Principe de l’effet de serre

Le soleil est situé à 150 millions de kilomètres de la terre. Chaque seconde, au cœur du soleil, 627 millions de tonnes d’hydrogène fusionnent en hélium. Cette fusion nucléaire rayonne une énergie gigantesque (environ 64 000 kW / m2) dont une petite partie arrive sur terre. 

Cette énergie est transportée sous forme de rayonnement électromagnétique, des rayons gammas jusqu’aux ondes radio. Cependant, l’essentiel de l’énergie arrive sur terre sous forme de rayonnements ultraviolets, visibles et infrarouges. Les ultraviolets représentent 5 % de l’énergie reçue, le rayonnement visible 46 % et le rayonnement infrarouge 49 %.

Un mètre carré, au niveau du sol à l’équateur, c’est-à-dire lorsque les rayons du soleil arrivent perpendiculairement au sol, reçoit 1 368 watts, c’est ce que l’on appelle la constante solaire. Aux pôles, les rayons solaires arrivent de manières tangentielles et l’énergie reçue est très faible. À notre latitude, l’énergie reçue est intermédiaire. Si l’on réalise une moyenne de l’énergie reçue sur terre par mètre carré, on obtient 342 W / m2.

Commençons par une définition simple de l’effet de serre : 

La terre reçoit une certaine quantité d’énergie du soleil, cette énergie va réchauffer la planète qui va ensuite réémettre cette énergie vers l’espace. L’atmosphère va piéger une partie de cette énergie, de sorte que la température au sol sera plus importante. C’est le principe de la couverture, lorsque vous avez froid, vous vous couvrez. L’atmosphère joue le rôle d’une immense couverture pour la planète. Sans elle, il ferait beaucoup trop froid pour y vivre.

Cette image, si elle permet de comprendre facilement l’effet de serre, est un peu simpliste. Pour bien comprendre l’effet de serre, nous allons regarder plus en détail et procéder par étapes.

1- Cas du système Terre – Soleil en considérant la terre sans atmosphère.

La terre reçoit donc au sol 342 W / m2, le sol en réfléchit 30 W / m2, le reste (312 W / m2) est absorbé par le sol, ce qui a pour effet de le réchauffer, sa température augmente. Mais la terre se trouve dans l’espace qui est un milieu plus froid. Le sol va donc rayonner cette même quantité d’énergie (312 W / m2) en direction de l’espace, mais sous forme de rayonnement infrarouge. Un équilibre va être atteint entre l’énergie reçue, l’énergie émise et la capacité du sol à accumuler une partie de l’énergie. 

Si on réalise le bilan énergétique du système (les nombres sont des W / m2) :

Espace : -342 + 30 + 312 = 0

Sol : 312 - 312 = 0

Le système est bien en équilibre thermique.

Dans ce cas de figure, la terre sans atmosphère, les calculs montrent que la température à la surface de la Terre se stabiliserait aux alentours de -18°C. En réalité, la température baisserait encore, car à cette température, le sol se couvrirait rapidement de glace, ce qui induirait une réflexion beaucoup plus importante du rayonnement solaire. Résultat, la température à la surface de la planète se stabiliserait aux alentours de -70 °C ! Pour rappel, la température moyenne sur terre est actuellement de +15 °C.

2- Cas du système Terre – Soleil en simulant l’atmosphère de la terre par une simple plaque de verre très épaisse et en considérant que 100 % de l’énergie solaire est dans le visible, cela pour simplifier la situation dans un premier temps

Le verre est transparent à la lumière visible, mais opaque aux infrarouges.

Les 342 W/m2 en rayonnement visible vont donc traverser le verre et atteindre le sol, 30 W/m2 vont être réfléchis par le sol, retraverser le verre et se dissiper dans l’espace. 

Le sol va donc absorber 312 W/m2, il va s’échauffer puis va réémettre cette énergie sous forme d’infrarouges. Ces 312 W/m2 vont alors être absorbés par le verre qui va s’échauffer puis réémettre toujours en infrarouge par les deux côtés de la plaque. Il y a donc 312/2=156 W/m2 qui vont se dissiper dans l’espace et 156 W/m2 qui vont retourner au sol, ce qui va augmenter de nouveau sa température. 

