Echilibrul radiativ al Pământului

Echilibru radiații Pământului face bilanțul energiei primite și a pierdut de Pământului sistemului climatic , sol - atmosferă - oceane .

Aportul de energie provine în principal de la Soare , produs în interiorul Pământului reprezentând abia 0,01% din energia totală primită de suprafața Pământului. Vorbim astfel de echilibru radiativ, deoarece energia termică provine în principal din radiația solară . Radiația solară primită de cele mai înalte straturi ale atmosferei sau constanta solar , este de aproximativ 340 W / m 2 , în medie anuală. Deoarece Soarele este o stea de tip G2 , spectrul său de emisie se extinde de la 0,2 la 4 micrometri , adică de la ultraviolete la infraroșu prin vizibil .

Energia primită

Puterea totală de intrare în sistemul sol-atmosferă-ocean este estimată la 174 peta wați ( PW ). Acest flux este alcătuit din:

radiații solare (99,97%, adică 173 PW ):
- această cantitate se calculează estimând că radiația solară medie are o densitate de energie egală cu 1361 W / m 2 la o distanță de o unitate astronomică și că această radiație este interceptată de suprafața pământului al cărei disc aparent (plat) are o zonă incidentă de 1.273.735 × 10 14 m 2 . Energia astfel recepționată, distribuită pe întregul glob terestru ( elipsoid cu o suprafață totală de 5.100 656 × 10 14 m 2 ), corespunde unei puteri medii de aproximativ 340 W / m2 , adică în total 1,734 10 × 10 17 W ;
- sistemul sol-atmosferă-ocean nu absoarbe toată această energie incidentă, o parte din aceasta se reflectă (prin efect albedo , în funcție de sol, oceane, nori, gheață și, prin urmare, climatul, ducând la efecte retroactive sau amplificatoare semnificative foarte complexe, mai ales că căutăm o mare precizie). Aproximativ 30% din energia solară primită se reflectă fără a fi absorbită;
- radiația solară nu este constantă (vezi ciclul solar ) și nu este cunoscută cu o precizie mai mare decât aproape un watt pe metru pătrat;
energie geotermală : puterea rezultată din activitatea radioactivă din interiorul Pământului reprezintă aproximativ 0,025% din puterea totală primită, aproximativ 44,2 terawați (sau TW );

combustibilii fosili și fisiunea radioactivă produsă de om: reprezintă 0,009%, sau 15 TW . Se estimează că energia totală utilizată din surse comerciale de energie între 1880 și 2000, inclusiv petrolul fosil și energia nucleară , este de 13,9 × 10 21 J ; energia primară mondială anuală este de 6 × 10 20 J , sau o putere continuă medie de 19 TW ;
frecarea cauzată de maree : 0.002% sau 3.321 TW .

Schimburi între spațiu, suprafața pământului și atmosferă

Balanța radiativă a Pământului este globală zero, adică cantitatea de energie absorbită este egală cu cantitatea de energie reemisă, astfel încât temperatura medie este substanțial constantă. Mai exact, radiația primită de Pământ (în principal solară) este reemisă la nivel global. Bilanțul general este totuși ușor pozitiv, datorită căldurii provenite chiar de pe Pământ , modificată de căldura eliberată sau absorbită de oceane, în perioade de ordinul unui mileniu.

Radiația solară incidentă, estimată la 342 W / m 2 , poate fi descompusă în:

- 107 W / m 2 reflectat de atmosferă (77 W / m 2 ) și de suprafața pământului (30 W / m 2 ). Medie albedo Bond a sistemului Pământului atmosfera este 0.306, adică 30,6% din radiația primită de partea superioară a atmosferei este reflectată de atmosferă, nori sau suprafața atmosferei. Pământului ( oceane , zăpadă , etc. ), fără modificări în lungimea de undă. Restul este eficient absorbit de suprafața pământului sau de atmosferă sub formă de căldură;
- 67 W / m 2 absorbiți direct în atmosferă de moleculele de aer și de nori. Ultraviolete sunt absorbite în mare măsură de ozon (O 3) și infraroșu de vapori de apă și dioxid de carbon (CO 2). Lumina vizibilă este parțial absorbită de nori, dar cea mai mare parte a acesteia ajunge la suprafața Pământului;
- 168 W / m 2 absorbit de suprafața pământului (oceane și continente).

