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N°3 - Comment la Terre évacue-t-elle son énergie? - niv 3 à 2

N°3 - Comment la Terre évacue-t-elle son énergie? - niv 3 à 2

En formation de niveau 5 à 4 (CAP à Bac), on n'étudiera pas ce dossier.



La terre est entourée par l’espace dont nous savons qu’il est quasiment vide et très froid. Déjà à 10000 [m] d’altitude, les pilotes nous annoncent des températures de – 40 [°C]. On a en fait calculé que la température de l’espace est de –270 [°C] (3 degrés Kelvin).

La température au sol et en surface des océans est en moyenne à +15 [°C], mais vu de l’espace la température de la Terre est de –19 [°C].
Cette température est celle qui permet à la planète d’évacuer vers l’espace, sous forme de rayonnements, la chaleur qu’elle reçoit du soleil et du centre de la terre. Elle est, pour l’ensemble de la planète, sensiblement celle de l’atmosphère à 5000 [m] d’altitude selon les mesures effectuées par ballon sonde (voir dossier « Le réchauffement climatique partie 2 »).

L’écart de température entre la surface au sol (à +15 [°C]) et la « surface extérieure » de la Terre (à -19 [°C]) est dû à "l’effet de serre" (nous pourrions difficilement nous en passer car sans lui, la température moyenne au sol serait de -19 [°C]).


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Question

Q1: En utilisant vos connaissances et si nécessaire après avoir réétudié le dossier " Energie, chaleur ", expliquez par quel principe physique notre planète évacue sa chaleur vers l'espace.

Par rayonnement.

Explication :

La terre est entourée par l’espace dont nous savons qu’il est quasiment vide et très froid à -270 [°C]. 
L’espace étant quasiment vide, la terre ne peut évacuer sa chaleur ni par conduction, ni par convection. Reste donc le rayonnement
Vu de l’espace à – 270 [°C], la terre est « chaude » à – 19 [°C]. Elle envoie donc un fort rayonnement vers l’espace.
La puissance de ce rayonnement est strictement égale à la puissance que la planète reçoit (de l’intérieur et de l’extérieur), du moins lorsque sa température ne varie pas.

Comme pour tous les échanges thermiques, l’importance de la transmission est fonction de l’écart de température qui le génère.
Dans le cas d’un échange par rayonnement entre 2 systèmes, la puissance transmise est proportionnelle à  l’écart entre leurs températures portées à la puissance 4 (Températures exprimées en degrés Kelvin) :

                                Flux = k x (T14- T24)
     Avec :
          Flux : Puissance échangée par rayonnement en [W]
          T1    : température du corps le plus chaud en [degré K]
          T2    : température du corps le moins chaud en [degré K]
          k      : coefficient de proportionnalité en [W/K4]

La planète évacue son énergie vers l’espace par rayonnement. Dans le cadre d’un échange de chaleur par rayonnement entre 2 systèmes, la puissance transmise est proportionnelle :

  • A l’écart entre leurs températures portées à la puissance 4 (températures exprimées en degrés Kelvin)
  • A un coefficient dit d’émissivité

Le coefficient d’émissivité de la planète est fonction de la nature de la surface « au sol » de la Terre, de la couverture nuageuse et de la nature des gaz de l’atmosphère. Si ce coefficient diminuait, la planète serait obligée de monter en température pour maintenir son évacuation d’énergie vers l’espace.