D3 Flux de surface et bilan énergétique

Topique

La méthode des covariances turbulentes mesure les flux turbulents de chaleur sensible, de chaleur latente et de dioxyde de carbone en calculant la covariance entre les fluctuations turbulentes de la vitesse verticale de l'air et celles de la température, de l'humidité spécifique ou de la concentration en dioxyde de carbone, selon le flux mesuré. Cette méthode exige une très haute résolution temporelle (au moins dix mesures par seconde) et repose sur l'hypothèse que le flux net de chaleur ou de gaz est presque entièrement dominé par ces mêmes tourbillons turbulents.

Un réseau mondial de stations appliquant cette méthode des covariances turbulentes comprend actuellement des centaines de tours de mesure réparties dans divers écosystèmes à travers le monde, permettant ainsi de comparer les flux turbulents mesurés dans une forêt tropicale avec ceux mesurés dans une prairie ou un champ agricole.

Le bilan énergétique de surface relie le rayonnement net reçu par une surface à sa distribution entre trois destinations distinctes : la chaleur latente, la chaleur sensible et le flux de chaleur transmis au sol. C'est précisément ce rayonnement net disponible qui garantit que la somme de ces trois flux coïncide toujours avec l'énergie ayant effectivement atteint la surface. Le rapport de Bowen quantifie précisément la répartition de cette énergie entre chaleur sensible et chaleur latente. L'humidité disponible en surface rend ce rapport élevé sur les surfaces sèches, où la quasi-totalité de l'énergie est dissipée sous forme de chaleur sensible, et faible sur les surfaces humides, où la majeure partie de l'énergie est consommée par l'évaporation de l'eau sous forme de chaleur latente.

Le rayonnement net qui sous-tend ce bilan est obtenu, en partie, en mesurant la température de surface à l'aide d'un thermomètre infrarouge et en convertissant cette température en un flux de rayonnement de grandes longueurs d'onde grâce à la loi de Stefan-Boltzmann. Le flux de chaleur pénétrant dans le sol, quant à lui, est obtenu à partir des gradients de température mesurés à différentes profondeurs au sein même du sol, en appliquant la loi de Fourier pour la conduction thermique.

Enfin, les chambres de flux offrent une méthode plus directe pour mesurer les gaz tels que le dioxyde de carbone et le méthane : elles enferment une portion de sol dans une chambre étanche et déterminent le flux de ces gaz en fonction de la vitesse à laquelle leur concentration varie dans cette chambre fermée. Ainsi, de la covariance des tourbillons par laquelle débute ce document aux chambres d'écoulement par lesquelles il se conclut, en passant par le bilan énergétique de surface, le rapport de Bowen et les lois de Stefan-Boltzmann et de Fourier, la mesure des flux de surface permet de quantifier précisément, à partir d'une seule tour de mesure, l'énergie et les gaz échangés entre la surface de la Terre et l'atmosphère, invisibles à l'œil nu.

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