Le sol va donc recevoir en réalité 312 + 156 = 468 W/m2. Sa température va encore augmenter et il va réémettre non pas 312 W/m2, mais 468 W/m2. La plaque de verre va donc recevoir cette énergie et la réémettre des deux côtés. 468/2 = 234 W/m2 vont se dissiper dans l’espace et 234 W/m2 vont revenir au sol. Le sol va donc recevoir 312 + 234 = 546 W/m2.

Vous pouvez constater que la température du sol ainsi que celle de la plaque de verre vont augmenter progressivement jusqu’à atteindre l’équilibre thermique. Cet équilibre sera atteint lorsque la plaque de verre recevra 624 W/m2 en provenance du sol. 

Si on réalise le bilan énergétique du système (les nombres sont des W / m2) :

Espace : -342 + 30 + 312 = 0

Verre : 624 – (312 x 2) = 0

Sol : 312 + 312 - 624 = 0

Le système est bien en équilibre thermique.

Il faut bien comprendre la différence entre ce cas et le précédent, dans les deux cas nous sommes à l’équilibre thermique, c’est-à-dire que les températures du sol et de la plaque de verre sont stables. Mais dans le premier cas, le sol recevait 312 W/m2 alors que dans le deuxième cas le sol en reçoit 624, c’est-à-dire le double. La température d’équilibre du sol est donc à une température beaucoup plus élevée dans le cas 2.

3- Cas du système Terre – Soleil en simulant l’atmosphère de la terre par une simple plaque de verre très épaisse, mais avec cette fois un rayonnement solaire proche de la réalité (51 % en visible et 49% en infrarouge)

Sur les 342 W/m2 en provenance du soleil, nous avons :

174 W/m2 en rayonnement visible qui vont traverser la plaque de verre, 15 W/m2 vont être réfléchis par le sol, traverser le verre et se dissiper dans l’espace. Il restera 159 W/m2 pour chauffer le sol.

168 W/m2 en infrarouges qui vont être absorbés par le verre et qui va donc s’échauffer également. Le verre va réémettre cette énergie pour moitié vers l’espace et pour moitié vers le sol. Et ainsi de suite, avec le même mécanisme de réchauffement progressif que pour le cas précédent.

Étudions directement le système à l’équilibre, voici le bilan énergétique du système

(les nombres sont des W / m2) :

Espace : -342 + 15 + 327 = 0

Verre : 168 + 486 - (327 x 2) = 0

Sol : 159 + 327 - 486 = 0

Le système est bien en équilibre thermique.

Dans le premier cas de figure, le sol recevait 312 W/m2, dans le deuxième cas 624 et dans ce cas-ci 486 W/m2, soit une valeur intermédiaire. La température au sol s’équilibrera donc à une valeur intermédiaire entre le cas 1 et le cas 2.

4- Cas du système Terre – Soleil en prenant en compte l’atmosphère de la terre

La terre est constituée d’une très fine atmosphère, 99 % de la masse de l’atmosphère terrestre se situe dans les 30 premiers kilomètres. Comparez ces 30 kilomètres avec le rayon terrestre qui est de 6371 kilomètres et vous comprenez immédiatement que cette couche qui nous permet de vivre est très fine. Si on représentait la terre par une sphère de quatre mètres de diamètre, l’atmosphère ferait environ un millimètre d’épaisseur.

L’atmosphère est constituée de trois composés principaux : 

78% de diazote (N2)

21% de dioxygène (O2)

0,93% d’argon (Ar).

0,07% pour tous les autres composés.

Nous citerons parmi les autres composés :

Le dioxyde de carbone (CO2) 0,041% en 2019 (0,027% avant l’ère industrielle)

Le méthane (CH4) 0,000187% en 2019 (0,00008% avant l’ère industrielle)

Bien que présents, en très faible quantité, ces deux composés ont un impact très important.

Il faut ajouter que l’atmosphère contient également de l’eau (H2O), sous forme de nuages et de vapeur d’eau en quantité variable (de 0 à 8% environ).

Reprenons notre analyse de l’effet de serre. Comme nous allons le voir, c’est un peu plus complexe avec l’atmosphère qu’avec une simple plaque de verre !

Nous avons toujours nos 342 W/m2 en provenance du soleil.

- L’atmosphère va réfléchir, via les nuages, les trainées d’avion et autres l’équivalent de 77 W / m2. Nous n’avions pas cette réflexion dans les cas simplifiés précédents.

