Concepts de flux radiatif entrant et sortant
Informations du cours
Programme de 1ère - Enseignement scientifique - France
Introduction aux flux radiatifs
Définitions fondamentales
Un flux radiatif est une quantité d'énergie électromagnétique transportée par rayonnement par unité de temps.
Il s'exprime en watts (W) ou en watts par mètre carré (W·m⁻²) quand on le rapporte à une surface.
Le flux radiatif entrant est l'énergie lumineuse reçue par un système.
À l'échelle de la Terre, il provient principalement du Soleil.
La constante solaire est d'environ 1361 W·m⁻² à la limite de l'atmosphère.
Le flux radiatif sortant est l'énergie lumineuse émise ou réfléchie par un système.
Il comprend la radiation réfléchie (albédo) et la radiation thermique émise par la Terre.
Flux radiatif entrant
Origine et composition
Le flux radiatif entrant provient presque exclusivement du Soleil.
Le Soleil émet un rayonnement thermique correspondant à une température de surface d'environ 5778 K.
La distribution spectrale suit approximativement celle d'un corps noir.
La constante solaire est la puissance reçue par unité de surface perpendiculaire aux rayons solaires à la distance Terre-Soleil.
Cette valeur varie légèrement selon l'activité solaire et la distance Terre-Soleil.
Lors de la traversée de l'atmosphère, une partie du rayonnement est :
- Absorbée par les gaz atmosphériques (O₃, H₂O, CO₂)
- Diffusée par les molécules et les aérosols
- Réfléchie par les nuages et les surfaces terrestres
En moyenne, environ 1000 W·m⁻² atteint la surface terrestre au point de culmination solaire.
Cette valeur varie selon la latitude, la saison, l'heure, la couverture nuageuse et la pollution atmosphérique.
Flux radiatif sortant
Composantes du flux sortant
L'albédo est le rapport entre le rayonnement réfléchi et le rayonnement incident.
Il s'exprime en pourcentage ou en valeur décimale (entre 0 et 1).
Différents matériaux ont des albédos différents : glace (0,8-0,9), neige fraîche (0,8-0,9), forêt (0,1-0,15), océan (0,06-0,12).
La Terre émet du rayonnement thermique selon la loi de Stefan-Boltzmann.
Où ε est l'émissivité, σ la constante de Stefan-Boltzmann (5,67×10⁻⁸ W·m⁻²·K⁻⁴) et T la température absolue.
- Réflexion atmosphérique : ~23% du flux incident
- Réflexion terrestre : ~7% du flux incident
- Rayonnement thermique émis : ~60% du flux incident
- Absorption atmosphérique : ~20% du flux incident
L'albédo moyen de la Terre est d'environ 0,3 (soit 30%), ce qui signifie que 30% du rayonnement solaire est réfléchi vers l'espace.
Bilan radiatif
Équilibre énergétique
Le bilan radiatif est la différence entre le flux radiatif entrant et le flux radiatif sortant.
Où F_in est le flux radiatif entrant et F_out est le flux radiatif sortant.
À l'équilibre, le bilan radiatif est nul : F_in = F_out
Cela signifie que la Terre émet autant d'énergie qu'elle en reçoit.
Dans ces conditions, la température moyenne de la Terre reste stable.
Actuellement, la Terre subit un déséquilibre positif d'environ 0,5-1 W·m⁻².
Cela signifie que F_in > F_out, donc la Terre accumule de l'énergie.
Ce déséquilibre est principalement dû à l'augmentation des gaz à effet de serre.
Le déséquilibre radiatif conduit à un réchauffement de la planète, ce qui modifie les systèmes climatiques, les océans, la biosphère et les glaciers.
Facteurs influençant les flux
Paramètres clés
- Distance Terre-Soleil : varie au cours de l'année (±3%)
- Inclinaison de l'axe : influence la distribution saisonnière
- Excentricité de l'orbite : cycle sur plusieurs dizaines de milliers d'années
- Couverture nuageuse : modifie l'albédo local
- Usage des sols : change l'albédo des surfaces
- Concentration des gaz à effet de serre : affecte l'émission thermique
- Température de surface : influence l'émission selon T⁴
- Journalières : variation due à la rotation terrestre
- Saisonnières : liées à l'inclinaison de l'axe
- Interannuelles : El Niño, activité solaire
- Multi-décennales : cycles naturels et tendances anthropiques
Les variations des flux peuvent entraîner des rétroactions : positive (amplification) ou négative (atténuation). Par exemple, la fonte de la banquise diminue l'albédo, accentuant le réchauffement.
