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Bilan énergétique de la terre:

 

 

Les climats sont avant tout contrôlés par la position de la terre par rapport au soleil qui détermine la quantité d'insolation que la terre reçoit. Les contrastes saisonniers sont donc directement liés à l'inclinaison de l'axe de rotation de la terre(qui varie avec la latitude) par rapport au plan de l'écliptique. Les vents comme les courants marins, vont ensuite intervenir pour moduler le bilan thermique de la terre dont l'énergie à sa surface à une double origine:

 

- Une composante interne: la chaleur initiale lors de la phase d'accrétion planétaire qui depuis continue son refroidissement qui n'est pas régulier au cours du temps mais dépendant des variations de l'intensité de l'activité volcanique à l'échelle du temps géologique. De même la radioactivité naturelle qui va en décroissant des roches terrestres, est source de chaleur. Cette variation de la chaleur initiale se traduit par une différenciation des assises de la terre avec une croissance du noyau externe par rapport au noyau interne, ce qui entraîne des mouvements différentiels de ces assises par rapport à l'écorce terrestre(dynamo terrestre).

De cette chaleur interne découle le géodynamisme terrestre et le mouvement des plaques lithosphériques.

La puissance de cette énergie interne est estimée à 4,2. 10 .13 W soit 0,05 W.m2, pouvant atteindre 0,6 W.m2 au niveau des dorsales océaniques.

 

- Une composante externe: l'énergie solaire, le soleil émettant un rayonnement électromagnétique de courtes longueurs d'onde essentiellement dans le domaine du visible et du proche infra-rouge, ce qui représente  une puissance de l'ordre de 7,1.1017 W soit en moyenne, soit 342 W.m2

 

Mais si le bilan énergétique de la terre est essentiellement lié à l'énergie solaire, le climat terrestre lui, va être soumis à des modulateurs du fait que la terre présente la particularité d'avoir sa surface entourée sous forme d'enveloppes plus ou moins continues, par des milieux aux caractéristiques physico-chimiques différentes: les différentes couches atmosphériques et l'hydrosphère. Les modifications du bilan énergétique de la terre par ces différents milieux, va engendrer des circulations, des vents et des courants marins, définissant et régulant les différents types de climats terrestres. Si la chaleur interne du noyau terrestre a une influence faible sur les variations de la température en surface par rapport au rôle de celle engendrée par l'énergie solaire, par contre le géodynamisme qui en découle, et donc l'activité volcanique, peut être à l'origine de variations climatiques brutales, extrêmes, à l'origine d'extinctions d'espèces vivantes, et ses manifestations  aussi brutales que destructrices, furent en général vécues par les populations comme un châtiment divin, et à l'origine de religions moralisatrices et culpabilisatrices, voir de famine qui engendre conflit guerrier ou révolution..

 

 

 

 

- La presque totalité du rayonnement solaire(342w/m2 ) entre dans le système terrestre, mais la totalité du flux solaire incident n'est pas absorbée car la surface terrestre et l'atmosphère possèdent un pouvoir réflecteur(albédo) de l'ordre de 30°/°, de même le système terrestre réémet également un rayonnement vers l'espace des radiations de plus grandes longueurs d'onde(infra-rouge proche). Pour comprendre le climat terrestre, il faut donc connaître la composition de son bilan radiatif:

 

- L'atmosphère terrestre se décompose en:

  • troposphère de 0 à 10km d'altitude
  • strastophère jusqu'à 50km, entre la troposphère et la stratosphère, une zone limite, la tropopause à 10km où les gazs à effet de serre agissent. La température chute régulièrement jusqu'à la tropopause à -40°, puis augmente à nouveau dans la statosphère pour chuter  à nouveau au dessus de 50km.

-Le bilan en w/m2 se décompose donc ainsi:

  • 342 émis par le soleil dont environ 30°/°(107) réfléchis vers l'espace, sur ces 107, 77 sont sont absorbés par l'ozone, statosphérique et la vapeur d'eau, les nuages, les aérosols de la troposphère, les 30 restant correspondent à l'effet Albédo(pouvoir réflecteur de l'atmosphère et de la surface terrestre). La surface terrestre absorbe donc
     168w/m2
  • La perte par évaporation des océans est de  78,
  • 24 constitue les échanges par convection en boucle, terre-atmosphère
  • Le rayonnement terrestre est de 390 dont 324 sont réémis vers la terre par l'effet de serre, 40 seulement traverse l'atmosphère, l'atmosphère et les nuages émettent également 195 vers l'espace. L'effet de serre correspond à l'absorption dans la basse atmosphère(troposphère) du rayonnement infra rouge émis par la terre vers l'espace, car une bonne partie de ce rayonnement absorbé est réémis vers la Terre, et est responsable du réchauffement de la protosphère. Cette absorption est faite par certains gazs de l'atmosphère: la vapeur d'eau , le CO2,  le méthane (ch4), les chlorofluorocarbures(CFC)

