Rayonnement terrestre et atmosphérique 1. La température d équilibre 2. L effet de serre 3. L effet de serre additionnel 4. Conclusion 5.

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Zoé Lepage
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1 Rayonnement terrestre et atmosphérique 1 La température d équilibre 2 L effet de serre 3 L effet de serre additionnel 4 Conclusion 5 Exercices 6

2 addi3onnel Le rayonnement infrarouge - le rayonnement terrestre se situe en totalité dans l infrarouge avec une plage dépendante de la T (en vertu de la loi de Wien) - les T extrêmes rencontrées à la surface de la terre sont de l ordre de: -90 C= 183 K (16µm) et +50 C=323 K (9µm) - les valeurs sont nettement dans l infrarouge (> à 0.7µm) - le rayonnement émis par la surface ou l atmosphère est invisible par l œil humain - la quantité de rayonnement émis dépend de la température du corps émetteur mais aussi de son émissivité un corps noir à -90 C = 183 K émet 63 W/m² un corps à 50 C = 323 K émet 617 W/m² un corps à 0 C = 273 K émet 315 W/m² un corps à 30 C = 303 K émet 478 W/m² - l émission d un corps naturel est un peu plus faible que ces valeurs théoriques car il faut la multiplier par un coefficient d émissivité compris entre 0.9 et 0.99 en général

addi3onnel - carte proche des T moyennes annuelles avec décroissance de la zone tropicale en direction des pôles - zone tropicale émet donc + d énergie que les pôles - explication: on sait que l

3 addi3onnel - carte proche des T moyennes annuelles avec décroissance de la zone tropicale en direction des pôles - zone tropicale émet donc + d énergie que les pôles - explication: on sait que l émission de la surface est proportionnelle à la puissance 4 de sa T et dépend de son émissivité (>0.9) Rayonnement émis par la surface terrestre en W/m² (moyenne annuelle) - la zone tropicale -plus chaude- émet donc plus d énergie que les pôles - moyenne de la carte est de 395 W/m² ce qui est nettement > à la quantité de RS absorbé par la surface (170 W/M²) et l atmosphère (70 W/m²) qui doit donc récupérer de l énergie supplémentaire pour alimenter cette émission

4 addi3onnel - la moyenne de la carte est de 240 W/m², soit la moyenne de rayonnement absorbé par la surface + atmosphère - maximum au sein de la zone tropicale (30 N-30 S) et décroissance en direction des pôles Rayonnement infrarouge sortant mesuré au sommet de l atmosphère en W/m² (moyenne annuelle) - maximum au-dessus des continents tropicaux +minimum relatif au-dessus de l équateur

place du minimum relatif autour de l équateur = ZCIT - les valeurs de température d émissivité descendent jusqu à -80 C

5 addi3onnel L infrarouge sur les images satellites - image IR à 10.8 µm permet d identifier le RIR émit par la terre et le sommet des nuages - zones convectives participent à la mise en place du minimum relatif autour de l équateur = ZCIT - les valeurs de température d émissivité descendent jusqu à -80 C au centre des cellules convectives. Les secteurs sans couverture nuageuse (ex: la ceinture subtropicale) laissent s échapper une + grande quantité de rayonnement tellurique

6 addi3onnel - explication: T de la dernière surface émettrice : la zone tropicale est plus chaude que les zones polaires et émet donc un rayonnement plus intense prendre en compte la dernière surface émettrice: le rayonnement émis par le sommet d un nuage est toujours + faible puisque le sommet d un nuage est toujours plus froid que la surface sous-jacente = minimum relatif à l équateur en rapport avec la ZCIT (ceinture nuageuse quasipermanente) + maximum sur les déserts tropicaux et l est des océans tropicaux - la moyenne de la carte équilibre le RS absorbé par le système climatique dans son ensemble - le système climatique émet donc autant de rayonnement qu il n en absorbe - comment la ST peut-elle émettre autant de rayonnement?

addi3onnel L équilibre entre le RS absorbé et émis - la terre absorbe donc une certaine quantité d

atmosphère) - quelle est la température pour équilibrer l émission d énergie correspondante?

correspondant à un strict équilibre entre le RS absorbé et le rayonnement émis R absorbé = R émis

7 addi3onnel L équilibre entre le RS absorbé et émis - la terre absorbe donc une certaine quantité d énergie de la part du RS - le RS absorbé est utilisé pour échauffer la terre (surface et atmosphère) - quelle est la température pour équilibrer l émission d énergie correspondante? - la température d équilibre est une mesure fictive de la température moyenne planétaire correspondant à un strict équilibre entre le RS absorbé et le rayonnement émis R absorbé = R émis R absorbé = (1- albédo planétaire) constante solaire / 4 R absorbé = 1367/4 0.7 = 239 W/m² R émis = (loi de Stefan-Boltzman)

8 addi3onnel - donc la température d équilibre est de 255 K (-18 C). La température en surface est en réalité de 288 K soit 15 C (= 33 de plus) - le phénomène qui explique en partie la différence entre la température d équilibre de la terre et la température réellement observée en surface s appelle l effet de serre - la température de surface de la terre n est pas uniquement contrôlée par le bilan radiatif de surface mais aussi par la convection qui redistribue la chaleur en direction de l atmosphère (sans convection la T de surface serait de 60 C) - mécanisme de l effet de serre : l atmosphère absorbe peu le RS (20% du RS incident au sommet de l atmosphère) mais très bien le rayonnement tellurique émis par la surface (nuance de répartition spectrale) - atmosphère absorbe mal «le visible» - atmosphère absorbe bien l infrarouge

