vignette|Réception. Vidéo illustrant les fluctuations des courtes longueurs d'onde, qui permet d'évaluer l'énergie reçue du Soleil par la Terre (26 et ). vignette|Émission. Vidéo illustrant les fluctuations des grandes longueurs d'onde, qui permet d'évaluer l'énergie émise par la Terre (26 et ).
Le bilan radiatif de la Terre est l'inventaire de l'énergie reçue et perdue par le système climatique de la Terre, -atmosphère-océans.
L'apport d'énergie provient principalement du Soleil, celle produite à l'intérieur de la Terre représentant à peine 0,01 % de l'énergie totale reçue par la surface de la Terre. On parle ainsi de bilan radiatif car l'énergie thermique entrant dans le système Terre provient principalement du rayonnement solaire. Le rayonnement solaire reçu par les couches les plus élevées de l'atmosphère, ou constante solaire, est d'environ en moyenne annuelle. Le Soleil étant une étoile de type G2, son spectre d'émission s'étend de 0,2 à , c'est-à-dire de l'ultraviolet à l'infrarouge en passant par le visible.
Énergie reçue
vignette|Spectres du rayonnement solaire au sommet de l'atmosphère et au sol. La puissance totale entrant dans le système sol-atmosphère-océan est estimée à (PW). Ce flux est composé de : rayonnement solaire (99,97 %, soit ) : cette quantité est calculée en estimant que le rayonnement solaire moyen possède une densité énergétique (constante solaire) égale à à une distance de une unité astronomique, et que ce rayonnement est intercepté par la surface terrestre dont le disque apparent (plat) a une superficie incidente de . L'énergie ainsi reçue, répartie sur l'ensemble du globe terrestre (ellipsoïde ayant une superficie globale de ), correspond à une puissance moyenne, ou rayonnement solaire incident moyen, d'environ Rebecca Lindsey, Climate and Earth’s Energy Budget, NASA Earth Observatory, ., soit au total , le système sol-atmosphère-océan n'absorbe pas toute cette énergie incidente, une partie est réfléchie (par effet albédo, en fonction du sol, des océans, des nuages, des glaces et donc du climat, entraînant des effets rétroactifs ou amplificateurs importants très complexes, d'autant plus qu'on cherche une grande précision). Environ 30 % de l'énergie solaire reçue est réfléchie sans être absorbée, le rayonnement solaire n'est pas constant (voir cycle solaire) et il n'est pas connu avec une précision plus grande qu'à près d'un watt par mètre carré ; géothermie : la puissance issue de l'activité radioactive à l'intérieur de la Terre et, pour 10 à 20 % de cette contribution, celle issue de l'énergie résiduelle de sa formation représentent à peu près 0,025 % de la puissance totale reçue, environ . (ou TW) ; combustibles fossiles et fission radioactive réalisées par l'homme : ils représentent 0,009 %, soit .. L'énergie totale utilisée à partir des sources commerciales d'énergie entre 1880 et 2000, y compris le pétrole fossile et l’énergie nucléaire, est estimée à . ; l'énergie primaire mondiale annuelle est de , soit une puissance continue moyenne de ; les frictions dues aux marées : 0,002 % soit .
L'essentiel de l'énergie reçue provient donc du Soleil.
Échanges entre l'espace, la surface terrestre et l'atmosphère vignette|redresse=1.3|Diagramme de Sankey des échanges thermiques entre l'espace, l'atmosphère et la surface terrestre.
Bilan énergétique Le bilan énergétique de la Terre est quasiment équilibré, c'est-à-dire que la quantité d'énergie absorbée par le « système » que constitue la planète est égale à la quantité d'énergie réémise, si bien que la température moyenne est presque constante. La principale origine des changements de l'énergie terrestre est la modification de la composition de l'atmosphère due à l'activité humaine., qui représente environ , soit en moyenne .
