L'effet de serre

L'effet de serre fait intervenir à la fois le rayonnement solaire et le rayonnement infrarouge. Même si le premier nous est familier, le second a souvent un côté 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 XIX^e siècle. Puis Max Planck, au début du XX^e 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 XX^e siècle.

Le rayonnement qui nous parvient du soleil est émis par sa surface extérieure dont la température est d'environ 6 000 K. A une telle température, 40% de l'énergie est émise dans le domaine visible, c'est-à-dire dans une gamme de longueur d'onde allant de 0,3 µm (micromètre = 10^-6m) (violet-bleu) à 0,7 µm (rouge). La décomposition 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 bleu au rouge en passant par le vert et le jaune. Chacune de ces couleurs est associée à un rayonnement d'une certaine longueur d'onde.

Vers 1800, William Herschell, 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% du rayonnement émis par le soleil. Les 10 % restant du rayonnement solaire total sont émis à l'opposé du domaine visible, à des longueurs d'onde plus petites que celles du violet (l'ultraviolet).

Un corps à température ambiante (288 K ou 15°C) émet un rayonnement dont le spectre est très différent de celui du Soleil.

Source - © 2001 Figure 1. Spectres d'émission d'un corps noir à 5 800 et 6 000 K (température à la surface du Soleil)

Source - © 2001 Figure 2. Spectres d'émission d'un corps noir à 253 et 288 K (ou 15°C, température moyenne à la surface de la Terre)

Le flux du spectre à 6 000 K est 10⁷ fois plus importante que pour le spectre à 253 K. La quasi totalité de l'énergie d'un corps à température ambiante 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 par notre oeil. 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 2700 °C. Le spectre du rayonnement solaire et celui 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 vitres (verre, plexiglas, polycarbonate...) qui sont transparents au rayonnement solaire mais qui absorbent le rayonnement infrarouge.

Prenons 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 négligeables).

(a) : si la plaque est seule, elle reçoit et absorbe le rayonnement solaire. Cette puissance absorbée vaut 100 dans une unité arbitraire. A 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.

(b) : on recouvre la plaque par une vitre parfaitement transparente au rayonnement solaire et parfaitement opaque au rayonnement infrarouge lointain. A l'équilibre thermique, le système "vitre-plaque" perd comme précédemment autant d'énergie qu'il en gagne. La seule différence est que maintenant c'est la vitre qui a émis le rayonnement infrarouge car, comme elle est parfaitement opaque à ce rayonnement, aucun rayonnement émis par la plaque ne peut être reçu à l'extérieur.

(c) : regardons maintenant les échanges à l'intérieur du système "vitre-plaque". Si la vitre émet 100 vers l'extérieur, par raison de symétrie elle émet également 100 vers la plaque. Celle ci reçoit donc en plus du rayonnement solaire le rayonnement infrarouge émis par la vitre. A 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 très différente puisque dans le cas a, elle émet 100 alors que dans le cas b, elle émet 200. Et cette émission plus importante se fait via une augmentation de la température de la plaque.

Sur Terre, les constituants qui interviennent dans l'effet de serre naturel sont la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone, méthane... Le rayonnement solaire, essentiellement visible, est réfléchi à 30 % par l'atmosphère et le sol, 20 % est absorbé par l'ozone et la vapeur d'eau. Les 50 % restant, sont absorbés par la surface puis réémis sous forme de rayonnement infrarouge. Certains auteurs parlent de rayonnement infrarouge tellurique.

L'atmosphère terrestre absorbe alors 95% de ce rayonnement infrarouge tellurique (50 % par la vapeur d'eau, 25 % par le dioxyde de carbone, le reste par le méthane, l'ozone (qui a une bande d'absorption à 11,4 μm, les nuages...) puis réémet toujours dans l'infrarouge un rayonnement contribuant à l'échauffement du sol.

Lorsqu'un corps absorbe à une fréquence donnée, il émet aussi et son émissivité est monochromatique et égale à son absorption. Donc pour un corps à une température donnée, le spectre d'émission est égal au spectre d'absorption. C'est essentiellement le rayonnement tellurique qui est absorbé par le CO₂, dans la bande à 15 μm. Notez que dans la région à 4 μm, les énergies radiatives solaire et tellurique sont toutes les deux très faibles.

Voir les spectres d'absorption des gaz à effet de serre.

Cet effet de serre est important car il permet à la température de surface de la Terre d'être environ 30 °C plus élevé que si l'atmosphère n'était pas présente. On estime que la vapeur d'eau est responsable d'un effet de serre naturel de + 20°C alors que le CO₂ contribue à un élévation de la température d'équilibre à la surface de la Terre de + 10°C. Les gaz atmosphériques qui interviennent dans l'effet de serre sont très minoritaires : ils constituent moins de 1 % de l'atmosphère.

ppmv : parties par million en volume, pptv : parties par 10¹² en volume

Actuellement, les hommes, par leurs activités, augmentent notablement la concentration des gaz à effet de serre, ce qui fait craindre un réchauffement significatif de la température moyenne de notre planète.

(1) La durée du cycle biogéochimique du carbone explique les incertitudes sur la durée de séjour du CO₂ dans l'atmosphère.

Si des incertitudes demeurent quand à l'effet précis de ces perturbations, il n'en reste pas moins que l'homme est en train de modifier le climat à l'échelle globale...

André Berger, 1992. Les climats de la Terre, De Boeck Université, Bruxelles.