Le bilan énergétique de la Terre représente l’équilibre entre l’ énergie que la Terre reçoit du Soleil et l’énergie que la Terre perd dans l’espace . Les sources d’énergie plus petites, telles que la chaleur interne de la Terre, sont prises en compte, mais apportent une contribution infime par rapport à l’énergie solaire. Le bilan énergétique tient également compte de la manière dont l’énergie circule dans le système climatique . [3] Parce que le Soleil chauffe les tropiques équatoriales plus que les Régions polaires , l’irradiance solaire reçueest inégalement réparti. Alors que l’énergie cherche l’équilibre à travers la planète, elle entraîne des interactions dans le système climatique de la Terre, c’est-à-dire l’ eau , la glace , l’atmosphère , la croûte rocheuse et tous les êtres vivants de la Terre . [4] Le résultat est le climat de la Terre .
Le bilan énergétique de la Terre dépend de nombreux facteurs, tels que les Aérosols atmosphériques , les Gaz à effet de serre , l’ albédo de la surface de la planète (réflectivité), les nuages , la végétation, les modes d’utilisation des sols, etc. Lorsque les flux d’énergie entrants et sortants sont en équilibre, la Terre est en équilibre radiatif et le système climatique sera relativement stable. Le réchauffement climatique se produit lorsque la terre reçoit plus d’énergie qu’elle n’en restitue à l’espace, et le refroidissement global se produit lorsque l’énergie sortante est plus importante. [5] Plusieurs types de mesures et d’observations montrent un déséquilibre du réchauffement depuis au moins l’année 1970.[6] [7] Le taux d’échauffement de cet événement d’origine humaine est sans précédent. [8]
Lorsque le bilan énergétique change, il y a un délai avant que la température de surface moyenne mondiale ne change de manière significative. Cela est dû à l’ Inertie thermique des océans , des terres et de la cryosphère . [9] La quantification précise de ces flux d’énergie et de ces quantités de stockage est une exigence dans la plupart des modèles climatiques .
Les flux d’énergie de la Terre
0:20 Le rayonnement de flux d’ondes courtes entrant au sommet de l’atmosphère (TOA) montre l’énergie reçue du Soleil telle que déduite des mesures CERES (26-27 janvier 2012). Les zones blanches les plus brillantes montrent la réflectivité la plus élevée (moins d’absorption) de l’énergie solaire, tandis que les zones bleues les plus sombres montrent la plus grande absorption.
Malgré les énormes transferts d’énergie vers et depuis la Terre, elle maintient une température relativement constante car, dans l’ensemble, il y a peu de gain ou de perte net : la Terre émet via le rayonnement atmosphérique et terrestre (décalé vers des longueurs d’onde électromagnétiques plus longues) vers l’espace à peu près la même quantité d’énergie qu’il reçoit via l’Insolation solaire (toutes les formes de rayonnement électromagnétique).
Énergie solaire entrante (rayonnement à ondes courtes)
La quantité totale d’énergie reçue par seconde au sommet de l’atmosphère terrestre (TOA) est mesurée en watts et est donnée par la constante solaire multipliée par la surface de la section transversale de la Terre correspondant au rayonnement. Parce que la surface d’une sphère est quatre fois la surface de la section transversale d’une sphère (c’est-à-dire la surface d’un cercle), le flux TOA moyen global et annuel est d’un quart de la constante solaire et est donc d’environ 340 watts par Mètre carré (W/m2 ) . [1] [10] Étant donné que l’absorption varie selon l’emplacement ainsi qu’avec les variations diurnes, saisonnières et annuelles, les chiffres cités sont des moyennes pluriannuelles obtenues à partir de plusieurs mesures satellitaires.[1]
Sur les ~340 W/m 2 de rayonnement solaire reçus par la Terre, une moyenne de ~77 W/m 2 est réfléchie vers l’espace par les nuages et l’atmosphère et ~23 W/m 2 est réfléchie par l’ albédo de surface , laissant ~240 W/m 2 d’apport d’énergie solaire au bilan énergétique de la Terre. Cette quantité est appelée rayonnement solaire absorbé (ASR). Cela implique une valeur d’environ 0,3 pour l’albédo net moyen de la Terre, également appelé son albédo de liaison (A) : [1]
A S R = ( 1 − A ) × 340 W m − 2 ≃ 240 W m − 2 . {displaystyle ASR=(1-A)times 340~mathrm {W} ~mathrm {m} ^{-2}simeq 240~mathrm {W} ~mathrm {m} ^{-2} .}
Rayonnement sortant à ondes longues
0:20 Rayonnement de flux sortant à ondes longues au sommet de l’atmosphère (26-27 janvier 2012). L’énergie thermique émise par la Terre (en watts par Mètre carré) est indiquée dans les tons de jaune, rouge, bleu et blanc. Les zones jaunes les plus brillantes sont les plus chaudes et émettent le plus d’énergie vers l’espace, tandis que les zones bleu foncé et les nuages blancs brillants sont beaucoup plus froids, émettant le moins d’énergie.
