Bilan thermique du système Terre-atmosphère

Merci !

Fiches
Classe(s) : Tle Générale | Thème(s) : Gaz parfait et bilans d’énergie


Le système Terre-atmosphère reçoit et perd de l’énergie. L’énergie reçue provient du Soleil sous forme radiative. Cette énergie est en partie réfléchie par le système et en partie absorbée.

I Bilan d’énergie de la Terre

L’énergie reçue par le système Terre-atmosphère est essentiellement de l’énergie radiative en provenance du Soleil.

06466_C11_02

L’albedo est le rapport du flux réfléchi total (77 + 30 = 107 W · m2) sur le flux reçu, égal à environ 30 %.

La surface terrestre émet un rayonnement infrarouge en partie vers l’espace et en partie absorbé par l’atmosphère. L’atmosphère émet alors un rayonnement en direction de l’espace et vers la surface de la Terre. C’est l’effet de serre.

À noter

L’effet de serre est dû à certains gaz de l’atmosphère : vapeur d’eau, dioxyde de carbone, méthane.

Le bilan global radiatif du système Terre-atmosphère est nul car le flux d’énergie reçu depuis l’espace (342 W · m2) est égal au flux sortant (77 + 30 + 40 + 195 = 342 W · m2) : la température moyenne sur Terre reste constante au cours du temps.

II La température moyenne de la Terre

La formule de Stefan-Boltzmann permet de calculer la température de surface de la Terre à partir du flux radiatif émis par celle-ci (390 W · m2) :

Tableau de 1 lignes, 2 colonnes ;Corps du tableau de 1 lignes ;Ligne 1 : ϕ=σ×T4; φ puissance émise par unité de surface en W · m−2 ;T en kelvins (K) ;σ constante de Stefan-Boltzmann σ=5,67×10−8 W ·  m−2 ·  K−4;

La température obtenue est égale à 288 K (15 °C). Le rayonnement émis vers l’espace est égal à 235 W · m2 (= 40 + 195), ce qui donnerait une température de −18 °C. La différence est due à l’effet de serre.

Méthode

Effectuer un bilan quantitatif d’énergie et estimer une température

La surface terrestre reçoit un flux d’énergie qui est réparti de la façon suivante :

Tableau de 2 lignes, 3 colonnes ;Corps du tableau de 2 lignes ;Ligne 1 : Flux; rayonnement UV, visible émis par le Soleil; rayonnement infrarouge émis par l’atmosphère; Ligne 2 : Valeur (W · m−2); 168; 222;

La surface terrestre émet un flux d’énergie qui est réparti de la façon suivante :

Tableau de 2 lignes, 3 colonnes ;Corps du tableau de 2 lignes ;Ligne 1 : Flux; rayonnement infrarouge émis vers l’atmosphère; rayonnement infrarouge émis vers l’espace; Ligne 2 : Valeur (W · m−2); 350; 40;

a. Réaliser le bilan global d’énergie de la surface de la Terre.

b. Calculer la température de surface de la Terre, en degrés Celsius, la formule de Stefan-Boltzmann étant donnée : ϕ=σ×T4 avec φ puissance émise par unité de surface en W · m2 ; T en kelvins (K) ; σ constante de Stefan-Boltzmann σ=5,67×108 W · m2 · K4.

c. Pour quelle raison tout le rayonnement infrarouge émis par la surface de la Terre n’est-il pas émis vers l’espace ?

Conseils

a. Un bilan consiste à soustraire aux gains d’énergie, les pertes d’énergie.

b. La Terre émet des rayonnements infrarouges. Le lien entre la température thermodynamique T et la température t est : T (K) = t (°C) + 273.

Solution

a. Le bilan global d’énergie de la surface de la Terre s’écrit :

Δφ = somme des flux d’énergies reçues – somme des flux d’énergies perdues

Δφ = (168 + 222) − (350 + 40) = 390 − 390 = 0 W · m2.

b. Isolons la température T en kelvins dans la formule :

ϕ=σ×T4T4=ϕσT=ϕσ1/4.

Calculons le flux associé au rayonnement infrarouge :

ϕ=350+40=390 W · m2.

Calculons la température T : T=3905,67×1081/4=288 K.

Déterminons la température t en degrés Celsius :

T=t+273t=T273=288273=15°C.

c. Le rayonnement infrarouge est absorbé en partie par la vapeur d’eau, le méthane et le dioxyde de carbone de l’atmosphère : c’est l’effet de serre.