- Le sol va toujours réfléchir 30 W / m2. 

- L’atmosphère va absorber 67 W / m2 ce qui va la réchauffer. Vous pouvez remarquer que l’atmosphère n’absorbe pas 100% du rayonnement infrarouge reçu, de même on notera qu’elle absorbe un peu de rayonnement visible.

Il y a donc 168 W / m2 qui chauffent le sol directement, les erreurs de simplification s’annulant entre-elles, nous sommes assez proche des 159 W / m2 du cas 3.

Pour coller à la réalité, nous devons ajouter deux nouveaux mécanismes :

- Des courants chauds ascendants appelés thermiques vont transférer par convection 24 W/m2 du sol à l’atmosphère. Il s’agit ici d’un échange de chaleur lié aux molécules d’air, effet que l’on n’avait pas dans les cas simplifiés sans atmosphère.

- L’eau qui s’évapore du sol va se condenser dans l’atmosphère (on parle de chaleur latente), ceci correspond à un transfert d’énergie de 78 W/m2 du sol vers l’atmosphère.

- À l’équilibre thermique l’atmosphère va donc rayonner 324 W/m2 en direction du sol et 195 W/m2 en direction de l’espace. On peut remarquer que contrairement à la plaque de verre, son rayonnement n’est pas symétrique.

- Le sol va émettre 390 W/m2 dont 350 vont être absorbés par l’atmosphère et 40 vont la traverser pour aller se dissiper directement dans l’espace. Ces 40 W / m2 passent parce que l’on appelle la fenêtre atmosphérique. En effet comme nous l’avons déjà dit, l’atmosphère est transparente à certaines longueurs d’onde infrarouges. Cette fenêtre permet aux astronomes d’observer les étoiles en infrarouge depuis la terre.

Vérifions le bilan énergétique du système (les nombres sont des W / m2) :

Espace : -342 + 77 + 30 + 235 = 0

Atmosphère : 67 + 350 + 24 + 78 - 195 - 324 = 0

Sol : 168 + 324 - 350 - 40 - 24 - 78 = 0

Le système est bien en équilibre thermique.

5- Conclusion

Cette étude nous a permis de voir que l’atmosphère produit un effet de serre qui a pour effet d’augmenter la température au sol. Cette augmentation de température est vitale, car sans l’effet de serre, la température moyenne du globe descendrait rapidement à -18°C, puis elle se stabiliserait aux alentours de -70°C.

Comme nous l’avons vu, l’atmosphère piège une partie du rayonnement infrarouge et c’est ce phénomène qui provoque l’effet de serre.

Les constituants de l’atmosphère qui piègent le rayonnement infrarouge sont appelés gaz à effet de serre.

Nous devons maintenant nous poser une question :

Quels sont ces gaz à effet de serre ?

La vapeur d’eau (H2O)

Sa concentration varie beaucoup suivant la température et les conditions météorologiques du moment et de l’endroit où l’on se trouve. La vapeur d’eau est d’origine naturelle et l’homme n’a pas de prise sur ce facteur. La quantité de vapeur d’eau que peut contenir l’air augmente avec la température.

Le dioxyde de carbone (CO2)

Ce gaz est également d’origine naturelle à 97%. Le problème est que les 3% de dioxyde de carbone d’origine anthropique émis depuis le début de la révolution industrielle accroissent l’effet de serre et entraine le réchauffement climatique. La concentration en CO2 est passée de 0,027% à 0,041% en l’espace de deux siècles, soit une augmentation de 52%. À cause de ce fait, la température moyenne de la planète augmente progressivement. Au 20e siècle, elle a augmenté de 0,6°C, celle de la France métropolitaine de plus de 1°C. Le dioxyde de carbone est responsable à lui seul de 66% de l’effet de serre anthropique.

Le méthane (CH4)

Ce gaz est en grande partie d’origine anthropique. Bien que sa concentration dans l’air soit très faible, elle est passée de 0,00008% à 0,000187% au cours des deux derniers siècles, soit une augmentation de 133%, le méthane a un effet 34 fois plus important que le CO2 à concentration équivalente. Il est ainsi responsable pour 17% de l’effet de serre anthropique.

Nous analyserons, dans d’autres articles, les raisons de ces émissions anthropiques et les pistes pour les diminuer.