L absorption du RIR Rayonnement terrestre et atmosphérique addi3onnel Effet de serre pour chaque gaz - cette capacité est liée à la trace de présences gazeuses qui ont cet effet de serre - les

9 L absorption du RIR Rayonnement terrestre et atmosphérique addi3onnel Effet de serre pour chaque gaz - cette capacité est liée à la trace de présences gazeuses qui ont cet effet de serre - les composés gazeux les plus importants sont: - la vapeur d eau (H2O) - le dioxyde de carbone (CO2) - le méthane (CH4) - l ozone (O3) - la vapeur d eau et l ozone ne sont pas répartis uniformément sur terre - l absorption du rayonnement IR est partiellement convertie en chaleur et l atmosphère émet à son tour un rayonnement IR en partie vers le bas et en partie vers le haut

10 addi3onnel Les composés gazeux dans l atmosphère

L effet de serre Rayonnement terrestre et atmosphérique addi3onnel La T de surface correspond à la T d équilibre + l effet de serre RS entrant RS sortant réfléchie par l A RS sortant réfléchie par la

11 L effet de serre Rayonnement terrestre et atmosphérique addi3onnel La T de surface correspond à la T d équilibre + l effet de serre RS entrant RS sortant réfléchie par l A RS sortant réfléchie par la S atmosphère RS entrant net RS absorbé par la S = échauffement Une partie du RIR est absorbée par les GES = échauffement = émission de rayonnement en partie vers le bas = la surface se réchauffe surface terrestre

12 addi3onnel sans effet de serre avec effet de serre effet de serre additionnel -18 C 15 C +? C

13 addi3onnel Rapport entre le rayonnement IR net (différence entre le rayonnement IR émis par la surface terrestre et le rayonnement IR atmosphérique absorbé par la surface) et le rayonnement IR émis par la surface terrestre (moyenne annuelle) - valeurs théoriques à 0 dans le cas où le RA dirigé vers le bas serait équivalent au R émis par la surface et à 1 si le RA dirigé vers le bas serait très faible et que la totalité du R émis par la surface ne soit pas absorbé par l atmosphère - c est une mesure de l efficacité de l effet de serre (effet maximal lorsque les valeurs se rapprochent de 0) - valeurs faibles presque partout sur Terre

addi3onnel Exemples de rapport entre le RIR émis par la surface et le RIR émis par l atmosphère et absorbé par la surface (le schéma de gauche représente ce qui se passe en moyenne sur les océans

14 addi3onnel Exemples de rapport entre le RIR émis par la surface et le RIR émis par l atmosphère et absorbé par la surface (le schéma de gauche représente ce qui se passe en moyenne sur les océans tropicaux et celui de droite correspond au mécanisme des continents polaires) effet de serre fort atmosphère effet de serre faible atmosphère RIR émis par l A et absorbé par la S RIR émis par la S RIR émis par la S rapport faible surface rapport élevé surface

15 addi3onnel - valeurs océaniques sont >0.175 excepté sur les hautes latitudes et les maxima absolus se situent sur les continents équatoriaux et sur le Pacifique équatorial occidental - ces secteurs combinent des T élevées avec une source d humidité illimitée = effet de serre maximal - les minima absolus se situent sur les pôles (Antarctique > 0.4 et 0.7 = air très sec) + minima relatifs sur les continents tropicaux et tempérés - attention à ne pas confondre cette géographie avec celle des anomalies de T liées au réchauffement climatique

anomalies plus faibles dans l hémisphère sud (abondance de l océan) - augmentation brutale des

16 addi8onnel La perturbation anthropique - les anomalies les plus fortes se situent principalement sur l Arctique ainsi que sur les continents de l hémisphère nord avec une hausse modérée sur les océans - anomalies plus faibles dans l hémisphère sud (abondance de l océan) - augmentation brutale des températures à partir de 1970 en relation avec les émissions anthropiques de CO2 de plus en plus importantes

17 addi8onnel - degré d implication du CO2 dans les anomalies de température depuis 1850? - forçage radiatif solaire = la relation est linéaire mais les max d anomalies positives ne correspondent pas toujours aux max d insolation - en revanche, les concentrations max de CO2 correspondent aux anomalies positives de t les plus fortes. La relation est bien plus intense lorsque les valeurs de CO2 sont élevées

18 À retenir Rayonnement terrestre et atmosphérique addi3onnel

19 addi3onnel Quel type de rayonnement est impliqué dans l'effet de serre? le rayonnement solaire ou les rayonnements terrestre et atmosphérique? Pourquoi la moyenne spatiale de la carte de rayonnement infrarouge mesurée au sommet de l atmosphère (figure n 1) est de 240 W/m2? A quoi correspond cette valeur? Calculez la température d'équilibre sur Mars et Vénus et estimez les effets de serre respectifs des deux planètes C o n s t a n t e solaire (W/m2) A l b é d o moyen Température d é q u i l i b r e ( K) Température moyenne de s u r f a c e observée ( K) Effet de serre relatif ( K) Venus ? 760 +? Mars ? 230 +? Terre

20 addi3onnel A votre avis, l'effet de serre joue t'il le jour, la nuit? ou bien les deux?. Quand est-il relativement le plus important pour la détermination de la température de surface? L'homme par ses activités ajoute du CO2, CH4 (fig. 5) et d'autres gaz à effet de serre dans l'atmosphère. A votre avis, quelle est la conséquence sur la température moyenne planétaire? essayez de disséquer le mécanisme en passant par le bilan radiatif.

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