Équilibre thermique de la Terre

En bref : L’inégale répartition de l’énergie solaire reçue par l’atmosphère et par la Terre, à l’origine des climats, provoque le déplacement de la chaleur des zones excédentaires équatoriales vers les plus hautes latitudes. Ce transfert d’énergie calorifique est assuré par les vents et le cycle de l’eau. De plus, les océans, importants régulateurs thermiques, emmagasinent, transportent et restituent en partie la chaleur à l’atmosphère. Cette circulation générale de l’air troposphérique est également influencée par la rotation de la Terre.

Répartition du rayonnement solaire
Redistribution de la chaleur par les flux d’air
Cycle de l’eau et transferts d’énergie
Régulation du climat par les océans

Cycle de l’eau et transferts d’énergie

Le cycle de l’eau joue un rôle important dans le budget énergétique de la planète. En effet, le couple évaporation-condensation est responsable du transfert d’une quantité considérable d’énergie de la zone intertropicale vers les latitudes plus hautes. Sur la totalité de la surface terrestre, l’ensemble des précipitations annuelles représente une hauteur moyenne de 90 cm, qui implique bien évidemment l’évaporation d’une quantité d’eau équivalente. L’énergie nécessaire à cette évaporation est considérable : environ 660 thermies, soit 2,76.109 J/an, pour chaque mètre carré de la surface terrestre, soit plus du quart de l’énergie solaire totale reçue chaque année par la Terre. Cette énergie est intégralement restituée à l’atmosphère lors de la condensation de toute cette vapeur d’eau.

Bilan énergétique du passage d’un kg d’eau d’un état à un autre

Liquide
Solidification
Solide

0,334.106 J

Fusion

Gazeux Condensation
Liquide
2,5.106 J

Évaporation (à 20 °C)
Source : Atmosphère, atmosphères, Sciences et vie, n° 174, mars 1991.

L’eau, presque omniprésente à la surface de la Terre et dans l’atmosphère, est amenée à changer d’état : solide, liquide ou gazeux, en fonction des variations de température et de pression ; ces changements d’état absorbent ou libèrent de l’énergie. Ainsi, la vaporisation de l’eau au-dessus de l’océan consomme de l’énergie, ce qui entraîne un refroidissement de l’air. Ensuite, la vapeur d’eau s’élève en altitude et se condense en libérant une quantité d’énergie équivalente à celle qui avait été nécessaire à sa vaporisation. La chaleur produite, appelée chaleur latente de condensation, réchauffe l’atmosphère. Un air, à une température donnée et à une pression donnée, ne peut pas contenir plus d’une certaine quantité d’eau à l’état de vapeur : c’est ce qu’on nomme humidité saturante. Au-delà, l’humidité se condense.

Concentration de l’air en eau en fonction de la température

Lorsqu’un air saturé (qui contient le maximum possible de vapeur d’eau) se refroidit, son humidité saturante diminue. La vapeur d’eau en excès se condense en fines gouttelettes pour former des nuages. C’est l’ascendance de l’air qui en est la cause la plus fréquente. Le couple évaporation-condensation permet donc un important transfert vertical d’eau et de chaleur. L’eau retombe parfois sur place mais le plus souvent, la vapeur d’eau (et l’énergie potentielle qu’elle représente), ainsi que les nuages, sont transportés par les vents, sur de très longues distances des régions chaudes où l’évaporation est maximale, vers les régions plus sèches et plus froides. Ainsi s’explique l’origine des pluies.

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