Exercice d'application 1
Calcul de bilan radiatif
Une surface terrestre de 100 m² reçoit un rayonnement solaire de 1000 W·m⁻².
Elle réfléchit 30% de ce rayonnement et émet 400 W·m⁻² de rayonnement thermique.
1. Calculer le flux radiatif entrant en watts.
2. Calculer le flux radiatif sortant en watts.
3. Déterminer le bilan radiatif pour cette surface.
Solution exercice 1
Correction détaillée
- Surface : S = 100 m²
- Irradiance reçue : E_in = 1000 W·m⁻²
- Réflexion : 30% de l'irradiance reçue
- Émission thermique : E_emit = 400 W·m⁻²
Flux entrant = Irradiance × Surface
F_in = 1000 × 100 = 100 000 W
Flux sortant = Flux réfléchi + Flux émis
Flux réfléchi = 0,3 × 100 000 = 30 000 W
Flux émis = 400 × 100 = 40 000 W
F_out = 30 000 + 40 000 = 70 000 W
Bilan = F_in - F_out = 100 000 - 70 000 = 30 000 W
Le bilan est positif, ce qui signifie que la surface accumule de l'énergie.
Exercice d'application 2
Variation de température
Une surface de 1 m² subit un déséquilibre radiatif de +5 W·m⁻² pendant 1 heure.
La surface est constituée de terre avec une capacité thermique volumique de 2,5×10⁶ J·m⁻³·K⁻¹.
L'épaisseur de sol concernée est de 0,1 m.
1. Calculer l'énergie accumulée par la surface.
2. Déterminer la masse de sol concernée.
3. Calculer l'augmentation de température du sol.
Solution exercice 2
Correction détaillée
- Surface : S = 1 m²
- Déséquilibre radiatif : ΔF = +5 W·m⁻²
- Durée : t = 1 h = 3600 s
- Capacité thermique volumique : Cv = 2,5×10⁶ J·m⁻³·K⁻¹
- Épaisseur : h = 0,1 m
Puissance nette reçue : P = ΔF × S = 5 × 1 = 5 W
Énergie accumulée : E = P × t = 5 × 3600 = 18 000 J
Volume de sol : V = S × h = 1 × 0,1 = 0,1 m³
En supposant une densité moyenne de 2000 kg·m⁻³ pour le sol :
Masse : m = ρ × V = 2000 × 0,1 = 200 kg
Relation : Q = m × c × ΔT, donc ΔT = Q / (m × c)
En utilisant la capacité thermique volumique : Q = Cv × V × ΔT
ΔT = Q / (Cv × V) = 18 000 / (2,5×10⁶ × 0,1) = 0,072 K
Soit une augmentation de température de 0,072°C
Applications et conséquences
Applications pratiques
Les panneaux solaires photovoltaïques convertissent le rayonnement solaire en électricité.
Les capteurs solaires thermiques utilisent le rayonnement pour produire de la chaleur.
La connaissance précise du flux radiatif est essentielle pour dimensionner ces installations.
Les modèles climatiques utilisent les bilans radiatifs pour simuler l'évolution du climat.
Les mesures satellitaires permettent de surveiller les flux radiatifs à l'échelle planétaire.
Les variations du bilan radiatif permettent de comprendre les changements climatiques.
Les variations de l'albédo dues aux changements d'utilisation des sols affectent le bilan radiatif local.
La fonte des glaces modifie l'albédo et contribue au réchauffement.
Les aérosols atmosphériques influencent les flux radiatifs.
Le déséquilibre radiatif actuel conduit à un réchauffement global, des changements de précipitations, des modifications des écosystèmes et une montée du niveau de la mer.
Résumé
Points clés
- Flux entrant : énergie reçue (principalement du Soleil)
- Flux sortant : énergie émise/réfléchie (albédo + rayonnement thermique)
- Bilan radiatif : différence entre flux entrant et sortant
- Constante solaire : S₀ = 1361 W·m⁻²
- Albédo moyen Terre : ≈ 0,3 (30%)
- Déséquilibre actuel : ≈ +0,5-1 W·m⁻²
À l'équilibre : F_in = F_out, température stable.
Actuellement : F_in > F_out, accumulation d'énergie et réchauffement.
Conclusion
Félicitations !
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