Le rayonnement sortant à ondes longues (OLR) est généralement défini comme l’énergie sortante quittant la planète, dont la majeure partie se trouve dans la bande infrarouge . Généralement, l’énergie solaire absorbée est convertie en différentes formes d’énergie thermique. Une partie de cette énergie est émise sous forme d’OLR directement dans l’espace, tandis que le reste est d’abord transporté à travers le système climatique sous forme de rayonnement et d’autres formes d’énergie thermique. Par exemple, les émissions indirectes se produisent suite au transport de chaleur des couches superficielles de la planète (terres et océans) vers l’atmosphère via l’ évapotranspiration et les flux de chaleur latente ou les processus de conduction / convection . [1]En fin de compte, toute l’énergie sortante est renvoyée dans l’espace sous la forme d’un rayonnement à ondes longues.
Malgré de multiples autres influences, la loi de rayonnement de Stefan-Boltzmann décrit la dépendance fondamentale de l’OLR à la température de la peau à la surface de la Terre (T skin ):
O L R ≃ ε σ T s k i n 4 . { displaystyle OLR simeq epsilon sigma T_ {peau} ^ {4}.}
T skin a été mesurée globalement à partir d’observations satellitaires d’OLR dans les bandes infrarouge et micro -ondes , et est approchée par les températures de surface in situ . [11] La forte sensibilité à la température (quatrième puissance) agit pour maintenir un quasi-équilibre du flux d’énergie sortant vers le flux entrant via de petits changements de Température absolue .
Sources de chaleur internes de la Terre et autres petits effets
Le flux de chaleur géothermique de l’intérieur de la Terre est estimé à 47 térawatts (TW) [12] et réparti à peu près également entre la chaleur radiogénique et la chaleur laissée par la formation de la Terre. Cela correspond à un flux moyen de 0,087 W/m 2 et ne représente que 0,027 % du bilan énergétique total de la Terre à la surface, éclipsé par les 173 000 TW de rayonnement solaire incident . [13]
La production humaine d’énergie est encore plus faible, estimée à 160 000 TWh pour toute l’année 2019. Cela correspond à un flux de chaleur continu moyen d’environ 18 TW. [14] Cependant, la consommation augmente rapidement et la production d’énergie avec des combustibles fossiles produit également une augmentation des Gaz à effet de serre dans l’atmosphère, entraînant un déséquilibre plus de 20 fois plus important dans les flux entrants/sortants provenant du rayonnement solaire. [15]
La photosynthèse a également un effet significatif : environ 140 TW (soit environ 0,08 %) de l’énergie incidente sont capturés par la photosynthèse, donnant de l’énergie aux plantes pour produire de la biomasse . [16] Un flux similaire d’énergie thermique est libéré au cours d’une année lorsque les plantes sont utilisées comme nourriture ou combustible.
