Le rayonnement solaire est une variable météorologique importante qui sert à déterminer la quantité de «chaleur» que nous recevrons du soleil à la surface de la terre. Cette quantité de rayonnement solaire est modifiée par le changement climatique et la rétention des gaz à effet de serre.
Le rayonnement solaire peut chauffer la surface du sol et les objets (y compris nous-mêmes) tout en chauffant à peine l'air. De plus, cette variable est essentielle pour évaluer nos efforts de lutte contre le changement climatique. Vous voulez tout savoir sur le rayonnement solaire ?
Le rayonnement solaire traverse l'atmosphère
Lors de ces chaudes journées d'été à la plage, on s'allonge pour profiter du soleil. Plus on reste longtemps sur sa serviette, plus on sent notre corps se réchauffer et notre température monter, jusqu'à ce qu'on ait besoin de se baigner ou de chercher l'ombre pour éviter les coups de soleil. Que se passe-t-il alors, si l'air n'est pas si chaud ? En fait, les rayons du soleil ont traversé l'atmosphère et réchauffé notre corps sans pour autant réchauffer significativement l'air ambiant.
Un phénomène similaire se produit sur Terre : l’atmosphère est presque « transparente » au rayonnement solaire, mais la surface terrestre et les autres corps qui s’y trouvent l’absorbent. L’énergie transférée par le Soleil à la Terre est appelée énergie rayonnante ou rayonnement. Le rayonnement se propage dans l’espace sous forme d’ondes porteuses d’énergie. Selon leur niveau d’énergie, ces ondes sont classées selon le spectre électromagnétique. On distingue les ondes les plus énergétiques, comme les rayons gamma, les rayons X et les ultraviolets, ainsi que celles de plus faible énergie, comme les infrarouges, les micro-ondes et les ondes radio.
Tous les corps émettent des radiations
Tous les corps émettent un rayonnement proportionnel à leur température. Ce phénomène est régi par la loi de Stefan-Boltzmann , qui stipule que l'énergie émise par un corps est directement proportionnelle à la quatrième puissance de sa température. C'est pourquoi le Soleil, un morceau de bois qui brûle, notre propre corps et même un morceau de glace rayonnent continuellement de l'énergie.
Cela nous amène à nous poser une question : pourquoi pouvons-nous « voir » le rayonnement émis par le soleil ou un morceau de bois qui brûle, mais pas celui que nous émettons nous-mêmes, celui de la surface de la Terre ou celui d’un morceau de glace ? En réalité, cela dépend en grande partie de la température atteinte par chaque objet et, par conséquent, de la quantité d’énergie qu’il émet. Plus la température d’un corps est élevée, plus la quantité d’énergie qu’il émet sous forme d’ondes est importante, et c’est pourquoi il devient plus visible.
Le Soleil a une température de 6 000 K et émet un rayonnement principalement dans le spectre visible (communément appelé lumière). Il émet également un rayonnement ultraviolet (plus énergétique, qui provoque des brûlures cutanées en cas d'exposition prolongée), et le reste est constitué de rayonnement infrarouge, imperceptible à l'œil nu. C'est pourquoi nous ne percevons pas le rayonnement émis par notre propre corps. Le corps humain a une température d'environ 37 degrés Celsius et le rayonnement qu'il émet se situe principalement dans le domaine infrarouge.
Comment fonctionne le rayonnement solaire
Sachant que les objets émettent constamment des rayonnements et de l'énergie, une autre question se pose : pourquoi les objets ne se refroidissent-ils pas progressivement s'ils émettent de l'énergie et des rayonnements ? La réponse est simple : ils absorbent également de l'énergie. Il existe une autre loi, la loi de l'équilibre radiatif, qui stipule qu'un objet émet la même quantité d'énergie qu'il en absorbe. C'est pourquoi les objets sont capables de maintenir une température constante.
Ainsi, dans notre système Terre-atmosphère, une série de processus se produisent au cours desquels l'énergie est absorbée, émise et réfléchie, de sorte que le bilan final entre le rayonnement solaire atteignant le sommet de l'atmosphère et celui s'échappant dans l'espace est nul. Cela signifie que la température moyenne annuelle reste constante. Lorsque le rayonnement solaire pénètre dans la Terre, la majeure partie est absorbée par sa surface. Seule une infime partie du rayonnement incident est absorbée par les nuages et l'air. Le reste du rayonnement est réfléchi par la surface, les gaz et les nuages, puis renvoyé dans l'espace.
