Le rayonnement solaire se répartit de façon inégale à la surface de la Terre. Une partie des radiations est réfléchie par les nuages et les surfaces matérielles. Le reste est absorbé par l’air, l’eau, les surfaces continentales et transformé en chaleur. 

La chaleur est rendue à l’atmosphère sous forme de rayonnement infrarouge. Une partie est gardée par la basse atmosphère et le reste est libéré dans l’espace. La quantité de rayonnement infrarouge émise dans l’espace par le système Terre est égale à la quantité d’énergie solaire absorbée. On dit que le système Terre est en équilibre radiatif. 

Cette relation est vraie tant que l’on regarde la Terre depuis l’espace et qu’on la considère comme une sphère homogène.

Le bilan radiatif de la Terre à échelle régionale

Le graphique ci-contre montre la quantité de rayonnement solaire reçue et absorbée par la Terre ainsi que la quantité de rayonnement infrarouge émis dans l’espace. Les données sont représentées en fonction de la latitude (pôle Nord en haut, pôle Sud en bas) et moyennées sur toutes les longitudes.

Calculez le bilan radiatif à l’équateur et au pôle Nord. Que constatez – vous ?

Les régions tropicales ont un excédent de chaleur et les hautes latitudes ont un déficit. Pour remédier à ce déséquilibre, la chaleur doit se propager des régions excédentaires vers les régions déficitaires en énergie. De quelle manière l’excédent de chaleur présent dans les régions tropicales est-il transféré aux hautes latitudes ?C’est ce que nous allons voir dans cet article.

Tout d’abord, il faut rappeler que la chaleur peut se propager selon différentes modalités. Ces modalités dépendent des caractéristiques de la source par laquelle la chaleur est émise et du milieu dans lequel elle se propage. 

Il existe trois types de transferts thermiques :

  • le rayonnement électromagnétique
  • la conduction
  • la convection.

Nous avons déjà détaillé le rayonnement électromagnétique dans l’article sur les ondes. Intéressons nous donc aux deux autres modes de transfert.

La conduction

La conduction est un transfert de chaleur s’opérant à travers tout volume dont les faces sont soumises à une différence de température. A l’échelle microscopique, cela se traduit par la propagation de proche en proche de l’agitation thermique des molécules du milieu. La conduction s’opère donc lorsque un objet froid entre en contact avec la surface d’un objet plus chaud (ex. une main posée sur une plaque de métal froid, une casserole posée sur une plaque chauffante à induction…). La conduction peut se produire dans tous les milieux (solides, liquides et gazeux) mais c’est dans les milieux solides qu’elle est la plus efficace.

La convection

Contrairement à la conduction, la convection s’opère uniquement dans les fluides. Elle se met en place des masses fluides chaudes et relativement peu denses sont situées en-dessous de masses fluides froides et plus lourdes. 

Pour rétablir un gradient de densité stable, les masses froides commencent à descendre tandis que les masses chaudes s’élèvent. Un cycle convectif se met en place. C’est ce qu’il se passe lorsqu’on fait chauffer une casserole remplie d’eau. Les cellules de convection permettent de brasser tout le volume d’eau et donc, à terme, de chauffer tout le liquide.

La convection dans l’atmosphère   

La convection atmosphérique a lieu lorsque le sol chauffé par les rayons du Soleil libère une grande quantité de rayons infrarouges. Dans ce cas, les masses d’air proches du sol s’échauffent et peuvent devenir plus chaudes que les masses d’air situées plus haut en altitude. Un mouvement convectif se met en place. Les masses d’air chaudes montent tandis que les plus froides descendent.

Le processus de convection est à l’origine de la formation des nuages et des précipitations. Dans ce cas, le refroidissement de masses d’air chaudes et humides en altitude entraîne la condensation des gouttelettes d’eau qu’elles contiennent et, petit à petit, la formation de nuages. Lorsque l’air est saturé en humidité, il se met à pleuvoir. 

La convection atmosphérique peut s’établir sur plusieurs centaines de mètres voire kilomètres en altitude. On parle de convection profonde (angl. deep convection) lorsqu’elle atteint le sommet de la Troposphère. La convection profonde est à l’origine de la formation des tempêtes tropicales et des orages.

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