Radiation terrestre (infrarouge éloigné) Sujet 3 Radiation terrestre; l'effet de serre La Terre absorbe de l'énergie solaire, de courtes longueurs d'onde et se réchauffe. La température du sol est, en moyenne, de 15 C (288 K, température absolue), température bien inférieure à celle du Soleil (elle est entre 250 et 300 K). Donc, selon la loi de Planck, l'énergie émise par la Terre est moindre que celle émise par le Soleil et les radiations électromagnétiques correspondantes sont de longueurs d'onde plus élevée. Les radiations terrestres se situent dans la bande des infrarouges éloignés de longueur d'onde de 4 à 80 micromètres, avec un maximum d'énergie entre 8 et 12 micromètres. (rappel: La loi de Planck nous dit que l'intensité de l'énergie émise par un corps dépend de sa température: plus celle-ci est élevée, plus la longueur d'onde des radiations émises est courte et plus l'intensité de ces radiations est grande.) source: Anthes 1992 p.50 Figure 3-1: Émission d un corps noir de (a) un corps chaud tel que le soleil et (b) un corps plus froid tel que la Terre. (En comparant les courbes notez que l énergie du soleil est 1 000 000 de fois plus grande que celle de la terre). 3-1
source: Anthes 1992 p.55 Figure 3-2 3-2
Définitions Corps noir: si un élément de surface d'un corps reçoit une certaine quantité d'énergie rayonnée, il en renvoie une partie (réfléchie ou diffusée), et absorbe le reste. La fraction d'énergie absorbée (qu on représente par A) est le coefficient d'absorption de la surface (qui dépend de l'angle d'incidence et de la longueur d'onde du rayonnement reçu). On appelle corps noir un corps pour lequel le coefficient d'absorption (A) est unitaire (A = 1), peut importe la longueur d'onde du rayonnement reçu. Le corps noir absorbe tout le rayonnement qu'il reçoit et est donc noir. On dit parfois qu un corps est noir pour une bande de longueurs d'onde. Par exemple le sol absorbe tout le rayonnement dans la bande de l'infrarouge éloigné (4 à 80 micromètres) mais réfléchit une partie du rayonnement dans le spectre du Soleil (0,3 à 4 micromètres). Les corps noirs émettent des radiations avec les mêmes longueurs d'ondes qu'ils absorbent. Leur émissivité est égale à leur coefficient d'absorption. Si, pour un intervalle de longueur d'onde donné, un corps émet de l'énergie comme un corps noir (selon la loi de Planck) on dit que son émissivité est 1 dans cet intervalle. S'il émet 50% de cette énergie son émissivité est 0,5. Le sol et les nuages se comportent comme un corps noir dans la bande de l'infrarouge éloigné. Les gaz de l'atmosphère, par contre, émettent (et absorbent) des radiations seulement dans certaines bandes de longueurs d'onde et dans le spectre du Soleil et dans le spectre de l'infrarouge éloigné. Absorption par l'atmosphère Si un corps a une émissivité égale à 1 pour une certaine bande de longueurs d'onde, le corps absorbe tous les rayonnements appartenant à cette bande qui arrivent sur sa surface. Voir figure ci-dessous. source: Courtin, et al., 1992 Figure 3-3: L amplitude de l effet de serre est liée à la transmission des basses couches de l atmosphère pour le rayonnement infrarouge. La courbe (A) représente l absorption du mélange de gaz carbonique et de vapeur d eau (qui sont les principaux «gaz à effet de serre» sur Terre). On voit une «fenêtre» importante entre 0,5 et 1 µm de longueur d onde, ce qui laisse le passage libre au rayonnement solaire visible, très puissant de cette zone (partie gauche de la courbe B). À partir de 4 µm de longueur d onde, l absorption de l atmosphère (courbe A) est importante, sauf dans une fenêtre située entre 8 et 12 µm. La partie droite de la courbe B donne le rayonnement planétaire dont le maximum est situé à une longueur d onde bien plus grande que celui du 3-3
