Le climat - Chapitre I - Le Rayonnement

Niveau : initié

Introduction

C’est le facteur le plus important : en effet sans le Soleil, il n’y aurait pas de climat! Le rayonnement en provenance du Soleil pénètre dans l’atmosphère et va y subir des interactions avec les molécules de l’air, les aérosols, les gouttelettes de l’eau et les cristaux de glace des nuages et le sol. Une partie du rayonnement va être réfléchie sur et dans l’atmosphère et retourne dans l’espace. Une autre partie sera absorbée par les composants de l’atmosphère. Celui qui va atteindre le sol sera en partie absorbé et le reste réfléchi (voir figure 3).

La partie du rayonnement (principalement de la lumière visible) qui va être réfléchie par la surface terrestre s’appelle l’albédo. Un sol blanc (neige fraîche par exemple) renvoie plus de lumière qu’un sol couvert de végétation ou que l’eau des océans.

Le rayonnement absorbé par le sol retourne dans l’atmosphère mais non plus sous sa forme initiale mais dans l’infrarouge. La basse atmosphère est opaque à ce rayonnement. Il va principalement être absorbé par la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone (CO2), le méthane, les fréons et l’ozone. Cette absorption est accompagnée d’une augmentation de la température. C’est le phénomène connu sous le nom « d’effet de serre ».

Sans un effet de serre naturel, la température globale de la terre serait inférieure de 33°C par rapport à sa valeur actuelle. Une modification de la composition de ces gaz, qu’elle soit naturelle ou due à la pollution de l’homme, aura pour effet de modifier la température globale de la terre et les conditions climatiques.

Figure 3 : le rayonnement et les interactions avec l’atmosphère
http://www.manicore.com/documentation/serre/physique.html

Le rayonnement solaire : effets de la latitude

La forme de la terre, sa rotation et son mouvement autour du Soleil vont faire que chaque lieu, à différents moments de la journée et de l’année, emmagasinera l’énergie de manière inégale. L’angle suivant lequel les rayons solaires arrivent au sol s’appelle l’angle d’incidence.

C’est la hauteur du Soleil au-dessus de l’horizon qui va moduler l’apport d’énergie en un endroit donné à un moment donné. Du fait de la forme sphérique de la terre, l’angle d’incidence sera le plus grand à midi. Dans la zone intertropicale, il sera proche de 90° et très faible dans les régions polaires. L’apport d’énergie sera donc plus important dans les régions proches de l’équateur et de plus en plus faible au fur et à mesure que l’on se rapproche du pôle. Nous retrouvons ici l’origine du mot climat (inclinaison en grec) dans l’inclinaison des rayons du soleil en fonction de la latitude.

Le rayonnement : effets de la rotation de la terre.

Pour un site donné, l’angle d’incidence va varier du fait de la rotation de la terre. Il varie de 0° au lever du Soleil, passe par un maximum à midi (solaire) et diminue ensuite pour atteindre 0° au coucher du Soleil. C’est la variation diurne du rayonnement solaire. Elle est à l’origine des valeurs basses de la température pendant la nuit ( absence de rayonnement ) et élevées au cours de l’après-midi.

Cette variation diurne du rayonnement nous amène à commenter deux effets qui expliquent l’inégalité du rayonnement reçu en différents endroits de la Terre. Le premier concerne l’épaisseur de l’atmosphère traversée par le rayonnement solaire. Quand les rayons sont perpendiculaires au sol, le trajet dans l’atmosphère est minimal. Pour des rayons inclinés de 30° sur l’horizon, ce trajet est doublé; lorsqu’il n’est plus qu’à 5°, il est décuplé. Au plus le trajet est long au plus il y a perte d’énergie dans l’atmosphère.

L’autre effet est la dispersion de l’énergie sur la surface du sol. Lorsque les rayons arrivent perpendiculairement au sol, un faisceau lumineux de 1 m² atteint le sol sous une surface identique. Plus les rayons seront inclinés, plus la surface d’interception sera grande. Ainsi avec une inclinaison de 30° le même faisceau de 1 m² se répartira sur une surface au sol de 2 m². Plus le Soleil sera bas sur l’horizon, plus la surface au sol sera grande et moins elle recevra d’énergie.

Le rayonnement : variations saisonnières.

La position inclinée de l’axe de la Terre (23° 27’) est également une cause de la variabilité de l’énergie reçue au cours de l’année. Aux équinoxes, la ligne de séparation du jour et de la nuit passe par les pôles. Lorsqu’on va vers le solstice d’hiver, le pôle Nord n’est plus éclairé par le Soleil. Et nos nuits deviennent de plus en plus longues. Le Soleil reste en outre très bas sur l’horizon. Nous recevons de moins en moins de chaleur. En revanche, lorsqu’on va de l’équinoxe du printemps vers le solstice d’été, le pôle Nord reste éclairé de façon continue et dans notre pays, les nuits sont de plus en plus courtes. Le Soleil monte de plus en plus haut dans le ciel. Nous recevons un maximum d’énergie au solstice d’été.

C’est le déplacement de la Terre autour du Soleil et l’inclinaison de l’axe de la Terre qui sont à l’origine des saisons. Une terre dont l’axe serait perpendiculaire au plan de l’écliptique ne connaîtrait pas le phénomène des saisons : nous aurions chaque jour de l’année une égalité entre le jour et la nuit. Le printemps (ou l’automne) serait perpétuel.

http://www-istp.gsfc.nasa.gov/stargaze/Ssky.htm

Le rayonnement : l'albédo.

L'interaction entre le rayonnement et le sol va également moduler le climat d'une région. Quand l'énergie solaire arrive au sol, une partie est absorbée, l'autre est réfléchie dans l'atmosphère. La proportion entre les deux varie selon la nature et la couleur du sol. Cette proportion d'énergie réfléchie par le sol s'appelle l'albédo et est exprimée en pour-cent. L'albédo est d'environ 13 à 18 % pour le sable (source Landsberg 1970) peu aller jusqu'à 90 pour la neige fraîche. L'albédo de la mer (par temps calme) varie selon l'inclinaison des rayons du Soleil : de 40 % pour un soleil rasant à 3 % pour un soleil haut dans le ciel.

Un sol qui a un albédo important ne va pas accumuler beaucoup d'énergie. Il n'aura pas la possibilité de réchauffer l'atmosphère de manière importante. C'est pour cette raison qu'en présence de sol enneigé, les températures restent très basses. Par contre un sol qui va absorber une grande quantité d'énergie du fait d'un albédo peu élevé va réchauffer de manière importante la couche d'air juste au-dessus de sa surface.

Tableau 1. – Quelques valeurs de l’albédo de matériaux pouvant couvrir le sol.

Landsberg, H.E., 1970. Man-made climatic changes. Science. 170: pp. 1265-80.