D’autres sources d’énergie mineures sont généralement ignorées dans les calculs, notamment l’accrétion de Poussière interplanétaire et de vent solaire , la lumière d’étoiles autres que le Soleil et le rayonnement thermique de l’espace. Auparavant, Joseph Fourier avait affirmé que le rayonnement de l’espace lointain était important dans un article souvent cité comme le premier sur l’ effet de serre . [17]
Analyse budgétaire
En termes simples, le bilan énergétique de la Terre est équilibré lorsque le flux entrant est égal au flux sortant. Puisqu’une partie de l’énergie entrante est directement réfléchie, le bilan peut également être exprimé en tant que rayonnement solaire entrant absorbé (ondes courtes) égal au rayonnement sortant en ondes longues :
A S R = O L R . {displaystyle ASR=OLR.}
Analyse des flux internes
Pour décrire certains des flux internes dans le budget, supposons que l’insolation reçue au sommet de l’atmosphère soit de 100 unités (=340 W/m 2 ), comme indiqué dans le diagramme de Sankey ci-joint. Appelé l’ albédo de la Terre, environ 35 unités dans cet exemple sont directement réfléchies vers l’espace : 27 depuis le sommet des nuages, 2 depuis les zones couvertes de neige et de glace, et 6 par d’autres parties de l’atmosphère. Les 65 unités restantes (ASR=220 W/m 2 ) sont absorbées : 14 dans l’atmosphère et 51 par la surface de la Terre.
Les 51 unités atteignant et absorbées par la surface sont émises vers l’espace par diverses formes d’énergie terrestre : 17 directement rayonnées vers l’espace et 34 absorbées par l’atmosphère (19 par Chaleur latente de vaporisation , 9 par convection et turbulence, et 6 sous forme absorbée infrarouge par les Gaz à effet de serre ). Les 48 unités absorbées par l’atmosphère (34 unités d’énergie terrestre et 14 d’insolation) sont finalement renvoyées vers l’espace. Cet exemple simplifié néglige certains détails des mécanismes qui recirculent, stockent et conduisent ainsi à une accumulation supplémentaire de chaleur près de la surface.
En fin de compte, les 65 unités (17 du sol et 48 de l’atmosphère) sont émises en OLR. Ils équilibrent approximativement les 65 unités (ASR) absorbées par le soleil afin de maintenir un gain d’énergie net nul par la Terre. [18]
Rôle de l’effet de serre
Les principaux gaz atmosphériques ( oxygène et azote ) sont transparents à la lumière solaire entrante, mais sont également transparents au rayonnement sortant à ondes longues (thermique/infrarouge). Cependant, la vapeur d’eau , le dioxyde de carbone , le méthane et d’autres gaz traces sont opaques à de nombreuses longueurs d’ onde de rayonnement thermique. [19]
Lorsque les molécules de Gaz à effet de serre absorbent l’énergie infrarouge thermique, leur température augmente. Ces gaz rayonnent alors une quantité accrue d’énergie infrarouge thermique dans toutes les directions. La chaleur rayonnée vers le haut continue de rencontrer des molécules de Gaz à effet de serre ; ces molécules absorbent également la chaleur, leur température augmente et la quantité de chaleur qu’elles dégagent augmente. L’atmosphère s’amincit avec l’ altitude et, à environ 5 à 6 kilomètres , la concentration de Gaz à effet de serre dans l’atmosphère sus-jacente est si faible que la chaleur peut s’échapper dans l’espace. [19]
Parce que les molécules de Gaz à effet de serre émettent de l’énergie infrarouge dans toutes les directions, une partie de celle-ci se propage vers le bas et finit par retourner à la surface de la Terre, où elle est absorbée. La température à la surface de la Terre est donc plus élevée qu’elle ne le serait si elle n’était chauffée que par le chauffage solaire direct. Ce chauffage d’appoint est l’effet de serre naturel. [19] C’est comme si la Terre était recouverte d’une couverture qui laisse entrer le rayonnement à haute fréquence (lumière du soleil), mais ralentit la vitesse à laquelle le rayonnement infrarouge à ondes longues en sort.
En fin de compte, lorsque la quantité de Gaz à effet de serre augmente ou diminue, la température de surface augmente ou diminue jusqu’à ce que l’équilibre ASR = OLR soit rétabli.