Soleil car la température est plus faible. Le rayonnement émis par la terre peut «s échapper» par la fenêtre 8-12 µm et limite l amplitude de l effet de serre. Dans cette figure, nous voyons que les gaz atmosphériques sont transparents aux rayons du Soleil (0,4 à 0,7 micromètre) mais absorbent une grande fraction des radiations émises par la Terre (4 à 80 micromètres) à l'exception d'une "fenêtre" entre 8 et 12 micromètres. Cette bande de longueurs d'onde est la fenêtre à travers laquelle la Terre renvoie l'énergie vers l'espace. Cette perte d'énergie est nommée "refroidissement radiatif". Le refroidissement radiatif est intense pendant les nuits sans nuages. L'absence de nuages permet à plus de radiation terrestre de s'échapper vers l'espace parce que les nuages absorbent même les radiations terrestres dans la fenêtre. Ils se réchauffent donc davantage, et émettent à leur tour (aussi dans la bande de fenêtre) en toutes les directions, dont une partie retourne au sol pour y être absorbée. Effet de serre La plupart de l'énergie solaire traverse l'atmosphère et arrive au sol (50%). Par contre 90% de l'énergie émise par le sol est absorbée par l'atmosphère (gaz et nuages). L'atmosphère (gaz et nuages) se réchauffe alors davantage et émet l'énergie dans toutes les directions, une partie est donc absorbée à nouveau par le sol. Le sol reçoit ainsi deux fois plus d'énergie infrarouge éloignée que d'énergie directement du Soleil. Le comportement radiatif du système Terre - atmosphère est souvent comparé à celui d'une serre. L'énergie de courte longueur d'onde (UV et Visible) pénètre l'atmosphère. Cette énergie est absorbée, diffusée, réfléchie et une grande fraction (50%) de la quantité originale atteint le sol. La quantité totale réfléchie vers l'espace (30%) est l'albédo terrestre. Dans une serre l'énergie incidente est elle aussi absorbée, diffusée et réfléchie. Le verre absorbe le rayonnement UV qui dans l'atmosphère est absorbé par l'ozone. La plupart des rayons visibles entrent dans la serre où ils sont absorbés par le sol et les plantes. Le sol et les plantes se réchauffent et émettent des radiations infrarouges. Comme le verre n'est pas transparent aux IR, une bonne partie de l'énergie est absorbé par le verre qui se réchauffe et émet des radiations infrarouges dans toutes les directions dont une bonne partie vers l'intérieur qui s'ajoute à l'énergie dans le visible. (Le verre aussi réduit la perte de chaleur par conduction et convection mais cette analogie ne s'applique pas à l'atmosphère). 3-4
source: Courtin, et al., 1992 Figure 3-4 Dans l'environnement, l'eau et la surface terrestre sont aussi chauffées par les radiations visibles et émettent l'énergie dans la bande de IR. Les rayons infrarouges en dehors de la "fenêtre" (entre 8 et 12 micromètres) sont absorbés par la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone (CO 2 ) et les aérosols de la basse atmosphère (Troposphère). Les nuages, lorsqu'ils sont présents absorbent même dans la "fenêtre". L'air se réchauffe. Le réchauffement de l'atmosphère et le réchauffement d'une serre sont des mécanismes semblables d'où l'habitude d'utiliser le terme "effet de serre" pour faire référence au réchauffement de la planète. Cet effet n'est pas nécessairement une catastrophe. Sans cela, la température moyenne du globe serait de 35 C plus froide: -20 C au lieu de +15 C, et la vie telle que nous la connaissons serait impossible. 3-5
