Principes de base de l'effet de serre

On cherche à montrer que :

Figure 2. Tout corps (ici une plaque posée sur un isolant thermique) émet un rayonnement et perd ainsi de l’énergie

Plus la température du corps est élevée, plus l’énergie perdue est élevée.

La vie quotidienne nous rend familière l'idée qu'un corps “très chaud” (braise d’un feu, porte d’un four...) émet un rayonnement, mais qu'il en soit de même pour un corps à température ambiante n'a rien d'évident.

À la découverte du rayonnement infrarouge. Il faut se procurer un détecteur de présence basé sur la mesure du rayonnement infrarouge, comme celui de certains carillons à l’entrée d’un commerce, que l'on trouve couramment dans les magasins de bricolage (le fabricant Extel produit par exemple de telles sonneries à détecteur de passage). Ces appareils se déclenchent lorsqu'ils mesurent une variation de l'intensité du rayonnement infrarouge reçu : c’est ce qui arrive lorsqu'une personne passe devant ce détecteur, car la température de la peau est plus élevée que celle des murs ou du plancher en arrière plan.

L'expérience proposée doit être réalisée dans une pièce peu éclairée pour éviter toute source de chaleur ou de lumière parasite. On limite le champ de détection de l’appareil en plaçant un tube en carton (celui d’un rouleau de papier toilette par exemple) devant son ouverture, et à peu près à 50 cm de celle-ci, on installe un “écran de fond” de taille A4 environ (un carton rigide par exemple). Ce dernier est “vu” par le détecteur et sert de référence de température (figure 3).

Figure 3. Dispositif expérimental pour mettre en évidence le rayonnement infrarouge avec un détecteur de passage (sensible à l'infrarouge)

On prend deux bocaux (ou autres contenants : mugs, verres…) identiques, l'un rempli d’eau à température ambiante (pas d’eau froide, il faut l’avoir rempli suffisamment à l’avance), l'autre rempli d'eau chaude (l’eau chaude du robinet suffit). Dans la vidéo de la figure 4, ci-dessous, on a pris une tasse vide (à température ambiante) et une tasse remplie d'eau chaude.

Si l'on fait passer le premier bocal devant le détecteur, ce dernier reste muet. Si l'on fait de même avec le bocal d’eau chaude, le détecteur se déclenche. La seule différence étant la température des bocaux, c’est cette différence qui est à l’origine du déclenchement du carillon. Celui-ci réagira également si l'on fait passer la main, ou tout objet plus chaud que le “fond”.

Le rayonnement reçu par le détecteur ne change pas lorsqu’on fait passer le premier bocal devant le fond car la température du bocal est la même que celle du fond. Le flux radiatif émis par ces deux corps de même température est identique, le rayonnement reçu par le détecteur ne change pas lorsque le bocal passe car le rayonnement émis par le fond qui est masqué par le bocal est exactement compensé par le rayonnement émis par le bocal.

Lorsque le bocal a une température plus élevée, il émet plus de rayonnement que le fond, et ce rayonnement supplémentaire est détecté par l’appareil, alors qu’il n’est pas détecté par notre œil. C’est un rayonnement du domaine infrarouge (ses longueurs d’onde sont plus grandes que celles du rayonnement visible par l’œil).

On peut refaire cette expérience en remplaçant le détecteur de présence par un thermomètre infrarouge ou une caméra infrarouge^[1] (figure 5).

Figure 5. Dispositif expérimental pour mettre en évidence le rayonnement infrarouge à l'aide d'une caméra thermique

On montre l’écran d’une caméra infrarouge dont l’échelle des températures va de 10°C (violet) à 50°C (rouge). Seules les tasses remplies d'eau froide (à gauche) et d'eau chaude (à droite) sont observées sur l'écran de la caméra. Si on les passe devant le détecteur, seules ces deux tasses le déclenchent.

Voyons maintenant qu’en plus d’avoir de l’effet sur la puissance du rayonnement émis (comme nous venons de le voir), la température a de l’effet sur son profil spectral. Le profil spectral du rayonnement émis par un corps noir est donné par la loi de Planck et dépend de la température (figure 6).

Figure 6. Rayonnement visible et rayonnement infrarouge

Si la température de l’objet est inférieure à 700°C (≈ 1000 K), notre œil ne voit pas le rayonnement émis par l’objet, il est émis dans le domaine infrarouge.