Atmosfera primește 519 W / m 2 distribuiți după cum urmează:

- 67 W / m 2 din radiația solară incidentă, după cum sa menționat;
- 78 W / m 2 absorbit prin evaporarea apei. Energia corespunzătoare este transformată în căldură latentă de evaporare și eliberată în atmosferă atunci când vaporii de apă se condensează pentru a forma nori;
- 24 W / m 2 prin convecție de aer la suprafața pământului. Acest aport de energie constituie partea principală a aportului de căldură al troposferei , este fluxul de căldură sensibil . De fapt, razele infraroșii și ultraviolete sunt absorbite în mare măsură în stratosferă, iar vizibilul este greu absorbit de moleculele de aer;
- 350 W / m 2 prin absorbția radiației infraroșii emise de suprafața pământului.

Aceste 519 W / m 2 sunt reemise după cum urmează:

324 W / m 2 sunt emise de radiațiile infraroșii pentru a încălzi suprafața pământului;
195 W / m 2 sunt emise de radiația infraroșie către spațiu.

Suprafața terestră primește 492 W / m 2 distribuiți după cum urmează:

- 168 W / m 2 provin din radiația solară care ajunge la suprafața pământului;
- 324 W / m 2 provin din atmosferă sub formă de radiații infraroșii.

Aceste 492 W / m 2 sunt reemise după cum urmează:

78 W / m 2 prin evaporarea apei de la suprafața oceanelor;
24 W / m 2 prin convecție de aer pe suprafața Pământului;
350 W / m 2 sunt emise de suprafața pământului sub formă de radiații infraroșii către atmosferă;
40 W / m 2 sunt emise de suprafața pământului sub formă de radiații infraroșii către spațiu.

Spațiul primește 342 W / m 2 distribuiți după cum urmează:

- 107 W / m 2 reflectat de atmosferă și suprafața pământului;
- 195 W / m 2 emise de atmosferă sub formă de radiații infraroșii către spațiu;
- 40 W / m 2 emise de suprafața pământului sub formă de radiații infraroșii către spațiu.

Ultimele două formează radiația cu lungime de undă lungă .

Temperatura medie a Pământului

Pământul nu este la scară mică și pe termen scurt în echilibru termic , definirea unei temperaturi medii a Pământului necesită luarea în considerare a acesteia în întregime și pe termen lung. Din acest punct de vedere, suprafața pământului emite 390 W / m2 prin radiații infraroșii . Această cantitate face posibilă atribuirea suprafeței terestre a unei temperaturi medii teoretice prin asimilarea Pământului unui corp negru . Legea Stefan-Boltzmann face posibilă determinarea temperaturii astfel un organism din cantitatea de radiatii pe care le emite, în conformitate cu formula:

M = \ sigma T ^ {4}

cu:

M : putere emisă pe unitate de suprafață ( W / m 2 ); T : temperatura corpului în Kelvin ;

\ sigma

= 5.670 367 (13) x 10 -8 W⋅m -2 ⋅K -4 : Stefan-Boltzmann constant .

Pentru M = 390 W / m 2 , formula dă o temperatură de 15 ° C . Această valoare corespunde unei temperaturi radiative teoretice a suprafeței terestre, numită temperatură efectivă . Radiația infraroșie emisă la spațiul este de 235 W / m 2 și corespunde la o temperatură teoretică de -19 ° C . Diferența dintre puterea emisă de suprafața pământului și puterea emisă în spațiu, și anume 155 W / m 2 , corespunde efectului de seră , care este, de asemenea, cunoscut sub numele de forțare radiativă . Prin urmare, de origine naturală, încălzește suprafața pământului cu aproximativ 30 ° C , dintre care 20 ° C este atribuită vaporilor de apă din atmosferă și 10 ° C CO2 ..

În acest model simplificat, temperatura efectivă este doar transcrierea în Kelvin a unei emisii medii de energie, pe întregul Pământ, fără a ține seama de disparitățile de temperatură locale dintre poli și ecuator, sau în funcție de anotimpuri.