Gaz à effet de serre: Les gaz qui dans l'atmosphère ont la propriété de laisser passer le rayonnement qui nous arrive du soleil (0,3 à 4 micromètres) et d'absorber les rayons qui proviennent de la Terre (4 à 80 micromètres) sont dits "gaz à effet de serre". Les principaux sont: 1 - Le Gaz carbonique, CO 2, produit par les combustions et par la respiration et la décomposition de la matière vivante. 2 - Les clorofluorocarbures, CFC, entièrement d'origine humaine, utilisés dans les bombes à aérosols, les mousses expansées, les solvants, la réfrigération: ils sont aussi responsables de l'amenuisement de la couche protectrice d'ozone de la stratosphère. 3 - Le méthane, CH 4, vient des marais, des rizières, des fermentations gastriques de certains animaux, des décharges d'ordures. 4 - Le protoxyde d'azote, N 2 O, est produit par certaines combustions et par l'action des bactéries du sol sur les engrais azotés. 5 - L'ozone, O 3, de la basse atmosphère, est surtout dérivé des polluants automobiles. Le danger pour la planète ne vient pas de l'effet de serre lui même mais de son probable renforcement. En effet, des mesures précises ont montré que les concentrations de gaz à effet de serre se sont nettement accrues depuis le début de l'ère industrielle. Sources et puits des gaz à effet de serre: Les "puits" d'une substance sont les processus qui la font disparaître du milieu où elle se trouve, soit physiquement en la transportant ailleurs, soit chimiquement (ou biochimiquement) en la transformant en autre chose. Clorofluorocarbures, CFC: C'est la situation la plus simple. Ces gaz, inventés vers 1930, sont entièrement d'origine humaine. Ce sont des composés extrêmement stables. Au bout de quelques dizaines d'années ils montent dans la stratosphère et s'y transforment en d'autres composés chlorés qui rongent la couche protectrice d'ozone. Ozone de la troposphère: Ce gaz est surtout formé à partir de divers polluants sous l'action de la chaleur et des rayons ultraviolets du soleil. C'est un des composants du brouillard photochimique (smog). Formé dans les villes et près des voies à grande circulation, l'ozone que demeure sur place est transformé la nuit en oxygène par des réactions d'oxydation, en particulier la transformation du monoxyde d'azote (NO), "puits d'ozone" en dioxyde (NO 2 ). Protoxyde d'azote, N 2 O: Les sources de ce gaz sont pour les deux tiers naturelles, et pour un tiers dues aux activités humaines (anthropogéniques). Le "puits" de N 2 O est sa photolyse dans la stratosphère. La montée prend 5 à 8 ans. En haut la photolyse prend en moyenne 170 ans. Méthane, CH 4 : Comme le précédent, ce gaz a des sources naturelles (40%) et anthropogéniques (60%). Les sources naturelles sont essentiellement les marais et zones humides, les termites et autres insectes, océans, fermentations gastriques (faune sauvage), lacs, toundra et autres. Les sources humaines sont principalement les fermentations gastriques (bétail), brûlage de biomasse, rizières, décharge d'ordures, pertes de gaz naturel. Les "puits" sont des réactions chimiques dans la troposphère le transport et des réactions dans la stratosphère et absorption par les bactéries du sol. Les puits sont moins efficaces que les sources ce qui explique la monté des concentrations de méthane. 3-6
Gaz carbonique, CO 2 : le carbone constitue environ 4 % de la masse de la Terre, mais la plus grande partie est contenue dans des roches stables. Ce qui nous importe sont les 0,04 % qui circulent entre l'atmosphère, les océans et la biomasse dans ce qu'on appelle le cycle du carbone. Le carbone entre et sort de la biomasse par les réactions (inverses) de photosynthèse et de respiration (plus combustion et décomposition). Grosso modo, la photosynthèse a lieu le jour et la respiration la nuit. Pour le gaz carbonique atmosphérique, les sources sont les océans (respiration de la biomasse, rejets de CO 2 dissous), la biomasse terrestre (respiration, décomposition), combustibles fossiles (combustion), déforestation, défrichage, bétonnage. Les puits sont les océans (photosynthèse, dissolution), photosynthèse par la biomasse terrestre. Les sources sont plus importantes que les puits. Ainsi environ 3 milliards de tonnes de gaz carbonique s'accumulent chaque année dans l'atmosphère. source: Courtin, et al., 1992 Figure 3-5 3-7
