Retour à Thème 2 : le Soleil, notre source d’énergie

Chapitre 1 : la Terre et l’énergie solaire

I. La puissance solaire

La Terre reçoit l’essentiel de son énergie du Soleil et on détermine la quantité d’énergie solaire reçue par la Terre par la puissance solaire ou puissance radiative. Celle-ci correspond à la quantité d’énergie solaire reçue par unité de surface pendant 1 seconde. Elle s’exprime en Watt / m².

Compte tenu de la distance qui sépare la Terre du Soleil (environ 150 000 000 km), on peut considérer que tous les rayons solaires qui atteignent la surface terrestre sont parallèles entre eux et « apportent » chacun la même quantité d’énergie.

II. L’inégale répartition de l’énergie solaire reçue par la Terre

La quantité d’énergie solaire reçue par la Terre est donc proportionnelle à l’aire de la surface qui reçoit l’énergie solaire : plus la surface est grande, plus la quantité d’énergie est répartie sur une grande surface et donc plus la puissance solaire est faible. Cette surface est donc directement dépendante de l’angle d’incidence des rayons solaires sur la surface du globe : plus les rayons arrivent perpendiculairement à la surface, plus la surface éclairée est faible et plus la puissance solaire reçue par unité de surface est élevée.

Compte tenu de la forme ronde du globe, la puissance solaire varie en fonction de la latitude (puissance solaire diminue en se rapprochant des pôles) et de l’heure (puissance solaire diminue à partir de midi).

Compte tenu de l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre, la puissance solaire varie en fonction des saisons (puissance solaire diminue dans l’hémisphère Nord à partir du début de l’été).

La puissance solaire reçue par unité de surface sur Terre est donc inégale.

III. Le bilan radiatif terrestre

Le bilan radiatif de la Terre correspond à la différence entre l’énergie reçue et l’énergie perdue par le système climatique terrestre, donc au niveau de l’atmosphère, du sol et des océans. Lorsque le bilan est nul, la température moyenne de notre planète reste stable. Le réchauffement climatique actuel indique que ce bilan est aujourd’hui modifié (différence s’accroît, donc accumulation d’énergie).

Quels sont les paramètres qui interviennent dans ce bilan et comment expliquer le réchauffement climatique actuel ?

A. La puissance solaire reçue par la Terre

La proportion de la puissance totale émise par le Soleil et atteignant la Terre est déterminée par le rayon terrestre et sa distance au Soleil. La puissance solaire reçue par la Terre en 24h au sommet de l’atmosphère est d’environ 342 W.m².

B. L’albédo limite la puissance solaire absorbée par la Terre

Une fraction de cette puissance solaire est réfléchie vers l’espace, soit au niveau de l’atmosphère, soit au niveau de la surface terrestre. Cette fraction est quantifiée par l’albédo terrestre moyen qui correspond au rapport entre la puissance solaire réfléchie et la puissance solaire incidente. Sa valeur est d’environ 30% (100 W.m²) et dépend de la nature de la surface terrestre et des caractéristiques de l’atmosphère.

C. L’absorption de l’énergie solaire et l’effet de serre

Sur les 70% de la puissance solaire non réfléchie, l’atmosphère en absorbe 20%. La surface terrestre absorbe donc environ 50 % de la puissance solaire ce qui entraîne une augmentation de sa température augmente. Comme tout objet chauffé, la surface terrestre émet alors des rayonnements infrarouges. La puissance de ce rayonnement augmente avec la température de la surface terrestre.

Une fraction de ces rayonnements infrarouges (IR) est absorbée par les gaz à effet de serre (GES) qui constituent l’atmosphère (CO2, CH4, NO2, vapeur d’eau). L’atmosphère se réchauffe alors et émet à son tour un rayonnement IR dont une partie est diffusée vers l’espace et une autre vers le sol terrestre.

Ainsi, en raison de la présence d’une atmosphère, la surface de la Terre reçoit de l’énergie provenant des rayonnements solaires et des rayonnements infrarouges provenant de l’atmosphère.

Cela conduit à une augmentation de la température terrestre appelée effet de serre qui correspond donc au mécanisme d’augmentation de la température terrestre induit par la présence de l’atmosphère. La température moyenne de la surface terrestre (15 °C) est donc le résultat d’un équilibre dynamique entre, d’une part, l’émission infrarouge de la surface et, d’autre part, l’absorption du rayonnement solaire et du rayonnement infrarouge issu de l’atmosphère.

Aujourd’hui, l’augmentation de la teneur en GES dans l’atmosphère entraîne une amplification de l’effet de serre, donc une plus grande puissance reçue par le sol en provenance de l’atmosphère. Il n’y a plus d’équilibre ce qui se traduit par un réchauffement global de la planète.