E1 Bilan radiatif de surface

Topique

Le bilan radiatif de surface correspond à l'échange net d'énergie, sous forme de rayonnement électromagnétique, entre la surface terrestre et l'atmosphère. Le rayonnement solaire de courte longueur d'onde atteignant la surface, dont la longueur d'onde est comprise entre 0,3 et 4 micromètres, est partiellement réfléchi en fonction de l'albédo de la surface, et le reste est absorbé. La surface émet alors un rayonnement de grande longueur d'onde qui suit la loi de Stefan-Boltzmann, augmentant avec la quatrième puissance de sa température, tandis que l'atmosphère réfléchit son propre rayonnement inverse de grande longueur d'onde vers la surface. La différence entre le rayonnement entrant et le rayonnement sortant de la surface représente précisément l'énergie nette disponible, qui est ensuite répartie entre chaleur sensible, chaleur latente et flux de chaleur vers le sol, comme décrit dans la section consacrée aux flux de surface.

L'albédo de surface est extrêmement variable selon le type de surface : la neige fraîchement tombée réfléchit entre 80 et 90 % du rayonnement solaire qu'elle reçoit, les forêts denses et les sols nus et sombres n'en réfléchissent qu'entre 10 et 15 %, les sols clairs entre 25 et 35 %, les cultures entre 20 et 25 %, et l'eau liquide seulement entre 6 et 10 %.

C'est précisément cette énorme variabilité d'albédo entre les surfaces qui rend le bilan radiatif extrêmement sensible à tout changement de couverture terrestre : la déforestation des régions boréales, qui remplace une forêt sombre par la neige claire mise à nu en dessous, peut entraîner un refroidissement régional net, même si cette même déforestation libère du dioxyde de carbone dans l'atmosphère.

Le cycle diurne de ce bilan radiatif est également le principal moteur du cycle hydrologique en surface : le bilan net passe d'un bilan négatif la nuit, lorsque la surface ne perd que du rayonnement de grandes longueurs d'onde sans recevoir de gain solaire compensatoire, à un bilan fortement positif à midi, atteignant jusqu'à 800 watts par mètre carré lors d'une journée d'été tropicale. C'est précisément ce bilan net positif qui induit simultanément le réchauffement de surface, l'évapotranspiration et la convection atmosphérique.

Le comportement attendu de l'ensemble du système comprend une corrélation positive entre l'énergie nette disponible et l'évapotranspiration, ainsi qu'une répartition entre chaleur sensible et chaleur latente qui, comme le décrit le rapport de Bowen, est déterminée par la quantité d'eau disponible en surface à un instant donné. Ainsi, depuis l'échange de rayonnement à ondes courtes et à ondes longues par lequel débute ce document jusqu'à la distinction entre chaleur sensible et chaleur latente par laquelle il s'achève, en passant par l'énorme variabilité de l'albédo et le cycle diurne qui l'accompagne, le bilan radiatif de surface implique que la quantité d'énergie disponible à la surface de la Terre, à chaque instant et en chaque lieu, finit par déterminer à la fois le climat local et le cycle de l'eau qui se déroule à cette surface.

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