Comprendre l effet de serre énergie fenêtre aile gauche aile droite 4µm longueur d'onde 50 µm Figure 3-6 Avant d aborder l effet de serre, il faut savoir que la figure 3-6 représente un spectre d énergie, c est-à-dire la quantité d énergie qui est émise pour chaque longueur d onde. La ligne noire représente l énergie émise pour chaque longueur d onde par un corps noir à une certaine température. Il faut aussi mentionner que l énergie totale est représentée sur la figure 3-6 par l aire sous la courbe. On peut diviser la figure 3-6 en trois parties. La partie du centre représente la quantité d énergie qui est émise entre 8 µm et 12 µm. Cette partie se nomme la fenêtre puisque, cette énergie n est presque pas absorbée par l atmosphère en absence de nuage (voir les figures 2-6 c et 3-3) et donc, selon la loi de Kirchoff, l atmosphère sans nuages n émettra pas non plus dans cette bande. C est donc par cette fenêtre que le sol envoie, en absence de nuage, l énergie directement vers l espace. Les parties de gauche et de droite se nomment les ailes. La partie de gauche se nomme l aile gauche et cette partie représente la quantité d énergie qui est émise entre 4 µm et 8 µm. La partie de droite est l aile droite et représente la quantité d énergie qui est émise entre 12 µm et plus de 50 µm. Dans ces bandes, les gaz atmosphériques sont de très bons absorbants (voir les figures 2-6 c et 3-3) et donc, selon la loi de Kirchoff, de bons émetteurs aussi. 3-8
Hauteur (Z) vers l'espace D f - 18 5 C énergie venant de la couche au-dessus du sol à T=12 C 4µm longueur d'onde 50 µm énergie D a D b énergie radiative émise par le sol à 15 C 10 C énergie G a G b +6 0-7 -20 +13 4µm longueur d'onde 50 µm sol T=15 C énergie radiative absorbée par le sol (nuit nuageuse) bilan radiatif: -26 nuit clair Figure 3-7 3-9
L effet des nuages Hauteur (Z) 3 longueur d'onde nuage énergie énergie venant du sol énergie radiative absorbée par le nuage 0 C énergie 4µm longueur d'onde 50 µm 2 énergie radiative émise par le nuage à 0 C longueur d'onde énergie venant du nuage énergie venant de la couche au-dessus du sol énergie - 18 énergie venant de l'atmosphère au-dessous du nuage énergie radiative émise par le sol à 15 C 5 C 10 C température de l'atmosphère 4 énergie + 16 1 + 6 + 13-7 4µm longueur d'onde - 20 50 µm sol T=15 C énergie radiative absorbée par le sol (nuit nuageuse) bilan radiatif: -10 nuit nuageuse Figure 3-8 Maintenant, nous allons pouvoir comprendre pourquoi, toutes autres conditions égales, qu il fait plus chaud une nuit nuageuse qu une nuit où le ciel est clair. Dans le cas d une nuit claire, sur la figure 3-7, il n y a pas de nuage au coucher du Soleil et la température du sol est de 15 C. Le sol émet comme un corps noir (courbe à droite) selon la loi de Planck. On voit que l énergie dans la fenêtre (D f ) s échappe vers l espace puisque l atmosphère n absorbe pas dans cette bande. En plus, si l atmosphère n absorbe pas dans cette bande, selon la loi de Kirchoff, elle n émet pas non plus. C est donc pourquoi il n y a pas d énergie dans la fenêtre qui arrive au sol dans la figure 3-7 à gauche. Pour ce qui est des ailes, celles qui proviennent du sol sont absorbées par l atmosphère qui est juste au-dessus du sol (elles sont représentées par les flèches D a et D b ). Parce que l atmosphère absorbe