Réservoirs de stockage de chaleur
La terre, la glace et les océans sont des constituants matériels actifs du système climatique de la Terre avec l’atmosphère. Ils ont une masse et une capacité calorifique bien supérieures , et donc une Inertie thermique bien supérieure . Lorsque le rayonnement est directement absorbé ou que la température de surface change, l’énergie thermique s’écoule sous forme de chaleur sensible dans ou hors de la masse en vrac de ces composants via des processus de transfert de chaleur par conduction/convection. La transformation de l’eau entre ses états solide/liquide/vapeur agit également comme une source ou un puits d’ énergie potentielle sous forme de chaleur latente. Ces processus tamponnent les conditions de surface contre certains des changements radiatifs rapides dans l’atmosphère. En conséquence, la différence de température de surface entre le jour et la nuit est relativement faible. De même, le système climatique de la Terre dans son ensemble montre une réponse retardée aux variations du bilan radiatif atmosphérique. [20]
Les quelques mètres supérieurs des océans de la Terre abritent plus d’énergie thermique que l’ensemble de son atmosphère. [21] Comme les gaz atmosphériques, les eaux océaniques fluidiques transportent de grandes quantités de cette énergie à la surface de la planète. La chaleur sensible entre et sort également de grandes profondeurs dans des conditions qui favorisent la descente ou la remontée d’eau . [22] [23]
Plus de 90 % de l’énergie supplémentaire qui s’est accumulée sur Terre à cause du réchauffement climatique en cours depuis 1970 a été stockée dans l’océan . [21] Environ un tiers s’est propagé à des profondeurs inférieures à 700 mètres. Le taux de croissance global a également augmenté au cours des dernières décennies, atteignant près de 500 TW (1 W/m 2 ) à partir de 2020. [2] [7] Cela a conduit à environ 14 zettajoules (ZJ) de gain de chaleur pour l’année, dépassant les 570 exajoules (=160 000 TW-h [14] ) d’ énergie primaire totale consommée par l’homme d’un facteur d’au moins 20. [15]
Analyse du taux de chauffage/refroidissement
De manière générale, les modifications de l’équilibre des flux énergétiques de la Terre peuvent être considérées comme le résultat de forçages externes (à la fois naturels et anthropiques, radiatifs et non radiatifs), de rétroactions du système et de la variabilité interne du système . [24] Ces changements sont principalement exprimés en changements observables de température (T), de nuages (C), de vapeur d’eau (W), d’Aérosols (A), de traces de Gaz à effet de serre (G), de réflectance de la surface des terres/océans/glaces (S) , et comme des modifications mineures de l’insolation (I) parmi d’autres facteurs possibles. Le taux de chauffage/refroidissement de la Terre peut ensuite être analysé sur des périodes sélectionnées (Δt) en tant que changement net d’énergie (ΔE) associé à ces attributs :
Δ E / Δ t = ( Δ E T + Δ E C + Δ E W + Δ E A + Δ E G + Δ E S + Δ E I + . . . ) / Δ t = A S R − O L R . {displaystyle {begin{aligned}Delta E/Delta t&=( Delta E_{T}+Delta E_{C}+Delta E_{W}+Delta E_{A}+Delta E_ {G}+Delta E_{S}+Delta E_{I}+… )/Delta t=ASR-OLR.end{aligné}}}
L’augmentation récente des traces de Gaz à effet de serre produit un effet de serre accru, et donc un terme de forçage ΔE G positif. En revanche, une grande éruption volcanique (par exemple Mont Pinatubo 1991 , El Chichón 1982) peut injecter des composés contenant du soufre dans la haute atmosphère. Des concentrations élevées d’ Aérosols de soufre stratosphériques peuvent persister jusqu’à quelques années, produisant une contribution de forçage négative à ΔE A . [26] [27] Divers autres types d’émissions d’Aérosols anthropiques apportent des contributions à la fois positives et négatives à ΔE A . Les cycles solaires produisent des ΔE I plus faibles que ceux des ΔE récentsG tendances de l’activité humaine. [28] [29]