D'une manière générale, les transferts de quantité de chaleur dans la nature sont essentiellement fondés sur quatre phénomènes : le transport par rayonnement thermique, mécanisme par lequel un rayonnement électromagnétique est absorbé par la matière pour générer de l'agitation thermique, ou inversement, par lequel l'agitation thermique de particules dans la matière génère un rayonnement électromagnétique ; la conduction thermique, qui est le transfert de proche en proche de l'agitation thermique entre deux régions d'un même milieu, ou d'un corps à un autre ; le transport de chaleur par convection thermique, par lequel un fluide chauffé en un point se met en mouvement vers une région plus froide ; le transport au sein d'une telle convection de la chaleur latente, initialement absorbée par l'évaporation, et que libère ensuite la condensation ou le gel de cette vapeur d'eau.
De ces quatre formes de transfert, seul le premier permet de transférer de la chaleur à travers le vide interplanétaire. C'est pourquoi le « bilan énergétique » de la planète, à ce niveau global, se confond avec son « bilan radiatif ». Plus précisément, le rayonnement reçu par la Terre (essentiellement solaire) est globalement réémis vers l'espace. Le bilan global est cependant légèrement positif, du fait de la chaleur issue de la Terre elle-même, modifiée par la chaleur dégagée ou absorbée par les océans, sur des temps de l'ordre du millénaire.
En pratique, entre l'émission entrante et l'émission sortante, le flux énergétique suit des mécanismes de transfert variés entre les différents « compartiments » que représentent l'espace, l'atmosphère, la surface terrestre et les masses océaniques.
Par commodité, pour l'analyse des échanges entre ces compartiments, on ne considère que les transferts verticaux moyennés sur la surface du globe, et on ramène ces flux thermiques globaux (mesurés en watts) à des flux par unités de surface (en watt par mètre carré). De plus, pour l'analyse qualitative, on considère que la surface océanique et la surface terrestre forment un seul et même compartiment.
Les valeurs des flux entre ces compartiments sont approximatives et varient fortement d'une source à l'autre. Pour simplifier l'exposé, les valeurs ci-après sont légèrement arrondies.
Le bilan des transferts thermiques pour la Terre (ensemble formé par l'atmosphère et la surface), résumé dans le tableau ci-dessous, est pratiquement à l'équilibre.
+Bilan thermique de la Terre (valeurs en watts par mètre carré).Loeb , J. Clim 2009.Trenberth , BAMS 2009. Énergie solaire entrante Énergie sortante (vers l'espace) sous forme de rayonnement infrarouge Composante Valeur Composante Valeur Rayonnement solaire incident 340,4 Émission par l'atmosphère 169,9 Réflexion par l'atmosphère et les nuages -77 Émission par les nuages 29,9 Réflexion par la surface -22,9 Émission par le sol 40,1 Total 240,5 Total 239,9 Absorbé par la surface 0,6 (==> 1 en 2019)
Flux énergétique entrant Le rayonnement solaire incident, estimé à , se présente uniquement sous forme de rayonnement électromagnétique. Le transfert d'énergie qui en résulte se répartit enIntergouvernemental Panel on Climate Change, Climate change 2021 : The Physical Basis - Chapter 7. : réfléchis par l'atmosphère () et par la surface terrestre (). L'albédo de Bond moyen du système Terre-atmosphère est de l'ordre de 0,3., c'est-à-dire que 30 % du rayonnement reçu par le sommet de l'atmosphère sont réfléchis par l'atmosphère, les nuages ou la surface de la Terre (océans, neige), sans changement de longueur d'onde. Le reste est effectivement absorbé par la surface terrestre ou l'atmosphère sous forme de chaleur ; directement absorbés dans l'atmosphère par les molécules de l'air et les nuages. Les ultraviolets sont absorbés en grande partie par l'ozone () et les infrarouges par la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone (). La lumière visible est absorbée en partie par les nuages, mais elle atteint majoritairement la surface de la Terre ; absorbés par la surface terrestre (océans et continents). Ce qui n'est pas réfléchi (donc ) est converti sous une autre forme d'énergie, soit en énergie thermique (chaleur), soit en énergie mécanique (mouvements du vent et de la houle), soit consommé par un changement d'état endothermique (vaporisation, fusion, sublimation, ionisation), soit stocké sous forme d'énergie chimique potentielle ( photosynthèse)
Équilibre de la surface terrestre vignette|redresse=1.5|Composantes du bilan énergétique terrestre (source : NASA).
