La température de surface de la Terre varie en fonction de la latitude et des saisons. Pourtant, en moyenne sur toute l’année, les mesures satellitaires nous montrent que la température globale de la Terre est stable et vaut environ 15 °C. Pourquoi 15 °C et non pas plus, ou moins ? 

Pour le comprendre, nous allons nous intéresser aux échanges radiatifs de la Terre avec l’espace. Au fil de cette séance et de celles à venir, nous verrons que la température de surface de notre planète résulte d’un subtil équilibre entre la quantité d’énergie solaire qu’elle reçoit quotidiennement, la quantité d’énergie thermique qu’elle rayonne et les propriétés physico-chimiques de son atmosphère et de sa surface…

Chaque planète du système solaire intercepte quotidiennement une certaine quantité de l’énergie rayonnée par le Soleil. Une partie de cette énergie est réfléchie par les nuages, la glace et les sols clairs. L’autre partie est absorbée et réchauffe la planète. 

Cependant, à l’échelle d’une année sidérale, la température des planètes est stable.

Comme le réchauffement lié à l’absorption s’opère en continu, la stabilité thermique implique l’existence d’un processus par lequel les planètes se refroidissent et de telle sorte que le gain d’énergie soit compensé par les pertes. 

Par définition, l’équilibre radiatif est atteint lorsque les pertes d’énergie sous forme thermique compensent les gains (c’est-à-dire l’énergie absorbée). La température de la planète se stabilise. La valeur atteinte est appelée la température d’équilibre radiatif.

Comment calculer la température d’équilibre radiatif ?

La température d’équilibre radiatif d’une planète correspond à la température théorique de sa surface en l’absence d’autre source d’énergie que le Soleil. Pour la calculer, on effectue un bilan des flux énergétiques (dit aussi bilan radiatif). Sont pris en compte : 

  • Le flux d’énergie solaire intercepté
  • Le flux d’énergie solaire réfléchi dans l’espace
  • Le flux d’énergie solaire absorbé 
  • Le flux d’énergie thermique émis et libéré dans l’espace

D’après le principe de conservation de l’énergie appliqué à l’ensemble de la planète sur une année sidérale, les flux solaires vérifient l’équation :

Flux d’énergie solaire intercepté = Flux d’énergie solaire réfléchi dans l’espace + Flux d’énergie solaire absorbé

Puis, d’après le principe d’équilibre radiatif : 

Flux d’énergie solaire absorbé = Flux d’énergie thermique émis dans l’espace

Exprimons les flux d’énergie en terme de puissances, c’est-à-dire de quantités d’énergie par unité de surface et de temps : 

Flux d’énergie solaire intercepté : P(totale)
Flux d’énergie solaire réfléchi dans l’espace : P(réfléchie)
Flux d’énergie solaire absorbé : P(absorbée)
Flux d’énergie thermique émis dans l’espace : P(émise)

On obtient : 

P(totale) = P(réfléchie) + P(absorbée)
P(absorbée) = P(émise)

Pour estimer la température de surface de notre planète, nous allons lui appliquer le modèle du corps noir