ces bandes, selon la loi de Kirchoff, elle émet aussi. Donc, les ailes qui arrivent (et sont absorbées) au sol proviennent de la couche juste au-dessus du sol. Parce que la température diminue avec la hauteur, la couche de l air au-dessus du sol est plus froide que le sol. Étant donné que l énergie émise dépend de la température, l énergie venant de l atmosphère dans les ailes est légèrement plus petite que l énergie émise dans les ailes du sol (on remarque que les flèches G a et G b sont légèrement plus petites que les flèches D a et D b ). On peut faire maintenant un bilan d énergie reçue à la surface. Dans la figure 3-7 à droite, on voit qu il y a 27 unités qui partent des ailes et 18 unités qui partent de la fenêtre. Pour la 3-10
figure 3-7 à gauche, il y a 19 unités qui arrivent au sol des ailes et rien qui arrive au sol de la fenêtre. Si on considère positif ce qui arrive au sol et négatif ce qui quitte le sol, en soustrayant ce qui arrive et ce qui part, on a donc 19 45 = -26. On a donc un bilan radiatif négatif au sol, c est-à-dire qu il y a plus d unités qui quitte le sol que d unités qui en arrivent, ce qui fait le sol se refroidit. Pour une nuit nuageuse, parce que l atmosphère n absorbe pas l énergie émise dans la fenêtre, on voit sur la figure 3-8 que l énergie émise par le sol (courbe 1) dans la fenêtre arrive au nuage et l énergie émise par le nuage (courbe 3) dans la fenêtre arrive au sol. En ce qui concerne le reste de l énergie émise par le sol, les ailes du spectre sont complètement absorbées par l atmosphère entre le sol et le nuage. On remarque aussi qu il y a des ailes qui sont présentes sur le spectre d énergie qui est absorbé par le nuage (courbe 2). Ces ailes sont de l énergie émise par une couche atmosphérique située juste au-dessous du nuage. Pour ce qui est de l énergie émise par le nuage, les ailes du spectre sont aussi complètement absorbées par l atmosphère (entre le nuage et le sol). Donc, les ailes que l on retrouve sur le spectre au sol, ce sont les ailes du spectre d énergie émise par une couche atmosphérique juste au-dessus du sol. En faisant le bilan radiatif de ce qui arrive au sol, on voit que sur la courbe 1, il y a 27 unités qui partent des ailes et 18 unités qui partent de la fenêtre, ce qui donne 45 unités qui quittent le sol. Sur la courbe 4, il y a 19 unités qui arrivent au sol des ailes et 16 unités qui arrivent au sol de la fenêtre, ce qui donne 35 unités qui arrivent au sol. En soustrayant ce qui arrive au sol et ce qui quitte le sol, on a: 35 45 = -10 unités. On a donc un bilan radiatif négatif au sol. En comparant le cas du ciel clair (figure 3-7) et le ciel nuageux (figure 3-8), on voit que le bilan est plus négatif en ciel clair qu en ciel nuageux (-26 unités contre -10 pour une même quantité d énergie émise par le sol (45 unités)). Cette différence est dûe au fait que dans le cas nuageux, le sol reçoit l énergie émise dans la fenêtre par le nuage (16 unités) alors que dans le cas du ciel clair, comme il n y a pas de nuage, l énergie de la fenêtre est absente donc, comme le sol reçoit 16 unités de moins dans le cas d une nuit claire, le sol refroidit plus vite. C est donc pourquoi il fait plus chaud lors d une nuit nuageuse que lors d une nuit où le ciel est clair. Tout autres conditions égales, si le nuage est plus haut, donc plus froid, qu arrive-t-il au bilan d énergie au sol? Parce qu on est à conditions égales, la température du sol est la même donc, l énergie émise par le sol est la même. Comme la température décroît avec la hauteur, plus un nuage est haut, plus il est froid. Plus un nuage est froid moins il émet d énergie dans la fenêtre. Ceci fait que la quantité d énergie reçue par le sol dans