Impactul efectului de seră

Fenomenul recent observat al încălzirii globale se datorează creșterii concentrației de gaze cu efect de seră , care accentuează atât absorbția directă a luminii infraroșii emise de Soare (dar nu neapărat absorbția globală Pământ-atmosferă), cât și forțarea radiativă rezultată din absorbția energiei de pe Pământ. Creșterea globală a temperaturii este cauzată de un ușor dezechilibru în echilibrul radiativ: cantitatea de energie absorbită de sistemul Pământ / ocean-atmosferă devine puțin mai mare decât cea reemisă către spațiu, astfel încât temperatura medie crește atât de mult încât aceasta dezechilibrul continuă, în virtutea principiului conservării energiei .

Creșterea forțelor radiative antropice între 1750 și 2011 este estimată la 2,29 (1,13-3,33) W / m 2 prin cel de-al cincilea raport al IPCC .

Noțiunea de temperatură eficientă este uneori folosită de climatosceptici pentru a contesta ordinele de mărime ale evoluției temperaturii medii globale a pământului folosind modele radiative. Această lucrare a dat naștere la multe critici.

Articole similare

Note și referințe

Dacă R este raza terestră și F = 1361 W / m 2 , constanta solară, puterea primită de suprafața incidentă a Pământului este în wați . Aceasta este distribuită pe o suprafață de , deci puterea medie primită de glob este F / 4 W / m 2 = 340,25 W / m 2 , sau 173,55 PW pentru întreaga planetă. Mai precis, ținând cont de raza ecuatorială terestră (6.378,137 km ) și de raza polară terestră (6.356.752 km ), puțin mai mică, suprafața de incidență a discului aplatizat la echinocți este astfel (127.373 5 × 10 6 km 2 ) aria elipsoidului (510.065 6 milioane km 2 ) este, de asemenea, mai mică decât cea a unei sfere. Puterea primită ar fi atunci mai precis F / 4.004 5 W / m 2 = 339,87 W / m 2 , sau 173,36 PW pentru întreaga planetă. Această diferență minimă de 0,38 W / m 2 , înmulțită cu suprafața Pământului, dă totuși 0,19 PW = 1,9 × 10 14 W , sau într-un an 6 × 10 21 J , sau, de asemenea, de zece ori consumul anual de energie primară din lume. ${\ displaystyle \ pi R ^ {2} \ times F}$ ${\ displaystyle 4 \ pi R ^ {2}}$ ${\ displaystyle \ pi \ times Req \ times Rpol}$
(în) Rebecca Lindsey, Climate and Earth's Energy Budget , NASA Earth Observatory , 14 ianuarie 2009.
(în) HN Pollack , SJ Hurter și JR Johnson , „ Fluxul de căldură din interiorul Pământului: analiza setului global de date ” , Review of Geophysics (în) , vol. 30, n o 3,1993, p. 267–280 ( citiți online ).
(în) IEA Bilanțul energetic mondial pentru .
(ro) Bo Nordell și Bruno Gervet , „ Acumularea globală de energie și emisia netă de căldură ” , Jurnalul Internațional de Încălzire Globală , Universitatea de Tehnologie Luleå , vol. 1, n os 1/2/3,2009( citiți online [PDF] , accesat la 24 martie 2014 ).
(în) „ Schimbări climatice naturale ” .
(în) AE Roy și D. Clarke, Astronomy: Principles and Practice , Taylor & Francis ,1 st iunie 2003, A 4- a ed. ( citiți online ) , p. 21.
(în) Barrie W. Jones, „ Viața în sistemul solar și dincolo ” , Springer,11 februarie 2004.
Marie-Antoinette Mélières, Temperatura medie la suprafața Pământului și efectul de seră , Laboratorul de Glaciologie și Geofizică a Mediului (LGGE)
Sylvie Joussaume, Greenhouse gas alert , Pour la science , n o 300, octombrie 2002, p. 85 .
Temperatura medie măsurată la sol variază aproximativ între -50 ° C și 40 ° C, în funcție de locație.
Schimbări climatice 2013. Elementele științifice. Contribuția Grupului de lucru I la cel de-al cincilea raport de evaluare al IPCC. Rezumat pentru factorii de decizie politică ( citiți online [PDF] ) , p. 12.
(în) Gerhard Gerlich și Ralf D. Tscheuschner, „ Falsificarea CO 2 atmosfericEfecte de seră în cadrul fizicii ” , International Journal of Modern Physics (ro) B , vol. 23, n o 3,2009, p. 275-364 ( citiți online [PDF] ).
(în) „G. Gerlich și RD Tscheuschner” pe RealClimate .