Les Forçages climatiques sont complexes car ils peuvent produire des rétroactions directes et indirectes qui intensifient ( rétroaction positive ) ou affaiblissent ( rétroaction négative ) le forçage initial. Ceux-ci suivent souvent la réponse de la température. Tendances de la vapeur d’eau en tant que rétroaction positive par rapport aux changements de température dus aux changements d’évaporation et à la relation de Clausius-Clapeyron . Une augmentation de la vapeur d’eau entraîne un ΔE W positif en raison d’une augmentation supplémentaire de l’effet de serre. Une rétroaction positive plus lente est la rétroaction glace-albédo . Par exemple, la perte de glace arctiqueen raison de la hausse des températures rend la région moins réfléchissante, ce qui entraîne une plus grande absorption d’énergie et des taux de fonte des glaces encore plus rapides, donc une influence positive sur ΔE S . [30] Collectivement, les rétroactions tendent à amplifier le réchauffement ou le refroidissement global. [31]
Les nuages sont responsables d’environ la moitié de l’ albédo de la Terre et sont de puissantes expressions de la variabilité interne du système climatique. [32] [33] Ils peuvent également agir comme des rétroactions aux forçages, et pourraient être eux-mêmes des forçages si, par exemple, ils résultent d’une activité d’ ensemencement de nuages . Les contributions à ΔE C varient selon les régions et selon le type de nuage. Les mesures des satellites sont rassemblées de concert avec les simulations des modèles dans le but d’améliorer la compréhension et de réduire l’incertitude. [34]
Le déséquilibre énergétique de la Terre
Si le flux d’énergie entrant de la Terre est supérieur ou inférieur au flux d’énergie sortant, alors la planète gagnera (chaud) ou perdra (froid) de l’énergie thermique nette conformément à la loi de conservation de l’énergie :
E E I ≡ A S R − O L R {displaystyle EEIequiv ASR-OLR}
Lorsque le déséquilibre énergétique de la Terre (EEI) se déplace d’une quantité suffisamment importante, il est directement mesurable par des instruments radiométriques satellitaires en orbite . [27] [36] Les déséquilibres qui ne s’inversent pas avec le temps entraîneront également des changements de température à long terme dans les composants atmosphériques, océaniques, terrestres et glaciaires du système climatique . [37] [38] Les changements de température in situ et les effets connexes fournissent ainsi des mesures indirectes de l’EEI. De la mi-2005 à la mi-2019, les observations de température par satellite et par océan ont chacune indépendamment montré un doublement approximatif du déséquilibre du réchauffement (global) dans le bilan énergétique de la Terre. [2] [7]
Mesure directe
Plusieurs satellites mesurent directement l’énergie absorbée et rayonnée par la Terre, et donc par inférence le déséquilibre énergétique. Le projet Earth Radiation Budget Experiment (ERBE) de la NASA implique trois de ces satellites : le Earth Radiation Budget Satellite (ERBS), lancé en octobre 1984 ; NOAA-9, lancé en décembre 1984 ; et NOAA-10, lancé en septembre 1986. [39]
Les instruments CERES ( Clouds and the Earth’s Radiant Energy System ) de la NASA font partie du système d’observation de la Terre (EOS) de la NASA depuis 1998. CERES est conçu pour mesurer à la fois le rayonnement solaire réfléchi (courte longueur d’onde) et émis par la Terre (longue longueur d’onde). [40] L’analyse des données CERES par ses principaux chercheurs a montré une tendance à la hausse linéaire de l’EEI, de+0,42 ± 0,48 W/m 2 en 2005 à+1,12 ± 0,48 W/m 2 en 2019. Les facteurs contributifs comprenaient plus de vapeur d’eau, moins de nuages, une augmentation des Gaz à effet de serre et une diminution de la glace qui ont été partiellement compensées par la hausse des températures. [2] [35] Une enquête ultérieure sur le comportement à l’aide du modèle climatique GFDL CM4 / AM4 a conclu qu’il y avait moins de 1% de chances que la variabilité climatique interne à elle seule soit à l’origine de la tendance. [41]
1:00 Animation des orbites de la flotte 2011 d’observatoires de télédétection de la Terre de la NASA.
