🌍 Le bilan radiatif de la Terre et l'effet de serre
Sans effet de serre, la Terre serait une boule de glace à −18 °C ! Au départ, son atmosphère est transparente à l'infrarouge : regarde-la geler. Puis ajoute des gaz à effet de serre, change l'albédo avec de la glace, des océans ou des nuages, et suis chaque flux d'énergie, de la lumière du Soleil jusqu'au rayonnement renvoyé vers le sol.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- L'épaisseur de chaque flèche est proportionnelle au flux d'énergie qu'elle transporte, en watts par mètre carré : les flèches jaunes sont la lumière du Soleil, les rouges le rayonnement infrarouge.
- À l'équilibre, ce qui entre égale ce qui sort : au sommet de l'atmosphère, l'infrarouge qui part vers l'espace vaut exactement la lumière absorbée, (1 − α) × 340 W/m².
- Quand l'atmosphère absorbe l'infrarouge, elle en renvoie la moitié vers le sol : le sol reçoit alors plus que la seule lumière du Soleil, il se réchauffe jusqu'à rayonner davantage.
- La température ne change pas d'un coup : l'océan met plusieurs années à se réchauffer ou à se refroidir, comme le montre le graphique.
- Un albédo plus grand (glace, neige, nuages) renvoie plus de lumière vers l'espace : la Terre absorbe moins d'énergie et se refroidit.
Expériences à faire
- Sans effet de serre, quelle est la température d'équilibre ? Est-ce compatible avec de l'eau liquide sur Terre ?
- Quelle absorption ε faut-il pour retrouver les 15 °C actuels ? Que vaut alors le flux renvoyé vers le sol ?
- Augmente ε de 0,02 : de combien la température d'équilibre monte-t-elle ? Combien d'années faut-il pour l'atteindre ? Coche « ✏️ Mes valeurs » et change la profondeur d'océan qui se réchauffe : qu'est-ce qui change, et qu'est-ce qui ne change pas ?
- Si la banquise fond (l'albédo diminue), la Terre se réchauffe-t-elle ou se refroidit-elle ? Pourquoi parle-t-on de rétroaction ?
- Avec un Soleil 25 % moins brillant (255 W/m²), peut-on encore atteindre 15 °C ? (C'est le « paradoxe du Soleil jeune ».) Essaie aussi Mars (147 W/m²), puis Vénus (650 W/m², albédo 0,77, ε = 1) : pourquoi ce modèle à une seule couche est-il loin de ses 460 °C ?
La physique derrière l'animation
- Loi de Stefan-Boltzmann : un corps noir à la température T rayonne une puissance surfacique φ = σ T4, avec σ = 5,67 × 10−8 W·m−2·K−4.
- Le Soleil apporte en moyenne 340 W/m² (1 361 W/m² divisés par 4) ; l'albédo α en renvoie la fraction α vers l'espace (α ≈ 0,30 pour la Terre).
- Sans effet de serre : (1 − α) × 340 = σ T4, d'où T ≈ 255 K ≈ −18 °C.
- Modèle à une couche : l'atmosphère absorbe la fraction ε de l'infrarouge du sol et réémet ε σ Ta4 vers le haut et vers le bas. À l'équilibre, Ta4 = Ts4/2 et Ts = [(1 − α) × 340 / (σ (1 − ε/2))]1/4 : 15 °C pour ε ≈ 0,78.
- Simplifications : moyenne sur toute la Terre et sur l'année, atmosphère transparente à la lumière du Soleil, une seule couche, ni convection ni évaporation ; l'inertie thermique est celle de 70 m d'océan (2,9 × 108 J·m−2·K−1), et le film est accéléré (1 s = 2 ans).
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