L'effet de serre

Auteurs : Equipe La main à la pâte(plus d'infos)
Résumé :
L\'effet de serre fait intervenir à la fois le rayonnement solaire et le rayonnement infrarouge. Autant le premier nous est familier, autant le second demeure souvent mystérieux. Pourtant, ils sont de même nature physique : ce sont des rayonnements électromagnétiques qui ne se distinguent que par leur LONGUEUR D\'ONDE.
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Nous avons jusqu'à présent considéré les échanges de chaleur par convection et par évaporation-condensation, ainsi que les mouvements d'air, les vents associés. Nous allons maintenant évoquer les échanges d'énergie par rayonnement en utilisant l'analogie classique entre ce qui se passe dans l'atmosphère et ce qui se passe dans une serre d'habitation ou dans un capteur solaire destiné au chauffage. Cette analogie porte le nom d'effet de serre.

L'effet de serre fait intervenir à la fois le rayonnement solaire et le rayonnement infrarouge. Autant le premier nous est familier, autant le second demeure souvent mystérieux. Pourtant, ils sont de même nature physique : ce sont des rayonnements électromagnétiques qui ne se distinguent que par leur LONGUEUR D'ONDE.

Tout corps émet un RAYONNEMENT dont la puissance totale et le SPECTRE (c'est-à-dire la répartition de la puissance émise en fonction de la longueur d'onde) dépendent de sa température. Cette dépendance fut expérimentalement mise en évidence dans la deuxième moitié du XIXe siècle. Puis Max Planck, au début du XXe siècle, introduisit la notion de quantum d'énergie pour établir la théorie de l'émission de ce rayonnement. Cette loi de Planck fut à l'origine de la théorie quantique, théorie qui bouleversa profondément la physique du début du siècle.

Le rayonnement qui nous parvient du Soleil est émis par sa surface extérieure dont la température est d'environ 6 000 °C (cf. " Le Soleil ", dans la première édition de Graines de sciences). À une telle température, 40 % de l'énergie est émise dans le domaine visible, c'est-à-dire dans une gamme de longueurs d'onde allant de 0,3 µm (violet-bleu) à 0,7 µm (rouge). La décomposition spectrale du rayonnement solaire peut être réalisée en projetant un faisceau lumineux sur un prisme de verre ou sur un réseau de diffraction. Tout un éventail de couleurs apparaît, du violet au rouge en passant par le vert et le jaune. Chacune de ces couleurs est associée à une longueur d'onde du rayonnement. Vers 1800, William Herschel qui étudiait le rayonnement solaire, avait placé un thermomètre derrière un tel prisme. Il s'aperçut qu'il indiquait une élévation de température (et donc qu'il recevait de l'énergie) non seulement dans le domaine visible, mais également dans la région au-delà du rouge. Ce fut la découverte du rayonnement infrarouge qui représente 50 % de l'énergie du rayonnement émis par le Soleil. Les 10% restants sont également émis hors du domaine visible des longueurs d'onde, plus petites que celles du violet (ultraviolet).

Un corps à température ambiante émet un rayonnement dont le spectre est très différent de celui du Soleil (voir le dessin ).
La quasi-totalité de l'énergie est émise dans l'infrarouge lointain (de 4 µm à 50 µm). C'est pour cela que, dans le noir, un corps à température ambiante n'est pas vu à l'il nu. C'est seulement lorsque l'on dépasse 700 °C environ qu'un objet commence à être visible (un morceau de fer incandescent, par exemple). Dans les lampes classiques, la température du filament de tungstène est d'environ 2 700 °C. Les spectres du rayonnement solaire et du rayonnement infrarouge des corps à température ambiante appartiennent ainsi à deux domaines spectraux séparés par une frontière vers 4 µm.
L'effet de serre repose sur le fait que certains matériaux ont des propriétés très différentes dans ces deux domaines spectraux. C'est notamment le cas des matériaux utilisés pour les vitrages (verre, Plexiglas, polycarbonate...) qui n'absorbent pas le rayonnement solaire (ils sont transparents au visible), mais absorbent le rayonnement infrarouge (ils sont opaques à l'infrarouge).