 Au total le bilan thermique du système terre/atmosphère est en équilibre, le flux réfléchi et  réémis est de 342 w/m2,    égale donc, au flux incident solaire. Par contre, il n'y a pas équilibre radiatif par zone: la surface de la terre reçoit plus de chaleur qu'elle n'en émet du fait de l'effet de serre et au contraire, l'atmosphère est déficitaire d'une centaine de watts/m2 . Ce déficit est comblé par des flux de chaleur non radiatifs, par conduction ou convection thermique et aux processus de changement de phase: évaporation et condensation. Ces flux thermiques non radiatifs, permettent de rétablir l'équilibre thermique entre les deux sous systèmes, le maintien de cet équilibre est à l'origine des circulations atmosphériques(vent)   et des courants marins.                                                            

 

 Etude de l'effet de serre:

 

Pour qu'un gaz ait un effet de serre, il faut qu'il absorbe dans le domaine du spectre d'émission du système terre-atmosphère, soit dans le domaine de l'infra-rouge de 4 à 40 µm.

Dans ce cas les molécules du gaz considéré, absorbent un photon et passe d'un niveau stable à un niveau excité, puis une partie de l'énergie reçue est réémise vers l'espace, une autre est émise et absorbée par la surface terrestre.

Les propriétés d'absorption des molécules sont liées à leur spectre spectroscopique, c'est à dire directement à leur structure dans l'espace.

 Les molécules diatomiques O2 ou N2 ou H2, absorbent  très peu dans le domaine considéré, et n'ont donc pas, de part leur conformation spatiale, d'effet de serre. 

Les molécules diatomiques(gaz carbonique CO 2, hémioxyde d'azote N2O) ayant une stucture linéaire, ou tétraédrique(CH4), ou sans symétrie d'ordre supérieur(vapeur d'eau, ozone, CFC), possèdent une bande d'absorption dans l'infra-rouge et peuvent donc avoir un rôle dans l'effet de serre. Le rôle dans l'effet de serre d'un gaz étant lié à sa structure moléculaire fera donc intervenir sa concentration atmosphérique et son degré de saturation des  niveaux de transition énergétique. 

L'ozone O3 absorbe peu dans le domaine de l'infra rouge, vers 10µm. L'ozone troposphérique participe donc peu à l'effet de serre, et l'ozone statosphérique protège des U.V solaire.

Sans gaz à effet de serre, la température effective de la planète(obtenue à partir de mesure satellitaire) devrait être de -18°C contre +15°- température moyenne réelle de notre planète- .

 

 

 Les principaux gaz à effet de serre sont:

  • H2O(vapeur d'eau), 
  • dioxyde de carbone CO2,
  • le méthane(CH4
  •  les CFC(chlorofluorocarbures, obtenus à partir du méthane en remplaçant tous les atomes d'hydrogène par du fluor ou chlore). 

  La vapeur d'eau, sa concentration varie en fonction de la température, de présence de nuages, et peut représenter jusqu'à 4% du volume atmosphérique.

D'après le G.I.E.C:

- la vapeur d'eau représente jusqu'à 60% de l'effet de serre, le gaz carbonique .

- Le gaz carbonique: 25%

- Le méthane et l'oxyde nitreux: 6%

 

H2O(vapeur d'eau) et le dioxyde de carbone CO2, représentent donc les deux gaz dont l'effet de serre est majeur. Aux concentrations actuelles de ces gaz dans l'atmosphère, l'absorption est totale, mais l'absorption en fonction de la concentration n'est pas linéaire:ainsi si la concentration actuelle de CO2 passait de 350 à 700 ppmv, il y aurait seulement une augmentation de 4w/mcontre 50w/m2 correspondant au passage de 0 à 350 ppm.

 

Ce qui explique que le méthane, l'ozone et les CFC bien que de concentration moindre, peuvent jouer un rôle majeur dans l'effet de serre car leur bande d'absorption est différente de celle du CO2  et de celle de H2O. A relargage égale dans l'atmosphère, le pouvoir absorbant du méthane est 56 fois celui du CO2,  l'ozone 1200 fois, et les CFC de 4000 à 8000 fois.

 

CONCLUSION: même si le bilan global terrestre est équilibré du fait du rôle régulateur joué par l'atmosphère, il n'en reste pas moins des déséquilibres régionnaux à l'origine des mouvements des fluides par transfert d'énergie des basses latitude excédentaire(95% du rayon incident absorbé) vers les hautes latitudes déficitaires(67% absorbé.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

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  • : cartographies géopolitiques crées d'après le roman "le temps des révélations".voir site: http://marie_jeanne_ jourdan.publibook.com Roman à thèmes: sociologie, philosophie religieuse, cataclysme planétaire et organisation sociale à l'échelle planétaire permettant d'y faire face.
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  • Ce blog décrit le monde utopique des "écolo-babistes", d'après le roman le temps des révélations, édition site publibook.
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