la fenêtre est moins grande pour un nuage haut que pour un nuage plus bas. On se retrouve donc avec un bilan radiatif au sol qui est plus négatif dans le cas d un nuage haut que dans le cas d un nuage bas. Donc, le sol va refroidir plus rapidement lorsqu on a un nuage haut que lorsqu on a un nuage bas et, pour toutes conditions égales, les nuits avec des nuages bas sont plus chaudes que celles avec des nuages plus hauts. On peut donc dire que lorsqu on a des nuages bas il fait plus chaud, lorsqu on a des nuages haut il fait un peu plus froid et lorsqu il y a absence de nuages, il fait encore plus froid. 3-11
Z T=2 C 2Km température moyenne de la couche: 7 C T=9 C 1Km molécules de gaz absorbant T=12 C 0,5 Km température moyenne de la couche: 12 C E A E S EA E S EA=+3 ES= -5 nuit sèche température au sol: 15 C Figure 3-9 Z T=2 C 2Km température moyenne de la couche: 5 C T=9 C T=12 C 1Km 0,5 Km molécules de gaz absorbant température moyenne de la couche: 10 C E A E S E A E S température moyenne de la couche: 13 C EA=+4 ES= -5 nuit humide température au sol: 15 C L effet de vapeur d eau Figure 3-10 3-12
En se référant à la figure 2-6, on voit que la vapeur d eau absorbe beaucoup et donc, selon la loi de Kirchoff émet beaucoup entre 2,5 µm et 3,5 µm, entre 4,5 µm et 7 µm, et entre 18 µm et près de 100 µm. Afin de comprendre pourquoi, tout autres conditions égales, il fait plus froid une nuit sèche et qu il fait plus chaud une nuit humide, on va considérer pour le cas de la vapeur d eau qu on se trouve dans ces bandes d absorption Sur les figures 3-9 et 3-10, où on considère que les molécules des figures sont des molécules de vapeur d eau. Tout d abord, il faut considérer les quatre aspects suivants: 1) De la loi de Planck, on sait que l émission de l énergie radiative est essentiellement une fonction de la température (f (T)). Plus il fait chaud, plus la quantité d émission est grande. Même un corps noir qui reçoit aucune radiation va émettre de la radiation selon sa température et la loi de Planck. De plus, un objet dont la température est très froide peut recevoir beaucoup d énergie, mais il ne va émettre que très peu d énergie. 2) Même si dans une bande on a un gaz qui est un bon absorbant - émetteur (corps noir dans la bande), il faut quand même avoir assez de molécules de ce gaz pour tout absorber dans la bande et émettre selon la loi de Planck dans la bande. 3) Si on connaît le nombre de molécules de gaz dans l atmosphère, on peut déterminer l épaisseur de la couche nécessaire pour tout absorber et émettre selon la loi de Planck. 4) La température de l atmosphère décroît avec la hauteur dans la couche. Dans les figures 3-9 et 3-10, supposons qu il faut 13 molécules pour émettre de l énergie selon la loi de Planck (représenté par 13 points sur les figures). Dans ce cas, pour une nuit humide (figure 3-10), ça prend seulement une couche de 0,5 km pour avoir assez de molécules pour émettre de l énergie selon la loi de Planck. Dans le cas d une nuit sèche (figure 3-9), la couche qui possède assez de molécules afin d émettre de l énergie selon la loi de Planck a une épaisseur de 1 km. Comme la température de l atmosphère décroît avec la hauteur, on va pouvoir déterminer la température moyenne de chaque couche. On voit que plus la couche au-dessus du sol possède des molécules pouvant émettre de l énergie selon la loi de Planck, est épaisse, plus sa température moyenne est froide et plus cette couche est mince, plus sa température sera élevée. On remarque que sur la figure 3-10, la couche de 0,5 km est plus chaude en moyenne que la couche de 1 km sur la figure 3-9. Étant donné que la couche de 0,5 km d épaisseur sur la figure 3-10 (nuit humide) est en moyenne