spectre électromagnétique

Température du Soleil = 6000 K

Émission de l’essentiel de l’énergie dans les courtes longueurs d’ondes :

- visible = 0,4 à 0,7 µm 400 à 700 nm,

- PIR = 0,7 à 4 µm (astronomie) 700 à 4000 nm (astronomie)

F2 : flux incident, absorption, diffusion, réflexion, émission

Quel est le cheminement de la radiation solaire ?

Flux absorbéFlux absorbé

Flux incident

Flux réfléchi

Flux diffusé

Flux émis

L’absorption : quand les ondes électromagnétiques pénètrent dans l’objet mais ne le traverse pas ==> réchauffement de l'objet.

La diffusion/dispersion : les molécules de gaz et autres particules + eau agissent comme un obstacle au rayonnement solaire. Le rayonnement est dévié par ces obstacles, qui dispersent le rayonnement unidirectionnel en multiples directions (mais intensité différente).

La réflexion : le rayonnement repart dans une seule direction selon un angle avec le rayonnement incident.

Dans le cas de la diffusion et de la réflexion, les ondes sont déviées par l’objet sans que leur longueur d’ondes ne subissent de changement

La capacité d’un objet à absorber ou à réfléchir l’énergie radiative dépend de plusieurs facteurs :

- composition,- couleurs,- aspect de la surface,- angle d’incidence,- longueur d’ondes…

L’albédo est le rapport qui renseigne sur la part de rayonnement absorbé et diffusé.

Albédo = rayonnement réfléchi / rayonnement incident

F3 : Albédo

0 < Albédo < 1

Mer calme : 0,02-0,05

Forêt équatoriale : 0,5-0,1

Forêt boréale : 0,1-0,2

Prairies : 0,15-0,2

Sable sec : 0,25-0,3

Neige fraîche : 0,8-0,9

Surface terrestre : 0,28

F4 : Mise en évidence de l'albédo terrestre.Image canal visible (0,5-0,9 µm), Meteosat 7, 01/01/1999.

Dakar

Fleuve Sénégal Nil

Mer Rouge

Fleuve Niger Lac Tchad

Océan Atlantique

Nuages

Les solides absorbent la plupart des longueurs d'ondes.

Les gaz sont plus sélectifs ==> diffusion du rayonnement solaire vers

l'espace ou la surface terrestre.

Absorption ==> changement de température de l'objet

Absorption à différentes longueurs de quelques composants de l’atmosphère

O2 et O3

CO2

H2O

Atmosphère

Longueur d’onde (µm)

Ab

sorp

tio

n

- Absorption des UV par oxygène (O2) et ozone (O3)

- Absorption des IR par le dioxyde de carbone (CO2) et la vapeur d’eau (H2O)

l’atmosphère laisse passer les longueurs d’onde du spectre visible

Couleur du soleil

Matin / Soir

Midi

La diffusion dépend de la taille des molécules de gaz ou des particules en suspension dans l'atmosphère :

- gaz atmosphérique diffuse préférentiellement le bleu,

- particules solides diffusent plutôt le rouge

2) Energie solaire absorbée par le système TOA et effet de

serre

0,002 % de la radiation totale constitue les entrées du système.

F5 : Constante solaire au sommet de l'atmosphère le long

d'un plan vertical = 1370 W.m-2, soient 342 W.m-2 sur une sphère.

La constante solaire (C) : puissance reçue par une surface horizontale (disque) au sommet de l'atmosphère (~ 1368 W.m-2).

Soleil : corps de température = 5780 K rayonnement

Loi de Stephan-Boltzmann : équivalence température énergie rayonnée

Énergie (E) : 5780 K 6,33.107 W.m-2

E x (RS/UA)2 ≈ 1368 W.m-2 (conservation de l'énergie rayonnée à travers l'espace)

UA = 1,496.106 km

TERRE

SOLEIL

RS = 695600 km

Or la Terre est une sphère

– aire d’un disque

– aire d'une sphère

– donc aire du disque = aire d’une sphère / 4

24 R

2R

rayonnement solaire reçu sur la sphère :

1368 / 4 = 342 W.m-2

TERRE

1368 W.m-2342 W.m-2

F6: Absorption du rayonnement solaire et émission de rayonnement infra rouge par le système TOA.

Rayonnement solaire (342 W.m-2):• 30 % environ réfléchis dans l'espace (102 W.m-2) nuages, poussières, surface

• 46 % absorbés par la surface (158 W.m-2 ) 240 W.m-2

• 24 % absorbés à différents niveaux de l'atmosphère (82 W.m-2)

Émission de la Terre = 240 W.m-2 dans les IR

Le système est en équilibre radiatif

Trajet du rayonnement solaire dans l'atmosphère

Rayonnement IR du système = 240 W.m-2

D’après la loi de Stefan-Boltzmann1, c’est l’ équivalent en rayonnement d'un objet ayant une température de -18°C (255 K)

Or la température moyenne régnant sur Terre est de 15°C environ (392 W.m-2 dans les IR) ???

Atmosphère absorbe le rayonnement IR de la surface grâce à CO2 et H20 entre autres + nuages (gaz concentrés dans les basses couches de l'atmosphère)

« Effet de serre » naturel

où : M est le rayonnement en W.m-2,T est la température en K,σ est la constante de Stefan-Boltzmann (voir TD)

4M T1

Plaque seule : absorption OC = émission IR

Vitre transparente au rayonnement solaire et opaque (absorption) au rayonnement IR; l'émission IR est donc produite par la vitre qui s'est réchauffée.

A l'intérieur du système :la plaque reçoit 100 OC + 100 IR = 200.À l'équilibre la vitre doit émettre 100 vers l'extérieur.L'existence de la vitre permet l'augmentation de température à l'intérieur du système.

F7 : Schématisation de l'effet de serre

Schématisation de l'effet

de serresolaire

IR

L'équilibre radiatif est vérifié à l'échelle de la planète mais

géographiquement des contrastes existent

F8 : Les trois cartes montrent la radiation ondes courtes absorbée par le

système TOA (haut); la radiation ondes longues (milieu) et la radiation nette

(bas) donnée par la différence entre les 2 cartes. Unités : W.m-2; Données

ERBE (moyenne annuelle Février 1985-Avril 1989).

Entrées(OC)

Sorties(OL)

Bilan(OC-OL)

F9 : Animation des bilans ondes courtes, ondes longues et radiatif net du système TOA

Ondes courtes

Ondes longues

Radiatif net

http://geography.uoregon.edu/envchange/clim_animations/

3) Variations de l'ensoleillement

Entrées de radiations solaires non constantes dans l'espace et le temps du

fait de :

- la rotation de la Terre,

- l’orbite autour du Soleil,

- l’inclinaison de l'axe de rotation de 23,5° environ

3.1 Variations diurnes

rotation de la Terre + inclinaison sur son axe

a)

b)

F10: a,b) incidence du rayonnement solaire en surface.