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Considérons tout d'abord un exemple simple, sans effet de serre : une plaque noire dont la face arrière est isolée thermiquement. On ne considère que les échanges radiatifs (les échanges par convection et conduction sont supposés être négligeables). Si la plaque est toute seule, elle reçoit et absorbe le rayonnement solaire. Cette puissance absorbée vaut 100 dans une unité arbitraire. À l'équilibre thermique, les puissances reçues et perdues par la plaque sont égales et la puissance du rayonnement infrarouge émis par la plaque vaut également 100 dans nos unités. On introduit maintenant un effet de serre en recouvrant la plaque par une vitre parfaitement transparente au rayonnement solaire et parfaitement opaque au rayonnement infrarouge lointain. À l'équilibre thermique, le système " vitre-plaque " perd comme précédemment autant d'énergie qu'il en reçoit . La seule différence est que maintenant c'est la vitre qui émet le rayonnement infrarouge (100 dans nos unités) car, comme elle est parfaitement opaque à ce rayonnement, aucun rayonnement émis par la plaque ne peut être transmis à l'extérieur. Regardons maintenant les échanges à l'intérieur du système "vitre-plaque". La vitre émet la même énergie des deux côtés, l'intérieur et l'extérieur n'ayant pour elle aucun sens. Si la vitre émet 100 vers l'extérieur, elle émet donc également 100 vers l'intérieur, c'est-à-dire vers la plaque. Celle-ci reçoit donc en plus du rayonnement solaire le rayonnement infrarouge émis par la vitre. À l'équilibre thermique, la plaque doit perdre par rayonnement infrarouge autant d'énergie qu'elle en gagne, c'est-à-dire 200 dans nos unités. On peut vérifier que la vitre est alors aussi en équilibre : elle reçoit 200 et émet 200 (100 vers l'extérieur, 100 vers la plaque). Ainsi, un observateur qui regarde de loin n'est pas capable de savoir si notre plaque est recouverte ou non par une vitre car, dans les deux cas, il reçoit un même rayonnement infrarouge. La situation de la plaque est, en revanche, très différente, puisque, dans un cas, elle émet 100 alors que, dans le second, elle émet 200. Cette émission plus importante se fait via une augmentation de la température de la plaque. Si l'on rajoute une autre vitre au-dessus de la précédente, on obtient un effet de serre plus important, une température de plaque encore plus élevée.

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Sur Terre, les constituants qui interviennent dans l'effet de serre sont les nuages et quelques gaz minoritaires (vapeur d'eau, dioxyde de carbone, méthane ... ). Ils jouent un rôle analogue à celui de la vitre dans l'exemple précédent. Dans l'atmosphère, les phénomènes sont toutefois beaucoup plus compliqués, notamment à cause des propriétés d'absorption du rayonnement très particulières des gaz et de l'importance des autres modes de transfert d'énergie (convection, évaporation/condensation de l'eau, circulation générale, etc.). Ainsi, une modification de l'effet de serre modifie la convection, qui elle-même modifie la couverture nuageuse, qui à son tour influe sur l'effet de serre. Il y a beaucoup de couplages, de boucles de rétroaction, qui ont tendance, soit à amplifier, soit à atténuer un changement initial de l'effet de serre.

Sur notre planète, l'effet de serre actuel, naturel, s'avère important car il permet à la température de surface d'être environ 30°C plus élevée que si cet effet n'était pas présent. Les gaz qui interviennent dans l'effet de serre sont très minoritaires ; ils constituent moins de 1 % de l'atmosphère. Actuellement, les hommes, par leurs activités, augmentent notablement la concentration de certains gaz à effet de serre, notamment le gaz carbonique (CO2), ce qui fait craindre un réchauffement significatif de la température moyenne de notre planète.
Si de nombreuses incertitudes demeurent quant à l'effet précis de ces perturbations, il n'en reste pas moins que l'homme risque de modifier le climat à l'échelle globale.