plus chaude que la couche de 1 km d épaisseur sur la figure 3-9 (nuit sèche), la couche de 0,5 km d épaisseur (nuit humide) émettra plus d énergie vers le sol (qui est tout absorbé par le sol). Le sol reçoit donc, plus d énergie dans l infrarouge les nuits humides que les nuits sèches (comparer la longueur des E A dans les figures 3-9 et 3-10). Notez que le sol reçoit de l énergie seulement de la couche de 13 molécules. Les couches supérieures émettent elles aussi de l énergie, cependant, cette énergie est absorbées par les 13 molécules qui sont suffisante pour tout absorber l énergie, donc, cette énergie n arrive pas au sol. De plus, comme les températures de surface dans ces figures sont égales dans les deux cas (nuit sèche et nuit humide), soit de 15 C, la quantité d énergie émise (E S ) par le sol est la 3-13
même dans les deux figures ( 5 unités dans chaque cas ). Donc, le bilan radiatif infrarouge (différence entre la radiation émise par le sol et celle reçue de l atmosphère) est de -2 unités dans le cas d une nuit sèche, alors qu il est de -1 unité lors d une nuit humide. Lord d une nuit sèche, le bilan radiatif est plus négatif que pour une nuit humide, donc le sol refroidit plus vite durant une nuit sèche. L effet de doublement de CO 2 Le raisonnement est similaire pour ce qui est du dioxyde de carbone (CO 2 ). Lorsqu on augmente la concentration de CO 2, on augmente le nombre de molécules de CO 2. Donc, si on double la concentration du gaz, pour une couche de même épaisseur, on va avoir deux fois plus de molécules. Ceci se voit très bien sur les figures 3-9 et 3-10 où, pour une couche atmosphérique de 1 km il y a 13 molécules dans le cas 1CO 2 (figure 3-9) et 26 molécules si on considère que la concentration de dioxyde de carbone à doublée (2CO 2, figure 3-10). Si comme dans le cas de la vapeur d eau on suppose qu il faut 13 molécules de CO 2 pour émettre de l énergie selon la loi de Planck alors, l épaisseur de la couche qui sera nécessaire afin d émettre de l énergie selon la loi de Planck sera deux fois moins grande pour le cas de 2CO 2, c est-à-dire 0,5 km (voir figure 3-10). Tout comme dans le cas précédant, puisque la température décroît avec la hauteur, la température moyenne de la couche 2CO 2 (figure 3-10) sera plus chaude que celle de 1CO 2 (figure 3-9) et l énergie reçue par le sol sera plus grande dans le cas 2CO 2. Donc, on aura un bilan radiatif plus positif lorsque la concentration de CO 2 augmente, c est-àdire que le sol refroidit moins rapidement. On comprend maintenant pourquoi il fait plus chaud lorsque la concentration du CO 2, qui est un gaz à effet de serre, augmente. Les saisons La répartition de l'énergie reçue du Soleil et émise par la Terre est très inégale. La quantité de radiation solaire tombant sur un mètre carré de surface terrestre horizontale dépend de plusieurs facteurs. Les plus importants sont de natures géométriques. La Terre décrit une orbite complète autour du Soleil en une année. Cette orbite est elliptique. En moyenne la distance entre la Terre et le soleil est 150 millions de kilomètres. Elle varie d'un maximum de 153 millions de kilomètres à un minimum de 147 millions de kilomètres. La Terre se déplace dans un plan qui passe par le centre du Soleil et que l'on appelle le plan de l'écliptique. La Terre tourne sur elle même en une journée. Cette rotation se fait autour d'un axe passant par les pôles nord et sud. L'axe de rotation de la Terre (à courte échéance) garde toujours la même orientation par rapport aux étoiles éloignées (fixes). Cet axe est incliné 66.5 par rapport au plan de l'écliptique. 3-14
