Déficit énergétique des hautes latitudes

« Dans le programme de seconde, nous ne trouvons aucune explication complète sur le déficit énergétique des zones situées à plus de 40º de latittude nord ou sud. En effet comment une zone peut-elle émettre plus d'énergie qu'elle n'en reçoit ? »

Résumé. Les zones situées au-delà de 40°N et S sont en déséquilibre énergétique radiatif. Ce déséquilibre est compensé, sur une année, par les transports atmosphériques et océaniques provenant des basses latitudes. Ainsi le bilan global énergétique de l'ensemble atmosphère-océan-surface terrestre est équilibré, même au-delà de 40°N et S, sur des constantes de temps supérieures à l'année.

Le bilan énergétique des flux d'énergie absorbé et rayonné est déficitaire dans les régions situées au-delà de 40°N et S (spécialement durant l'hiver).

Figure 1. Répartition du flux solaire incident durant l'été austral

Ces régions de hautes latitudes perdent en effet plus d'énergie (par émission de rayonnement infrarouge) qu'elles n'en gagnent (par absorption de rayonnement solaire).

En l'absence de mouvements atmosphériques ou océaniques, la température de ces régions baisserait progressivement jusqu'à ce que le flux d'énergie rayonné (qui augmente avec la température) équilibre le flux d'énergie absorbé. En effet, si une région est en déséquilibre énergétique, son climat (son état physique) évolue, du fait de ce déséquilibre pour se rapprocher d'une situation d'équilibre.

Sur Terre, les régions de basses latitudes (comprises entre 40°N et 40°S) reçoivent plus d'énergie par absorption du rayonnement solaire qu'elles n'en perdent par émission de rayonnement infrarouge.

Figure 2. Animation :répartition de la chaleur

Mais l' excès d'énergie des basses latitudes est transporté par la circulation atmosphérique et océanique vers les régions de hautes latitudes. Dans l'atmosphère et sous nos latitudes (40-50°), ce transport d'énergie se fait principalement via les systèmes dépressionnaires, particulièrement actifs en hiver lorsque le déficit énergétique des régions polaires est le plus important.

Les mouvements atmosphériques et océaniques répartissent donc l'énergie à la surface de la planète. Ils induisent un flux net d'énergie depuis les régions tropicales vers les régions situées à haute latitude. En l'absence de ces mouvements, il ferait donc plus chaud qu'actuellement à l'équateur et moins chaud aux pôles.

La perte d'énergie d'une région par rayonnement (longueur d'onde longue surtout dans l'infra-rouge) dépend de sa température, alors que l'apport d'énergie solaire (onde courte surtout dans le visible) dépend essentiellement de sa position par rapport au Soleil (latitude, saison).

Une analogie serait une plaque de cuisson électrique, qui continue à être chaude lorsque l'on coupe le courant : elle se refroidit par radiation (et convection) parce qu'elle est plus chaude que l'air et n'est plus alimentée en énergie.

De même, les hautes latitudes se refroidissent par radiation : le bilan énergie solaire reçue - énergie perdue par radiation est négatif en moyenne annuelle. La différence est apportée par l'atmosphère et l'océan des plus basses latitudes.

Figure 3. Bilan énergétique annuel au sommet de l'atmosphère

Cette figure montre une estimation du bilan radiatif annuel au sommet de l'atmosphère, en moyenne zonale (énergie solaire absorbée, énergie terrestre émise, échelle en haut à gauche), ainsi que du transport méridien de chaleur par les circulations atmosphériques et océaniques, également en moyenne zonale annuelle (échelle en bas à droite). Le bilan radiatif est positif pour les régions situées, en gros, en deçà de 40 degrés de latitude, et négatif aux plus hautes latitudes.

Ainsi, sur une année, le bilan énergétique global des hautes latitudes est équilibré : perte par radiation = énergie solaire + énergie apportée des plus basses latitudes (atmosphère + océan). Notez que cet équilibre n'est pas réalisé pour chacune des saisons.