BILAN RADIATIF DE LA TERRE

Mesure du bilan radiatif

Une mesure précise du bilan radiatif terrestre, nécessitant d’être réalisée sur la totalité du globe, est une tâche difficile. Plusieurs milliers de stations météorologiques automatiques permettent une mesure des paramètres météorologiques (température, pression, humidité, direction et vitesse du vent) et radiatifs (densité des flux radiatifs solaire et infrarouge) à la surface de la Terre. Toutefois, leur distribution spatiale est inégale : très forte en Europe, en Asie ou en Amérique du Nord, mais plus faible en Afrique et en Amérique du Sud, et presque inexistante au-dessus des océans. De plus, ce type de mesures est rare en altitude, par radiosondage atmosphérique consistant à mesurer les paramètres grâce à un ballon ascendant muni d’une radiosonde.

Les observations obtenues depuis l’espace permettent toutefois d’estimer le bilan radiatif à l’échelle globale. Cette estimation reste délicate car les instruments spatiaux ne réalisent pas une mesure directe des paramètres météorologiques ni des densités des flux radiatifs solaire et infrarouge. Ils obtiennent une luminance dans une direction donnée et pour certaines longueurs d’onde seulement. Il est alors nécessaire de développer des algorithmes capables de convertir ces mesures en densité de flux radiatif afin de les exploiter pour déterminer le bilan radiatif terrestre et ses conséquences sur la température à la surface de la Terre. Des exercices de validation sont régulièrement réalisés en comparant les estimations issues de ces algorithmes avec les mesures de flux radiatifs des stations locales situées au sol. Ils permettent d’améliorer les estimations du bilan radiatif à partir de mesures spatiales.

Les mesures spatiales ont donc permis les premières estimations du bilan radiatif global terrestre. Ces données satellitaires ont d’abord été obtenues avec des instruments simples (radiomètres mesurant les luminances que dans quelques longueurs d’onde seulement) embarqués sur Explorer-7 (1959), puis Tiros-1 (premier satellite de météorologie lancé en avril 1960) de la NASA. Entre 1978 et 1990, les instruments américains ERB (Earth Radiation Budget, embarqués sur les satellites polaires Nimbus) puis ERBE (Earth Radiation Budget Experiment, installés sur les satellites ERBS, NOAA-9 et NOOA-10), ont permis d’effectuer des séries de mesures du bilan radiatif de la Terre. Après ERBE, les radiomètres ScaRaB (Scanner for Radiation Budget), issus d’une coopération entre l’Allemagne, la France et la Russie, ont été utilisés entre 1994 et 1999 sur les satellites russes de la série Meteor-3. Une version améliorée, SCARAB-3, a équipé le satellite franco-indien Megha-Tropiques lancé en 2011. En parallèle, à partir de 1997, le programme spatial CERES (Clouds and the Earth’s Radiant Energy System, terme désignant à la fois le projet et les instruments) de la NASA a permis de poursuivre les mesures d’ERBE, avec des instruments embarqués sur les satellites TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission), première mission conjointe entre les agences spatiales américaine et japonaise. D’autres équipements CERES ont ensuite été embarqués sur les satellites américains Terra (lancé en 1999) et Aqua (lancé en 2002). À partir des nombreuses mesures réalisées par ces instruments lors des missions spatiales successives, il est donc possible d’étudier la variabilité spatiale et temporelle du bilan radiatif terrestre sur plusieurs dizaines d’années. Ces séries temporelles de données sont indispensables pour surveiller cette évolution et ainsi mieux évaluer l’impact des activités anthropiques sur la température de l’atmosphère.

Les observations, réalisées à partir de satellites en orbite polaire, permettent d’obtenir des mesures pour tous les lieux de la planète, y compris aux pôles, mais ont toutefois l’inconvénient de présenter un échantillonnage temporel limité, avec environ une mesure de jour et de nuit d’un même point sur le globe chaque jour. Pour obtenir un bon échantillonnage du cycle diurne de ce bilan, il est intéressant d’utiliser en complément des satellites géostationnaires qui, en restant toujours au-dessus d’une même zone dans le plan de l’équateur, fournissent des données continues dans le temps. Par exemple, depuis les années 2000, les instruments européens GERB (Geostationary Earth Radiation Budget) embarqués à bord des satellites géostationnaires Meteosat de seconde génération (MSG) de l’agence Eumetsat (European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites) ont été conçus pour une mesure précise du bilan radiatif terrestre. D’autres missions spatiales sont prévues afin d’améliorer ces mesures à partir d’instruments plus performants. Ainsi, à titre d’exemple, la mission FORUM (Far-infrared Outgoing Radiation Understanding and Monitoring) de l’Agence spatiale européenne (ESA), avec un lancement prévu en 2026, devrait contribuer à mieux étudier le bilan radiatif de notre planète. En effet, en permettant de mieux caractériser les propriétés spectrales des composants atmosphériques dans l’infrarouge lointain (gamme de longueurs d’onde peu étudiée jusqu’ici), elle devrait améliorer indirectement (puisqu’elle ne mesure pas le bilan radiatif) les estimations du bilan radiatif.