Bilan thermique du système Terre-atmosphère : cours de Terminale

Une casserole d'eau posée sur une plaque chauffante se réchauffe tant qu'elle reçoit plus d'énergie qu'elle n'en perd. Quand les deux flux deviennent égaux, la température se stabilise. La Terre obéit à la même logique, mais à l'échelle d'une planète entière, et c'est exactement ce que le programme de Terminale te demande d'étudier : une approche simplifiée du bilan thermique du système Terre-atmosphère, reliée à l'évolution du climat. ²

Dans ce cours, tu vas suivre le trajet de l'énergie : ce qui arrive du Soleil, ce qui repart aussitôt, ce qui est absorbé, comment cette énergie circule et sous quelle forme elle est finalement renvoyée vers l'espace. Tu t'appuieras sur trois notions déjà vues : le modèle du gaz parfait, l'énergie interne avec le premier principe, et les transferts thermiques. Le bilan thermique de la Terre fait d'ailleurs partie des thèmes explicitement listés dans les ressources pédagogiques du programme, avec l'effet de serre. ³

La source d'énergie principale de la Terre est le Soleil. La chaleur venue de l'intérieur de la planète pèse très peu dans le total : à peine un dix-millième de ce que reçoit la surface (0,01 %). ⁴ On peut donc, en première approximation, la négliger complètement dans un bilan simplifié.

Ce rayonnement n'a pas une seule couleur. Le Soleil est une étoile de type G2 et son spectre d'émission s'étend d'environ 0,2 à 4 micromètres : il va de l'ultraviolet à l'infrarouge, en passant par la lumière visible. ⁴ Retiens que l'énergie solaire arrive surtout à des longueurs d'onde courtes (visible et proche infrarouge), alors que la Terre, beaucoup plus froide, émet dans l'infrarouge à des longueurs d'onde plus grandes : cela aura son importance pour la suite.

Tout le rayonnement qui arrive en haut de l'atmosphère n'est pas utilisé pour chauffer la planète. Une partie est renvoyée vers l'espace sans être absorbée : elle est réfléchie par l'atmosphère, par les nuages ou par la surface (océans, neige, glace, sols clairs). ⁴

Sur les environ $100\ \text{W/m}^2$ réfléchis, 75 sont renvoyés par l'atmosphère (nuages compris) et 25 par la surface terrestre. ⁴ Le calcul est cohérent avec l'albédo : $100/340 \approx 0{,}29$, soit un peu moins de 30 %.

Le reste du rayonnement, celui qui n'est pas réfléchi, est absorbé par la surface ou par l'atmosphère, où il se transforme en chaleur. ⁴ C'est cette énergie absorbée qui entretient la température de la planète. Mais elle ne reste pas là où elle a été reçue.

La surface terrestre est couverte à environ 70 % par les océans. ⁴ Une partie de l'énergie qu'ils reçoivent est absorbée par l'évaporation de l'eau, à hauteur de $82\ \text{W/m}^2$, et se retrouve transférée vers l'atmosphère. ⁴ Autrement dit, l'eau qui s'évapore emporte de l'énergie, et cette énergie est restituée plus haut quand la vapeur se condense : c'est un transfert thermique sans que l'air du bas ne chauffe directement.

Une autre partie de l'énergie entraîne la circulation thermohaline, qui transporte de l'énergie vers des latitudes plus élevées ; ce transport n'a pas d'effet sur le bilan énergétique de la surface. ⁴

L'atmosphère participe aussi à ce transport. La circulation atmosphérique, mouvement à l'échelle planétaire des grandes masses d'air, redistribue l'énergie solaire en association avec la circulation océanique. ⁵ Le moteur de cette circulation sous les tropiques est le réchauffement par le Soleil : comme l'axe de rotation de la Terre est incliné de 23 degrés 27 minutes, le Soleil n'est jamais très loin du zénith à midi dans cette zone, ce qui donne un chauffage maximal autour de l'équateur. ⁵ Cette chaleur est en grande partie transportée sous forme de chaleur latente libérée dans les orages tropicaux. ⁵

On décrit cette circulation par des cellules (Hadley, Ferrel, polaire) qui donnent une image générale, mais que les effets locaux modulent fortement. ⁵ Un exemple à petite échelle te le montre : au bord de la mer, l'air au contact du sol chauffé par le Soleil monte, et un air moins chaud venu du large vient combler le vide. ⁵ C'est un transfert thermique par convection : tu retrouves un mode de transfert déjà étudié.

Pour que la température moyenne reste stable, la Terre doit renvoyer vers l'espace autant d'énergie qu'elle en absorbe. Elle le fait sous forme de rayonnement, mais pas de la même manière que le Soleil : la surface rayonne sur un très large éventail de longueurs d'onde, et le résultat dépend de ce que l'atmosphère laisse passer. ⁴

Le mécanisme se déroule par étapes. Pour les longueurs d'onde que l'atmosphère absorbe très fortement, la capture a lieu tout près du sol, et la couche d'air du bas se met rapidement en équilibre thermique avec le sol qui la chauffe par son rayonnement. ⁴ Cette basse atmosphère est chaude, donc elle rayonne à son tour. Mais ce rayonnement ne part pas directement vers l'espace : l'air n'émet qu'aux longueurs d'onde qu'il est capable d'absorber, et ce qu'émet la basse atmosphère est donc capté à son tour par les couches situées au-dessus. ⁴ L'énergie remonte ainsi de couche en couche avant de s'échapper depuis la haute atmosphère, plus froide.

Le programme demande d'effectuer des bilans d'énergie sur un système en s'appuyant sur le premier principe de la thermodynamique. ² Il faut aussi savoir distinguer, dans un bilan, le terme qui correspond à la variation d'énergie du système des termes qui correspondent aux échanges avec l'extérieur. ²

Le bilan n'est pas parfaitement nul. Ce qui compte pour le climat, c'est l'écart, même petit, entre ce qui entre et ce qui sort.

Aujourd'hui, ce qui fait le plus bouger l'énergie de la planète, c'est le changement de composition de l'air provoqué par les activités humaines. Il correspond à une puissance d'environ 460 TW, soit en moyenne $0{,}90 \pm 0{,}15\ \text{W/m}^2$. ⁴

Le même rayonnement qui alimente le bilan de la planète peut être exploité. Les ressources pédagogiques du programme invitent à s'interroger sur les utilisations du rayonnement solaire pour répondre aux besoins en chauffage et en électricité. ¹ Cette ouverture rappelle qu'un bilan d'énergie sert aussi à dimensionner des installations : un panneau ou un chauffe-eau reçoit un flux, en réfléchit une part, en absorbe une autre et en perd par rayonnement, exactement comme la Terre.