Lorsque la température du corps est très élevée, supérieure à environ 700°C (≈ 1000 K), notre œil voit une partie du rayonnement qu’il émet. Par exemple, le rayonnement qui nous parvient du Soleil est émis par sa surface extérieure dont la température est d'environ 6 000 K. À cette température, 40 % de l’énergie est émise dans le domaine visible, c'est-à-dire pour des longueurs d’onde allant de 0,4 µm (violet - bleu) à 0,8 µm (rouge), 10 % est émise dans le domaine ultraviolet (λ < 0,4 µm) et 50 % dans le domaine de l’infrarouge proche (0,8 à 4 µm).

Figure 7. Rayonnement visible

Si la température de l’objet est très élevée (supérieure à environ 1000 K), notre œil voit une partie du rayonnement émis par cet objet : c'est le rayonnement visible.

On peut également citer les anciennes lampes (lampes à incandescence) dont le filament a une température proche de 2 700 K : on voit clairement sur la figure 6 que seule une très faible partie du rayonnement émis est visible. Ces lampes avaient une très faible efficacité énergétique, chauffaient beaucoup plus qu’elles n’éclairaient, et ont été progressivement abandonnées au profit d’autres technologies plus efficaces (lampe à LED, fluorescente, ou aux halogénures métalliques).

La lave des volcans, dont la température est d'environ 700°C (≈ 1000 K) et plus, émet très peu de rayonnement visible, et le peu qu'elle émet se trouve proche de la couleur rouge. Il en est de même pour la braise d’un feu. De façon très simplifiée, si la température de l'objet est inférieure à 700°C, notre œil ne voit pas le rayonnement émis par l'objet, celui-ci n'émet que du rayonnement infrarouge. Les appareils qui mesurent le rayonnement infrarouge sont assez coûteux, mais des détecteurs de présence peuvent être utilisés pour en montrer l'existence.

Dans la suite de cet exposé, on considérera seulement deux domaines pour plus de simplicité : le “domaine solaire” (λ < 4 µm) et le domaine “infrarouge thermique” (4 à 100 µm) que l’on appellera simplement “infrarouge”.

Nous voulons montrer que :

On refait l’expérience précédente de mise en évidence de rayonnement infrarouge en intercalant différents écrans entre le détecteur et la tasse remplie d’eau chaude (figures 8 et 9). Si le détecteur ne réagit pas au passage de la tasse, c'est que l'écran ne laisse pas passer le rayonnement infrarouge émis par la tasse, il lui est opaque, il l’absorbe. Au contraire, si le détecteur réagit c'est que l'écran est transparent au rayonnement infrarouge émis par la tasse. On utilisera comme écran une planchette de bois, une vitre, un sac de congélation transparent et un sac poubelle noir. Il faudra veiller à ce que les films plastiques soient assez fins pour qu’ils soient bien transparents au rayonnement infrarouge.

Les différents cas de figures sont rassemblés dans la figure 9, ci-dessous.

Figure 9. Écrans transparents ou opaques au rayonnement infrarouge

On constate que certains matériaux sont transparents au rayonnement infrarouge, d'autres opaques, que certains matériaux sont transparents au rayonnement visible, d'autres opaques (cf. tableau 1). Les propriétés de transparence ou d'absorption peuvent être différentes pour le rayonnement visible et pour l’infrarouge. Toutes les combinaisons sont possibles.

L’utilisation d’une caméra (figures 10 et 11), ou d’un thermomètre infrarouge permet de voir que les feuilles de plastique utilisées ici ne sont pas parfaitement transparentes au rayonnement infrarouge, elles sont légèrement absorbantes. Pour simplifier, on supposera cependant que les matériaux sont soit parfaitement transparents soit parfaitement opaques. Avec la caméra, on constate également que certains matériaux comme le verre réfléchissent légèrement le rayonnement infrarouge. Mais la réflectivité est en général faible (quelques pourcents), sauf pour les métaux, et on la négligera.

Figure 11. Écrans transparents ou opaques au rayonnement infrarouge

Un matériau peut être transparent ou opaque, et ces propriétés peuvent être différentes pour le rayonnement visible et pour l’infrarouge. La tasse est remplie d'eau chaude.

Un matériau qui absorbe le rayonnement infrarouge en émet aussi (propriété connue sous le nom de loi de Kirchoff, émissivité = absorptivité).