source: Hidore 1984 p.30 Figure 3-11: Orbite de la Terre autour du Soleil, les saisons et les variations de la longueur des journées La quantité d'énergie reçue dans les différentes latitudes dépend de l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre par rapport au plan de l'orbite et de la distance Terre - Soleil. Quand un faisceau de lumière arrive obliquement sur une surface, la densité d'énergie de radiation par mètre carré de la surface est moindre que s'il arrive plus perpendiculairement à la surface. Au long de l'année, le déplacement de la Terre autour du Soleil change l'angle d incidence de la radiation sur la surface horizontale à toutes les latitudes. Selon la latitude, ceci peut faire varier grandement la densité de l'énergie de radiation par mètre carré de surface horizontale. Par exemple, à la latitude de Montréal, 45 Nord, la densité la plus grande est mesurée vers la fin du mois de juin alors que la distance entre la Terre et le soleil est près de son maximum. Inversement, c'est à la fin du mois de décembre que la densité de radiation solaire y passe par son minimum annuel, alors que la distance entre la Terre et le Soleil est près de son minimum. 3-15
source: Anthes 1992 p.57 Figure 3-12: L intensité de la radiation solaire dépend de l angle avec lequel les rayons du Soleil touchent la surface terrestre. (a) Les angles d incidence a, b, c et la distance parcourue par les rayons dans l atmosphère, d1, d2 et d3 à différentes latitudes. (b) La variation de l aire touchée par les rayons selon différents angles d incidences. C'est cette variation de l'inclinaison relative de l'axe de rotation de la Terre par rapport au Soleil qui est le facteur principal dans la succession des saisons. La température maximale est de 1 à 2 mois en retard par rapport au maximum d'insolation parce que la Terre et surtout la mer, prennent du temps à se réchauffer à cause de leurs grandes capacités de stocker de l'énergie. Au fur et à mesure qu'ils se réchauffent, la quantité d'énergie d'infrarouge émise augmente jusqu'au moment où l'infrarouge émis égal au rayonnement solaire reçu. 3-16
Maximum de température diurne Par une belle journée, le maximum de température ne se produit que vers le milieu ou la fin de l'après-midi plusieurs heures après le maximum d'insolation. En effet la température augmente lorsque le bilan d'énergie radiatif du sol est positif. C est-à-dire lorsque le sol reçoit plus d énergie du Soleil qu il n en perd. source: Anthes 1992 p.62 source: Devuyst 1972 p.28 Figures 3-13 source: Anthes 1992 p.62 Dans la région autour de l'équateur l'absorption d'énergie solaire est plus importante que la perte par émission infrarouge alors que l'on observe l'inverse dans les régions polaires. Cette situation donne un bilan radiatif positif dans la région équatoriale et un bilan négatif près des pôles. Ce résultat, en soi, signifierait une augmentation constante de la température à l'équateur et une baisse constante de température près des pôles. On ne l'observe pas parce que la circulation atmosphérique (vents) et océanique (courants) transfert de l'énergie de l'équateur vers les pôles. 3-17
source: Devuyst 1972 p.31 Figure 3-14: Les courbes I et II représentent la moyenne annuelle d insolation et d émission d ondes longues respectivement, à la tropopause. Figure 3-15: Radiation moyenne absorbée (I) et émise (II) par la Terre et son atmosphère. 3-18
source: Hidore 1984 p.63 Figure 3-16: Distribution mondiale de la variation moyenne de température pour une année. 3-19
source: Hidore 1984 p.61 Figure 3-17: Distribution mondiale de la température moyenne pour le mois de Janvier. 3-20
source: Hidore 1984 p.62 Figure 3-18: Distribution mondiale de la température moyenne pour le mois de Juillet. 3-21
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