La quantité de rayonnement réfléchie par un objet par rapport au rayonnement incident est appelée « albédo ». On peut donc dire que le système Terre-atmosphère possède un albédo moyen de 30 %. La neige fraîchement tombée ou certains cumulonimbus à développement vertical important ont un albédo proche de 90 %, tandis que les déserts ont un albédo d'environ 25 % et les océans d'environ 10 % (absorbant la quasi-totalité du rayonnement qui les atteint).
Comment mesurer le rayonnement?
Pour mesurer le rayonnement solaire reçu en un point donné, on utilise un pyranomètre. Cet appareil est constitué d'un capteur enfermé dans un hémisphère transparent qui transmet tout le rayonnement de très courte longueur d'onde. Ce capteur comporte des segments blancs et noirs alternés qui absorbent le rayonnement différemment. Le contraste de température entre ces segments est calibré en fonction du flux de rayonnement (mesuré en watts par mètre carré).
Une estimation de la quantité de rayonnement solaire que nous recevons peut également être obtenue en mesurant le nombre d'heures d'ensoleillement dont nous disposons. Pour ce faire, nous utilisons un instrument appelé héliographe. Celui-ci est formé par une sphère de verre orientée vers le sud géographique, qui agit comme une grande loupe, concentrant tout le rayonnement reçu dans un point incandescent qui brûle un ruban de papier spécial gradué avec les heures de la journée.
Rayonnement solaire et effet de serre accru
Nous avons mentionné précédemment que la quantité de rayonnement solaire entrant et sortant de la Terre est la même. Ce n'est pas tout à fait vrai, car si c'était le cas, la température moyenne mondiale de notre planète serait de -88 degrés Celsius. Nous avons besoin d'un mécanisme pour retenir la chaleur et maintenir une température confortable et habitable, indispensable à la vie sur Terre. C'est là qu'intervient l'effet de serre. Lorsque le rayonnement solaire frappe la surface de la Terre, il est réfléchi à près de la moitié vers l'atmosphère avant d'être expulsé dans l'espace. Nous avons vu comment les nuages, l'air et d'autres composants atmosphériques absorbent une petite partie du rayonnement solaire. Cependant, cette quantité absorbée est insuffisante pour maintenir une température stable et rendre notre planète habitable. Comment pouvons-nous vivre avec de telles températures ?
Les gaz à effet de serre sont des gaz qui retiennent une partie de la chaleur émise par la surface de la Terre, l'empêchant de s'échapper dans l'atmosphère. Parmi les exemples de gaz à effet de serre, on trouve la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone (CO₂), les oxydes d'azote, les oxydes de soufre et le méthane. Chaque gaz à effet de serre possède une capacité d'absorption du rayonnement solaire différente. Plus sa capacité d'absorption est élevée, plus il retient de chaleur et empêche sa dissipation dans l'espace.
Tout au long de l'histoire humaine, la concentration de gaz à effet de serre (notamment de CO2) n'a cessé d'augmenter. Cette hausse est principalement due à la révolution industrielle et à la combustion des énergies fossiles dans l'industrie, la production d'énergie et les transports . La combustion de combustibles fossiles comme le pétrole et le charbon produit des émissions de CO2 et de méthane. Ces émissions, de plus en plus importantes, piègent une quantité considérable de rayonnement solaire, l'empêchant de s'échapper dans l'espace.
C’est ce qu’on appelle l’effet de serre. Cependant, l’intensification de cet effet est contre-productive , car elle contribue à l’augmentation constante des températures moyennes mondiales. Plus la concentration de ces gaz absorbant le rayonnement est élevée dans l’atmosphère, plus ils retiennent la chaleur et, par conséquent, plus les températures augmentent.
Rayonnement solaire et changement climatique
Le réchauffement climatique est connu dans le monde entier. Cette augmentation des températures due à la forte rétention du rayonnement solaire entraîne un changement du climat mondial. Cela signifie non seulement que les températures moyennes de la planète augmenteront, mais que le climat et tout ce que cela implique changeront.
La hausse des températures engendre une instabilité des courants atmosphériques, des masses océaniques, de la répartition des espèces, du cycle des saisons et une augmentation des phénomènes météorologiques extrêmes (sécheresses, inondations, ouragans, etc.) . Par conséquent, pour rétablir durablement notre équilibre radiatif, nous devons réduire les émissions de gaz à effet de serre et restaurer notre climat.
