29 notions-clefs : effet de serre et climat

Qu'est-ce que l'effet de serre ?
Auteurs : Jean-louis Dufresnes(plus d'infos)
Résumé :
Les matériaux ou les gaz qui participent à l’effet de serre ont la propriété d’être transparents au rayonnement visible et opaques au rayonnement infrarouge.
Publication : 26 Mars 2014

Pour comprendre le mécanisme de base de l’effet de serre, nous allons commencer par détailler ce qui se passe lorsque l’on met une plaque noire au soleil. Nous considérerons uniquement les échanges de chaleur par rayonnement et nous utiliserons les deux principes physiques suivants :

  • 1. Tout corps émet du rayonnement et, ainsi, perd de l’énergie, et plus la température du corps est élevée, plus l’énergie perdue est élevée.
  • 2. Si un objet reçoit plus d’énergie qu’il n’en perd, sa température augmente. Comme sa température augmente, il émet plus de rayonnement et perd donc davantage d’énergie. L’équilibre est atteint lorsque l’énergie que perd l’objet est exactement compensée par l’énergie qu’il reçoit : c’est l’équilibre énergétique.

Cette représentation est très simplifiée mais elle permet de comprendre un point essentiel : l’effet de serre ne correspond pas à la réflexion vers le bas du rayonnement infrarouge émis par la surface. Dans l’effet de serre, le matériau (ici la vitre) absorbe le rayonnement infrarouge, ce qui augmente sa température, et c’est cette augmentation de la température qui augmente le rayonnement infrarouge émis vers le bas. Donc l’effet de serre n’est pas un effet instantané et il est directement lié à l’augmentation de la température du matériau absorbant (ici la vitre).

Y a-t-il un effet de serre dans une serre ?

C’est Joseph Fourier qui évoqua le premier le piégeage du rayonnement infrarouge par l’atmosphère : « C’est ainsi que la température est augmentée par l’interposition de l’atmosphère, parce que la chaleur trouve moins d’obstacles pour pénétrer l’air, étant à l’état de lumière, qu’elle n’en trouve pour repasser dans l’air lorsqu’elle est convertie en chaleur obscure. » Pour établir cette hypothèse, il s’était basé sur des expériences réalisées par le naturaliste genevois Horace Benedict de Saussure avec un montage qui ressemblait à une serre, d’où le nom d’« effet de serre ». Mais cette analogie a des limites. Dans l’explication précédente, nous avons considéré uniquement les échanges de chaleur par rayonnement alors que dans les serres horticoles, les autres modes d’échange de chaleur, la conduction et la convection, jouent un rôle important. Dans une telle serre, le simple fait de poser une couverture en vitre ou en plastique limite les déplacements d’air et donc les échanges par convection, ce qui diminue le refroidissement du sol. L’absorption du rayonnement infrarouge (donc ce que nous appelons l’« effet de serre ») joue un rôle plus secondaire. On trouve même des plastiques vendus pour confectionner des serres alors qu’ils sont transparents au rayonnement infrarouge, donc sans « effet de serre » ! C’est pour cette raison que nous ne connaissons pas d’expérience simple qui permette de mettre en évidence l’effet de serre : celles généralement présentées ne marchent pas, montrent autre chose que l’effet de serre ou sont délicates à mettre en oeuvre.

L’effet de serre sur la Terre

Dans l’atmosphère terrestre, les gaz à effet de serre jouent le rôle de la vitre de l’expérience précédente. La vapeur d’eau (H2O) et le dioxyde de carbone (CO2) sont les deux principaux gaz à effet de serre. Par ciel clair, la vapeur d’eau est responsable de 60 % de l’effet de serre, et le dioxyde de carbone de 26 %, le méthane (CH4), le protoxyde d’azote (N2O), l’ozone (O3) et d’autres gaz étant responsables des 14 % restants. L’ensemble de ces gaz à effet de serre constitue moins de 1 % de l’atmosphère. L’effet de serre dans l’atmosphère se distingue de l’effet de serre présenté ci-dessus principalement sur les trois points suivants :

  • 1. La température de l’atmosphère varie d’environ 15 °C près de la surface de la Terre à – 60 °C en altitude. On ne peut donc pas comparer simplement la température de l’atmosphère avec celle, quasi uniforme, de la vitre de l’expérience. Cette réserve peut être levée en considérant une serre constituée non plus d’une seule vitre, mais d’une superposition de vitres.
  • 2. Les gaz ne sont pas absorbants dans tout le domaine infrarouge, ils ne sont absorbants que dans des domaines spectraux limités que l’on appelle « bandes d’absorption ».
  • 3. Nous n’avons considéré que les échanges par rayonnement, alors que les échanges par convection et par évaporation-condensation jouent également un rôle très important, surtout dans la basse atmosphère (voir le chapitre précédent « La physique du climat »).

Il n’en demeure pas moins que l’effet de serre sur la Terre est un phénomène réel et essentiel qui nous permet d’avoir une température moyenne à la surface de 15 °C au lieu de – 18 °C s’il n’existait pas. Pour les autres planètes du système solaire, l’effet de serre peut être très différent selon la composition et la pression à la surface : il est par exemple très faible sur Mars et très important sur Vénus.

La plaque, d’abord abritée à l’ombre, est ensuite placée au soleil. La face exposée au soleil (la face avant) est noire ou foncée, l’autre (la face arrière) est isolée thermiquement et on néglige les échanges de chaleur entre cette face arrière et l’extérieur. Une fois la plaque exposée au soleil, elle reçoit plus d’énergie que lorsqu’elle était à l’ombre (voir la figure a). Comme elle reçoit plus d’énergie, sa température va augmenter, donc elle va émettre plus de rayonnement et perdre plus d’énergie (voir la figure b). Une nouvelle température d’équilibre est atteinte lorsque l’énergie perdue par émission du rayonnement est égale à l’énergie gagnée par absorption du rayonnement solaire (voir la figure c).

Pour étudier le mécanisme de l’effet de serre, nous allons utiliser le même montage et les mêmes principes physiques que ci-dessus, mais nous allons ajouter une vitre au-dessus de la plaque (voir la figure d).
On suppose que la vitre a la propriété d’être parfaitement transparente au rayonnement solaire et parfaitement opaque au rayonnement infrarouge : elle laisse passer tout le rayonnement solaire et absorbe tout le rayonnement infrarouge. La vitre absorbe donc le rayonnement infrarouge émis par la plaque et se réchauffe. Comme elle se réchauffe, elle émet elle-même plus de rayonnement infrarouge et sa température va augmenter jusqu’à ce qu’elle perde autant d’énergie qu’elle en reçoit (voir la figure e). Le rayonnement émis par la vitre est émis moitié vers le haut, moitié vers le bas. Le rayonnement émis vers le haut est perdu et celui émis vers le bas est absorbé par la plaque. La plaque reçoit maintenant plus d’énergie qu’elle n’en perd, donc sa température va augmenter jusqu’à ce qu’elle perde autant d’énergie qu’elle en reçoit (voir la figure f). Ce supplément de rayonnement infrarouge émis par la plaque est absorbé par la vitre, dont la température va augmenter à nouveau jusqu’à ce qu’elle perde autant d’énergie qu’elle en reçoit, le rayonnement étant émis moitié vers le haut, moitié vers le bas, etc. (voir la figure g). Finalement, un équilibre est atteint, dans lequel la température de la plaque est plus élevée que dans le montage sans vitre. C’est ce que l’on appelle l’« effet de serre ».

 

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