Ce cours présente une synthèse des principes essentiels du bilan énergétique terrestre, en se focalisant sur l’apport solaire, principale source d’énergie externe. Il s'agit ici de quantifier la puissance du rayonnement solaire, depuis la constante solaire (environ 1370 W/m²) jusqu’au flux énergétique réellement reçu par la surface terrestre.
En tenant compte de la forme sphérique et de la rotation de la Terre, le flux incident est ramené à une valeur moyenne de 342 W/m² au sommet de l’atmosphère. L’albédo de la planète, c'est-à-dire son pouvoir réfléchissant (environ 30 %), diminue encore l’énergie absorbée. Un premier modèle simplifié, qui néglige l’atmosphère, conduit alors à une température d’équilibre théorique de -18 °C, très éloignée des conditions réelles observées.
L’examen du rôle de l’atmosphère montre qu’elle réfléchit environ 103 W/m² et en absorbe 72 W/m². Au final, seulement 167 W/m² – soit à peu près la moitié du flux incident moyen – atteignent effectivement la surface des continents et des océans. Ce flux constitue le moteur de la photosynthèse, des énergies renouvelables et de la dynamique climatique.
Enfin, en considérant l’atmosphère et l’hydrosphère comme des structures dissipatives, leur intensité énergétique (respectivement 240 et 70 ergs/g/s) apparaît largement supérieure à celle du Soleil, soulignant la complexité et la richesse des systèmes terrestres.
La source d'énergie externe principale de la Terre est le Soleil. Le flux énergétique émis par celui-ci est quantifié par la constante solaire, qui représente le flux énergétique reçu par une surface de 1 m² située à la distance Terre-Soleil (150 millions de kilomètres) en l'absence d'atmosphère.
La constante solaire s'applique à une surface plane perpendiculaire aux rayons du Soleil. Or, la Terre est une sphère en rotation. Pour obtenir la valeur moyenne reçue par 1 m² de surface terrestre, il faut répartir l'énergie captée par le disque terrestre (surface πr²) sur l'ensemble de la surface de la sphère terrestre (surface 4πr²).
Cette valeur moyenne intègre plusieurs phénomènes terrestres :
Une partie du rayonnement solaire incident n'est pas absorbée mais directement renvoyée vers l'espace. Cette proportion est définie par l'albédo (α), le pouvoir réfléchissant d'une surface, dont la valeur est comprise entre 0 (absorption totale) et 1 (réflexion totale).
Dans un modèle simplifié sans atmosphère, on peut calculer la température de surface moyenne de la Terre en posant un équilibre entre l'énergie solaire absorbée et l'énergie thermique réémise. L'énergie absorbée réchauffe la surface, qui à son tour émet un rayonnement thermique selon la loi de Stefan-Boltzmann (Flux = σT⁴).
Cette température de -18°C ne correspond pas à la réalité observée (+15°C en moyenne).
Cet écart majeur démontre que le modèle est incomplet car il omet un facteur essentiel : l'atmosphère.
L'atmosphère complexifie énormément le bilan énergétique. Le rayonnement solaire qui la traverse peut subir trois processus : la réflexion, l'absorption ou la transmission.
En se basant sur le flux incident moyen de 342 W/m², le parcours de l'énergie à travers l'atmosphère peut être décomposé comme suit :
| Étape du Processus | Description | Flux Énergétique (W/m²) |
|---|---|---|
| Flux incident moyen | Énergie arrivant au sommet de l'atmosphère. | 342 |
| Réflexion (Albédo) | Part renvoyée vers l'espace par les nuages, les aérosols et les molécules atmosphériques. (α = 30%) | 103 |
| Flux entrant | Énergie pénétrant dans le système atmosphérique (342 - 103). | 239 |
| Absorption atmosphérique | Part absorbée par l'atmosphère, la chauffant. (β = 30% du flux entrant) | 72 |
| Flux transmis (Surface) | Énergie solaire visible atteignant réellement la surface terrestre (239 - 72). | 167 |
Le calcul 342 × (1 - 0,3) × (1 - 0,3) confirme que le flux solaire arrivant au sol est de 167 W/m². Cela mène à une règle simplifiée mais puissante :
Le flux énergétique de 167 W/m² qui atteint la surface est fondamental pour le fonctionnement de la planète. Il constitue la source d'énergie primaire pour :
En moyenne sur une journée, ce flux représente une énergie de 4 kWh (167 W × 24 h) disponible pour chaque mètre carré.
Les systèmes terrestres (atmosphère, océans) sont des structures dissipatives qui s'auto-organisent pour dissiper le plus efficacement possible les flux d'énergie qui les traversent. Leur degré de complexité peut être quantifié par leur intensité énergétique, exprimée en ergs par gramme et par seconde (erg/g/s), un concept développé par Eric Chaisson.
| Système | Puissance traversante (W) | Masse (kg) | Intensité énergétique (W/kg) | Intensité énergétique (erg/g/s) |
|---|---|---|---|---|
| Atmosphère | 1,2 x 10¹⁷ | 5 x 10¹⁸ | 0,024 | 240 |
| Hydrosphère + Pédosphère | 0,7 x 10¹⁷ | 1 x 10¹⁹ | 0,007 | 70 |
Note : La puissance traversante est calculée en multipliant le flux en W/m² par la surface de la Terre.
Les résultats de ces calculs révèlent que :
Cette analyse met en évidence que bien que le Soleil soit la source d'énergie, les systèmes terrestres sont des structures bien plus complexes et denses en énergie, s'organisant pour dissiper efficacement le flux qu'ils reçoivent. La suite de l'analyse, qui portera sur l'effet de serre, explorera davantage la dynamique interne de ces systèmes.