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Bilan énergétique de la Terre et rôle de l'effet de serre JeanLouis Dufresne L

Bilan énergétique de la Terre et rôle de l'effet de serre JeanLouis Dufresne LMD/IPSL; CNRS/UPMC dufresne@lmd.jussieu.fr http://web.lmd.jussieu.fr/~jldufres/IUFM_Creteil/  Rayonnement infrarouge et température d'équilibre  Principe de l'effet de serre  Bilan énergétique de la Terre et redistribution de l'énergie en latitude  Effet de serre et changement climatique Bilan énergétique de la Terre et rôle de l'effet de serre Énergie émise (fonction de Planck) en fonction de la longueur d'onde, à 6000°C (soleil), à 2200°C (lampe à filament), à 700°C (lave de volcan) et à 30°C. 6000°C 2200°C 700°C 30°C T=30°C T=700°C T=2200°C T=6000°C Emission rayonnement électromagnétique Longueur d'onde (µm) Longueur d'onde (µm) 0.4 0.8 2 10 50 4 0.2 0.4 0.8 2 10 50 4 0.2 Idem fig. cidessus, mais spectre normalisé . Émission de rayonnement électromagnétique Tout corps perd de l'énergie en émettant un rayonnement dont l'intensité et le spectre dépend de la température absolue T. • dépendance spectrale: lois de Planck • intégration sur tout le spectre: P= T4 P: puissance (W.m2) T: température (K) : constante de StefanBoltzmann (5,67.108W.m2.K4) a) plaque isolant b) c) Température d'équilibre • Si un objet reçoit plus d’énergie qu’il n’en perd, sa température augmente. • Comme sa température augmente, l'énergie perdue par émission de rayonnement augmente. • L’équilibre est atteint lorsque l’énergie que perd l'objet est exactement compensée par l’énergie qu’il reçoit. Température d'équilibre de la Terre Modèle énérgétique 0D Emission de rayonnement infrarouge 4.π R2 σ Te 4 Absorption du rayonnement solaire (1A) π.R2.F0 Équilibre énergétique: flux infrarouge émis = flux solaire absorbé 4 π R2  Te 4 = (1A)  R2 F0  Te 4 = ¼ (1A) F0 Avec Te: Température d'équilibre radiatif A : albédo planétaire F0: Flux solaire à l'extérieur de l'atmosphère  : constante de StefanBoltzmann Émission du corps noir Surface de la Terre Flux solaire à l'extérieur de l'atmosphère Coef. d'absorption Section de la Terre Température d'équilibre de la Terre (2) Modèle énergétique 0D Température d'équilibre radiatif de la Terre pour diverses valeurs de l'albédo. La valeur moyenne actuelle du globe est 0,3, ce qui correspond à une température de 255 °K (soit 18°C). La température de surface plus élevée (environ 15°C) est due à l'effet de serre. Albédo (c.àd. Pourcentage de rayonnement solaire réfléchi) de différents type de surface Neige fraîche 75 à 95% Surface de la mer 2 à 7 % Sol sombre 5 à 15% Cultures 15 à 25% La valeur moyenne actuelle de l'albédo de la Terre est 30%, notamment du fait de la présence de nuages.  Rayonnement infrarouge et température d'équilibre  Principe de l'effet de serre  Bilan énergétique de la Terre et redistribution de l'énergie en latitude  Effet de serre et changement climatique Bilan énergétique de la Terre et rôle de l'effet de serre a) plaque isolant b) c) a) c) d) b) vitre Principe de l'effet de serre Principe de l'effet de serre Une vitre opaque au rayonnement infrarouge couvre une surface éclairé par le soleil Expériences sur l'effet de serre Réalisation de serre de type "capteur solaire", avec une couverture plus ou moins transparente au rayonnement infrarouge.  Verre, ou plexiglas : opaque à l'infrarouge  Polyéthylène (ou certains plastics horticoles): transparent à l'infrarouge Mise en évidence de l'existence de rayonnement non visible émis par tout corps (par ex. la main) ● Détecteur de présence (alarme) ● Utilisation de différents écrans ➢ sans ➢ transparent au visible, opaque à l'infrarouge (plexiglas, polycarbonate...) ➢ transparent au visible et transparent à l'infrarouge (polyéthylène...) ➢ opaque au visible, transparent à l'infrarouge (polyéthylène teinté (sac poubelle)...) Spectres d'émission et d'absorption Pic de gauche: spectre solaire (idéalisé) au sommet de l'atmosphère. Pic de droite: rayonnement émis par un corps à 255 K Spectre d'absorption des divers gaz présents dans l'atmosphère. L'absorption du rayonnement solaire est totale pour l'ultraviolet lointain, et nulle ou très faible pour le visible et le proche infrarouge. Par contre, la plus grande partie du rayonnement émis par le sol est absorbé par la vapeur d'eau, sauf dans une étroite fenêtre, entre 8 et 14 μm. Source: G. Lambert, 1995 Transmission de quelques gaz à effet de serres Transmission à travers les principaux gaz à effet de serre du rayonnement infrarouge émis par le sol. Les valeurs indiquées correspondent à une concentration "standard" des gaz de l'atmosphère terrestre . Effet de serre (W.m2): Vapeur d'eau 75 60% CO2 32 26% ozone 10 8% N2O+CH4 8 6% Contribution à l'effet de