Par exemple, la planche en bois absorbe le rayonnement infrarouge quelle que soit sa température. Elle en émet donc aussi et la puissance du rayonnement émis dépend de sa température. Si la température de la planche est la même que celle du fond, la puissance par unité de surface du rayonnement qu’elle émet est la même que celle du fond et donc la puissance du rayonnement mesurée par le détecteur ne change pas quand on passe la planche devant son ouverture. Par contre, si on chauffe la planche et que sa température est plus élevée que celle du fond, alors le détecteur réagit au passage de la planche. On obtient le même résultat avec la vitre.

Pour compléter l’expérience, il faudrait montrer que les deux écrans de plastique n’émettent pas plus de rayonnement quand on les chauffe, ce qui est difficile à faire à cause des cadres en bois qui, eux, émettent plus de rayonnement et sont donc détectés.

Sur la figure 12, on montre une expérience dans laquelle les quatre écrans sont chauffés par un sèche-cheveux. La planche et la vitre émettent beaucoup plus de rayonnement quand ils sont chauffés. Par contre les deux plastiques émettent seulement un peu plus de rayonnement, ils ne sont pas parfaitement transparents au rayonnement infrarouge, mais ils émettent beaucoup moins que le bois ou le verre.

Figure 12. Effet du chauffage de l'écran

Si on chauffe les écrans, la planche et la vitre émettent alors plus de rayonnement, les plastiques peu. Un matériau qui est un bon absorbant pour le rayonnement infrarouge est aussi un bon émetteur.

Dans les situations courantes, les phénomènes physiques dominants associés aux rayonnements visible et infrarouge sont très différents. Dans le visible, un matériau opaque joue un rôle d’écran. Il absorbe le rayonnement mais n’en émet pas (tant que sa température reste inférieure à 1 000 K environ).

Dans le domaine infrarouge, ce n’est pas le cas. Un matériau qui absorbe le rayonnement en émet aussi, et la différence entre les deux dépend de la différence de température entre ce matériau et celui qui a émis le rayonnement incident. La notion d’écran, qui nous est très familière pour le rayonnement visible, ne s’applique donc pas pour le rayonnement infrarouge.

Si on utilise la caméra infrarouge, on peut vérifier que la réflexion du rayonnement infrarouge est très faible pour les matériaux utilisés et on la négligera ici. Seuls les métaux peuvent être très réfléchissants. Dans la représentation graphique du rayonnement infrarouge, on veillera à ne pas représenter de phénomène de réflexion, et à représenter séparément les phénomènes d’absorption et d’émission.

Le but est de montrer comment un système en déséquilibre énergétique évolue jusqu’à atteindre un équilibre.

On utilise une plaque (métal, bois, plastique…) noire posée sur un isolant thermique (liège, polystyrène…). Cette isolation nous permet de négliger les échanges de chaleur sur la face arrière de la plaque et de ne considérer que les échanges sur la face avant. On considère uniquement les échanges de chaleur par rayonnement (on néglige les échanges par conduction et convection) et on utilise les deux principes physiques suivants :

La plaque, d'abord à l'ombre, est ensuite placée au Soleil. Exposée au Soleil, elle reçoit plus d'énergie que lorsqu'elle était à l'ombre. Comme elle reçoit plus d'énergie, sa température augmente, elle émet donc plus de rayonnement infrarouge et perd plus d'énergie. Une nouvelle température d'équilibre est atteinte lorsque l'énergie perdue par émission du rayonnement infrarouge est égale à l'énergie gagnée par absorption du rayonnement solaire (figure 13). De même, une fois la plaque à l’équilibre au Soleil, si la quantité de rayonnement solaire reçu diminue, la température de la plaque diminue également jusqu’à ce qu’un nouvel équilibre soit atteint (figure 14).

Figure 13. Hausse de température jusqu'à équilibre énergétique Si un objet reçoit plus d’énergie qu’il n’en perd, sa température augmente. Comme sa température augmente, l'énergie perdue par l’émission de rayonnement augmente. L’équilibre est atteint lorsque l’énergie que perd l'objet est exactement compensée par celle qu’il reçoit.

Figure 14. Baisse de température jusqu'à équilibre énergétique Si un objet reçoit moins d’énergie qu’il n’en perd, sa température diminue. Comme sa température diminue, l'énergie perdue par émission de rayonnement diminue. L’équilibre est atteint lorsque l’énergie que perd l'objet est exactement compensée par l’énergie qu’il reçoit.