Près des deux-tiers de l'énergie solaire qui n'est pas directement réfléchie arrive à la surface terrestre et chauffe directement le sol. La température du sol montant, à l'équilibre, une partie de cette énergie va contribuer à réchauffer la basse atmosphère, à travers deux mécanismes : le rayonnement thermique émis par le sol et absorbé par l'atmosphère (pour la part qui n'est pas diffusée dans l'espace) ; la conduction thermique, qui chauffe directement l'air au contact du sol, et indirectement la couche limite du sol à travers la convection turbulente qu'elle entraîne, qui mélange la couche de surface sur une petite épaisseur. En retour, la basse couche d'atmosphère chauffée émet également un rayonnement thermique, mais cette couche est (en moyenne, pour l'ensemble du globe) plus froide que le sol lui-même. L'émission calculée du sol vers l'atmosphère () est de ce fait plus forte que celle de la basse couche atmosphérique vers le sol (), conduisant à un transfert net du sol vers l'atmosphère par rayonnement (de l'ordre de ).
Pour mémoire, la surface terrestre est composée à 70 % d'océans. Une partie de l'énergie reçue entraîne la circulation thermohaline, qui a pour effet net de transférer une partie de cette énergie vers des latitudes plus élevées (sans effet sur le bilan énergétique de la surface). Une autre partie de l'énergie reçue () est absorbée par l'évaporation de l'eau et est également transférée vers l'atmosphère.
La surface terrestre reçoit donc au total répartis comme suit : proviennent du rayonnement solaire parvenant à la surface terrestre ; proviennent virtuellement de l'atmosphère sous forme de rayonnement infrarouge. Ces sont restitués comme suit : par évaporation de l'eau de la surface des océans, qui est transférée à l'atmosphère ; sous forme de chaleur sensible transmise par conduction / convection de l'air à la surface de la Terre, dans la couche limite du sol ; sont émis virtuellement par la surface terrestre sous forme de rayonnement infrarouge et absorbés par la basse atmosphère ; sont émis par la surface terrestre sous forme de rayonnement qui peut s'échapper vers l'espace (dans la fenêtre atmosphérique infrarouge laissée par la vapeur d'eau).. En réalité, suivant la couverture nuageuse, une partie de ce rayonnement peut être bloquée par les nuages et réchauffe l'atmosphère).
Potentiellement, l'émission globale du sol en infra-rouges serait donc de l'ordre de , dont une petite fraction seulement (10 %) peut s'échapper dans l'espace, le reste étant bloqué par les gaz à effet de serre.
Le rayonnement infrarouge de l'atmosphère vers le sol est qualifié de « back radiation » dans la littérature du GIEC, parce que si le sol, à une température effective de , émet théoriquement un flux de , il faut modéliser un flux inverse vers le bas pour représenter la part de radiation qui est « restituée » au sol par l'atmosphère, parce qu'elle est arrêtée par les gaz à effet de serre qui lui sont opaques. Physiquement, cependant, les échanges entre sol et atmosphère ne s'analysent pas comme un flux de radiations à deux sens, mais comme un flux simple d’énergie de du sol vers l'atmosphère.
Le bilan des transferts nets pour la surface terrestre est à l'équilibre. Celle-ci reçoit du rayonnement solaire, essentiellement sous forme de lumière visible, et les restitue alors comme suit : par évaporation de l'eau de la surface des océans, qui est transférée à l'atmosphère ; sous forme de rayonnement dans la fenêtre de la vapeur d'eau, qui peut s'échapper vers l'espace ; par conduction / convection de l'air à la surface de la Terre, dans la couche limite du sol ;