serre H2O CO2 O3 N2O+CH4 H2O CO2 Principaux gaz à effet de serre O3 CH4 N2O Source: Meehl and Trenberth, 1997 Effet de saturation Concentration de CO2 (ppm) Absorptivité Longueur d'onde (μm) 5 10 15 20 25 Absorptivité moyenne sur le spectre infrarouge en fonction du CO2, pour différentes valeurs de H20 Absorptivité monochromatique du CO2 seul, en fonction de la longueur d'onde, pour différente concentration de CO2 Absorptivité 0 200 600 1200 1300 ppm atm. sèche 180 ppm atm. moyenne atm. tropicale pas de H2O 380 ppm 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 Effet de saturation (2) Variation, en fonction de l'épaisseur optique (a) du flux au sommet de l'atmosphère et (b) de l'augmentation de la température de surface (K) lorsque l'on double l'épaisseur optique. La température de l'atmosphère est soit uniforme sur la verticale (trait continu) soit décroît avec l'altitude (tirets) a) b) Flux (W.m2) Épaisseur optique Épaisseur optique ΔT Température Atmosphère quasitransparente: peu d'émission et peu d'absorption Profil vertical de température fixé Ze: altitude d’émission vers l’espace Ze: altitude d’émission vers l’espace Le rayonnement émis est absorbé par l'atmosphère avant d'atteindre l'espace Z Rayonnement solaire net Rayonnement solaire net dT/dz fixé par convection altitude Rayonnement IR sortant .T(ze)4= F Fs s F Fs s Effet de serre dans une atmosphère. Température Z Rayonnement solaire net Rayonnement solaire net dT/dz fixé par convection altitude Rayonnement IR sortant .T(ze)4= F Fs s F Fs s Rayonnement IR sortant .T(ze)4< F Fs s Rayonnement IR sortant .T(ze)4= F Fs s F Fs s F Fs s Ze augmente, Te diminue: Rayonnement sortant plus faible. T(z) augmente: Retour à l’équilibre Profil vertical de température fixé Z Effet de serre dans une atmosphère. Température d'émission Température de surface Rayonnement émis vers l'espace Rayonnement émis par la surface Fenêtre atmosphérique Absorption H2O Absorption 2xCO2 Absorption CO2 Température Altitude Effet de serre dans une atmosphère. Profil vertical de l'atmosphère Profil vertical de l'atmosphère Deux concepts importants pour comprendre et interpréter le profil vertical de température dans la basse atmosphère (< 12 à 15km) 1) La pression hydrostatique baisse avec l'altitude 2) La température baisse quand la pression baisse Profil vertical de l'atmosphère 1) La pression hydrostatique baisse avec l'altitude Profil vertical de l'atmosphère 1) La pression hydrostatique baisse avec l'altitude Équilibre hydrostatique: gpz avec  : masse volumique de l'air (kg.m3) p: Pression (Pa) z : altitude (m) g : accélération de la pesanteur (m.s2) avec l'hypothèse des gaz parfaits p=RT ==> 1/p pzg/RT Avec l'hypothèse d'atmosphère isotherme: ==> p=p0 exp(zg/RT) Profil vertical de l'atmosphère 2) La température baisse quand la pression baisse •Conservation de l'énergie • Loi des gaz parfait • Mouvement adiabatique • Variation hydrostatique de la pression =>T/p = cte On définit la température potentielle = T(p0/p)invariante par ascendance adiabatique. => le température baisse avec l'altitude: dT/dz ≈6 à 8 K/km Mont blanc : 4800m => 34K plus froid qu'en plaine : si 20°=> 15°C Mont Everest: 8800m => 60K plus froid qu'en plaine : si 20°=> 40°C Avion : 10000m => 70K plus froid qu'en plaine : si 20°=>50°C Profil vertical de l'atmosphère 2) La température baisse quand la pression baisse La pression et la température varie dans le même sens: tous les deux baissent ou augmentent ensembles  Rayonnement infrarouge et température d'équilibre  Principe de l'effet de serre  Bilan énergétique de la Terre et redistribution de l'énergie en latitude  Effet de serre et changement climatique Bilan énergétique de la Terre et rôle de l'effet de serre C C O O N N T T I I N N E E N N T T A T M O S P H E R E E S P A C E Evaporation Condensation de l'eau (80 W/m²) Mouvements Atmosphérique (24 W/m²) Rayonnement solaire incident Rayonnement solaire réfléchit (102W/m2) Rayonnement solaire absorbé par la surface (170 W/m²) Rayonnement Infra rouge émis par la surface vers l'espace (40 W/m²) Rayonnement infra rouge émis par l'atmosphère vers l'espace (200 W/m²) Bilan énergétique à la surface Bilan énergétique à la surface 170 W/m² = 80 + 24 + 26 + 40 W/m² 342 W/m² = 102 W/m² + 240 W/m² Rayonnement Infrarouge (26 W/m²) Rayonnement infrarouge émis par la Rayonnement infrarouge émis par la surface et par l’atmosphère vers l’espace surface et par l’atmosphère vers l’espace & & O O C C E E A A N N Rayonnement solaire absorbé par l'atmosphère Rayonnement solaire absorbé par l'atmosphère (70 W/m²) (70 W/m²) Bilan énergétique de la Terre Bilan énergétique de la Terre Rayonnement solaire réfléchit Bilan énergétique de la uploads/Geographie/ dufresne-bil-serre-terre.pdf