D’autres chercheurs ont utilisé les données de CERES, AIRS , CloudSat et d’autres instruments EOS pour rechercher les tendances du forçage radiatif intégrées dans les données EEI. Leur analyse a montré une hausse forcée de+0,53 ± 0,11 W/m 2 de 2003 à 2018. Environ 80 % de l’augmentation était associée à la concentration croissante de Gaz à effet de serre qui a réduit le rayonnement sortant à ondes longues. [42] [43] [44]
D’autres mesures satellitaires, y compris les données TRMM et CALIPSO , ont indiqué des précipitations supplémentaires, qui sont soutenues par une énergie accrue quittant la surface par évaporation (le flux de chaleur latente), compensant une partie de l’augmentation du flux de Gaz à effet de serre à ondes longues vers la surface. [45]
Il convient de noter que les incertitudes d’étalonnage radiométrique limitent la capacité de la génération actuelle d’instruments satellitaires, qui sont par ailleurs stables et précis . En conséquence, les changements relatifs de l’EEI sont quantifiables avec une précision qui n’est pas non plus réalisable pour une seule mesure du déséquilibre absolu. [46] [47]
Mesures in situ
La température de surface globale (GST) est calculée en faisant la moyenne des températures mesurées à la surface de la mer avec les températures de l’air mesurées au-dessus de la terre. Des données fiables s’étendant jusqu’à au moins 1880 montrent que la GST a subi une augmentation constante d’environ 0,18 °C par décennie depuis 1970 environ . [48]
Les eaux océaniques sont des absorbants particulièrement efficaces de l’énergie solaire et ont une capacité calorifique totale bien supérieure à celle de l’atmosphère. [49] Les navires et les stations de recherche ont échantillonné les températures de la mer en profondeur et autour du globe depuis avant 1960. De plus, après l’an 2000, un réseau en expansion de plus de 3000 flotteurs robotiques Argo a mesuré l’anomalie de température, ou de manière équivalente le changement de la teneur en chaleur de l’océan ( OHC). Depuis au moins 1990, l’OHC a augmenté à un rythme constant ou accéléré. Les variations de l’OHC fournissent la mesure indirecte la plus robuste de l’IEE puisque les océans absorbent 90 % de la chaleur excédentaire. [7] [50]
L’étendue de la glace flottante et ancrée est mesurée par des satellites, tandis que le changement de masse est ensuite déduit des changements mesurés du niveau de la mer de concert avec des modèles informatiques qui tiennent compte de la dilatation thermique et d’autres facteurs. Les observations depuis 1994 montrent que la glace s’est retirée de toutes les parties de la Terre à un rythme accéléré. [51]
Importance en tant que mesure du changement climatique
Les climatologues de longue date Kevin Trenberth , James Hansen et leurs collègues ont identifié la surveillance du déséquilibre énergétique de la Terre comme un impératif pour aider les décideurs à orienter le rythme de la planification de l’adaptation au changement climatique . En raison de l’inertie du système climatique , les tendances à plus long terme de l’IEE peuvent prévoir d’autres changements qui sont “en préparation”. [37] [38] [52]
En 2012, les scientifiques de la NASA ont signalé que pour arrêter Le réchauffement climatique , la concentration atmosphérique de CO 2 devrait être réduite à 350 ppm ou moins, en supposant que tous les autres Forçages climatiques étaient fixes. [53] À partir de 2020, le CO 2 atmosphérique a atteint 415 ppm et tous les Gaz à effet de serre à longue durée de vie ont dépassé une concentration de 500 ppm d’ équivalent CO 2 en raison de la croissance continue des émissions humaines. [54]
Voir également
- Cycle énergétique de Lorenz
- Température d’équilibre planétaire
- Sensibilité climatique
- Points de basculement dans le système climatique
- Métabolisme anthropique
-
Portail sur le changement climatique
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Bibliographie supplémentaire pour les sources citées
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- GIEC (2021). “Résumé pour les décideurs” (PDF) . GIEC AR6 WG1 2021 .
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Liens externes
Wikimedia Commons a des médias liés au budget énergétique de la Terre . |
- NASA : Le bilan énergétique de l’atmosphère
- Système d’énergie radiante des nuages et de la Terre (CERES)
- Projet NASA/GEWEX de bilan de rayonnement de surface (SRB)