La Terre reçoit de l`énergie provenant du Soleil

Olympiades de Physique - 2007
Nuages d’eau
Nuages de glace
Amas de poussières
Vus d’en haut
Vus d’en bas
Vus de l’intérieur
Atelier
Espace et Environnement
Lycée Roosevelt - Reims
Loïc EVAIN
Terminale Sciences et Techniques Industrielles - Génie Mécanique
Systèmes motorisés
Steeve DUCAMP
Terminale Sciences et Techniques Industrielles - Génie Mécanique
Productique
Pauline PACAUD
Terminale Sciences Economiques et Sociales

Sommaire
Partie A : Bilan radiatif de la Terre
A I ) La Terre reçoit de l’énergie du Soleil page 4
A II ) Une partie de cette énergie est réfléchie page 4
A III ) Corps noir et émissivité page 5
A III – 1 ) Rayonnement du corps noir
A III – 2 ) Emissivité
A III – 3 ) Récapitulatif
A IV ) Bilan radiatif de la Terre page 6
Partie B : Les aérosols
B I ) Les aérosols page 7
BI – 1 ) Aérosols liquides
BI – 2 ) Aérosols solides
B II ) Effets des aérosols sur le bilan radiatif de la Terre page 8
B II – 1 ) Effet direct
B II – 1a ) Diffusion
B II – 1b ) Absorption
B II – 1c ) Conclusion
B II – 2 ) Effet semi-direct
B II – 3 ) Effet indirect
B II – 3a ) Formation des nuages
B II – 3b ) Modification de l’albedo des nuages
B II – 3c ) Modification de la durée de vie des nuages
B II – 4 ) En résumé
Partie C : Les mesures
C I ) Nuages et aérosols vus d’en haut par satellite page 12
C I – 1 ) Les satellites météorologiques
C I – 1a ) Les satellites météorologiques géostationnaires
C I – 1b ) Les satellites météorologiques polaires
C I – 2 ) Les satellites spécialisés « Etude de l’atmosphère »
C I – 2a ) Les satellites CALIPSO et CloudSat
C I – 2b ) Les mesures de CALIPSO et CloudSat
C I – 2c ) Profils verticaux obtenus par CALIPSO et CloudSat
1

C II ) Nuages et aérosols vus d’en bas par des mesures au sol page 16
CII – 1 ) Au lycée Roosevelt à Reims
CII – 1a ) Manipulations : les mesures d’éclairement
CII – 1a - α ) La photodiode, récepteur de lumière
CII – 1a - β ) Sensibilité spectrale d’un récepteur de lumière
CII – 1a - β.1 ) L’œil humain
CII – 1a - β.2 ) La photodiode
CII – 1a - β.3) La diode électroluminescente
CII – 1a - β.4 ) Alors, utiliser une photodiode ou une LED ?
CII – 1a - β.5 ) Recherche de la sensibilité spectrale des récepteurs
de lumière
CII – 1b ) Epaisseur optique de l’atmosphère
CII – 1b - α ) Définition
CII – 1b - β ) Limites de visibilité
CII – 1b - γ ) Des mesures d’éclairement à l’épaisseur optique des aérosols
CII – 1c ) Nos mesures et celles de CALIPSO
C II - 2 ) Des lidars au sol
C II – 2a ) Des lidars fixes
C II – 2b ) Des lidars pour la formation et la recherche universitaire
C II – 2c ) Des lidars embarqués sur des véhicules
C IV ) Nuages et aérosols vus de l’intérieur grâce à des avions instrumentés page 23
C IV- 1 ) Participation de deux élèves du lycée à une campagne d’installation
d’instruments sur un avion
C IV- 2 ) Le POLAR 2
C IV- 3 ) Les instruments embarqués
C IV- 3a ) Les instruments embarqués mis au point par le Laboratoire de
Météorologie Physique (LaMP) Université Blaise Pascal Clermont-Ferrand
France
C IV- 3a - α ) L’imageur de particules : la sonde PMS 2D-C
C IV- 3a - β ) Le néphélomètre
C IV- 3a - γ ) L’imageur de particules : le CPI
C IV- 3b ) L’instrument embarqué mis au point par l’Institut Alfred Wegener
Unité de recherche de Postdam Allemagne : un LIDAR
C IV- 3c ) L’instrument embarqué mis au point par l’Institut de Recherche
Troposphérique (IFT) Leibniz Allemagne : un albédomètre
C V ) Conclusion page 28
2

D’importantes incertitudes sur la prédiction de l'évolution
du climat sont dues au fait que certains paramètres associés
à la mise au point de modèles permettant de simuler le bilan
radiatif de la Terre sont encore mal connus.
Les mesures des différentes grandeurs concernant la couche
atmosphériques sont ponctuelles, mal réparties et pas
toujours centralisées. Or la compréhension du bilan radiatif
de la Terre suppose la mesure des flux radiatifs non
seulement au sommet de l'atmosphère et à la surface mais
aussi à différents niveaux de l'atmosphère.
L'impact radiatif des aérosols et des nuages est une
composante essentielle de tout système prédictionnel et de
nombreuses recherches sont menées sur ce sujet.
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A I - La Terre reçoit de l’énergie provenant du Soleil.
Le flux solaire incident est fonction
de la luminosité solaire et
inversement proportionnel au carré
de la distance au soleil.
Constante solaire : 1368 W/m2
La constante solaire exprime la quantité d'énergie solaire que recevrait un m² de la surface
terrestre exposée directement aux rayons du Soleil si l'atmosphère terrestre n'existait pas. Elle
correspond au flux solaire ramené à la distance Terre-Soleil. Elle varie de 1410 W/m2 à 1320
W/m2 selon l'excentricité de l'orbite terrestre, sa moyenne annuelle étant égale à 1368 W/m2.
D
istribution du
f
lux solaire annuel
en fonction de la latitude
La surface du globe terrestre est égale à
4*π*R2, c’est-à-dire 4 fois supérieure à la
section de la Terre : le flux solaire moyen
qui atteint le sommet de l’atmosphère a
donc pour valeur 342W/m2 (cette valeur
reste cependant très théorique car, en
pratique, le flux solaire incident varie en
fonction de la latitude, de la saison et de
l'heure).
Energie solaire arrivant sur Terre
(moyenne exprimée en W/m2)
Données issues des satellites NOAA.
Placés au-dessus de l'atmosphère, les
satellites peuvent mesurer le rayonnement
solaire incident, c'est-à-dire reçu à la
surface de l'atmosphère.
en Janvier
en Mars
A II - Une partie de cette énergie est réfléchie
Suivant la nature de la surface sur laquelle arrive le
flux solaire, une partie plus ou moins importante de
ce flux se réfléchit sur cette surface. Le rapport
Flux réfléchi / Flux incident est appelé albédo et
est caractéristique de la surface soumise aux rayons
solaires.
L'albédo est en moyenne 30 % pour le globe terrestre : 5-10 % pour les océans (sans couverture
nuageuse), 10-15 % pour les forêts, 30-50 % pour les déserts, 60-85 % pour la neige et la glace,
15-20 % pour les zones urbaines.
L’albédo des différentes
zones de la planète varie
selon les saisons.
En moyenne, 70% de
l’énergie qui parvient à la
Terre y reste et permet de
réchauffer la planète.
Août
Janvier
4