L'effet
de serre
Comment ça marche ?
dernière mise à jour : 11 mars, 2005
- Actualité 2005
Température moyenne à la surface de la Terre
La valeur de la température moyenne à la surface de la Terre est obtenue en faisant la moyenne de la température sur toute la surface de la Terre (océans et continents, la surface de ces derniers étant ramenée au niveau de la mer), et sur toute l’année. On trouve alors une valeur de +15,0°C. On estime qu’elle est connue au dixième de degré près.
- La température d'équilibre à la surface de la Terre
La température à la surface de la Terre (continents et océans) est le résultat d’un équilibre entre toute l’énergie qui chauffe la surface de la Terre, ce qui représente 492 watts par m2 et toute l’énergie que perd cette même surface, ce qui représente également 492 watts par m2. Il est intéressant de comprendre l’origine de chacun de ces termes car un changement dans chacune de ces origines, qu’il soit naturel ou lié à l’homme, entraînera un nouvel équilibre de l’énergie, et modifiera par conséquent la température moyenne sur Terre et se répercutera sur le climat.
- Par quoi est assuré le chauffage de la surface de la Terre ?
Deux origines à
ce chauffage :
· L’énergie solaire
ou rayonnement solaire
L’énergie solaire arrive sous forme de rayonnement solaire.
L’œil en perçoit la partie visible, ce qui représente
40% de cette énergie. Le reste se distribue dans l’infrarouge
proche (50%) et dans l’ultraviolet (10%) (voir
…). Moyennée sur l’année et sur l’ensemble
de la Terre, l’énergie solaire qui arrive est de 342 watts
par m2. Toute cette énergie ne “chauffe” pas la Terre,
c’est-à-dire n’est pas absorbée par la Terre
(atmosphère, océans, continents). Environ 30% (c’est-à-dire
107 watts par m2) est renvoyé (ou réfléchi) dans
l’espace par l’atmosphère, les océans et les
continents. C’est à cause de cette lumière réfléchie
que la Terre est visible de l’espace et que les planètes
apparaissent brillantes la nuit dans le ciel. Il reste donc 235 watts
par m2 qui vont “chauffer” la Terre.
Quand ce rayonnement traverse l’atmosphère, certains constituants
de l’atmosphère (principalement la vapeur d’eau et
la couche d’ozone) en absorbent une partie (67 watts par m2), le
restant (168 watts par m2) parvient à la surface et est entièrement
absorbé par celle-ci.
·
Le rayonnement infrarouge émis par l’atmosphère
L’atmosphère émet, elle aussi, un rayonnement infrarouge
du fait de sa température (voir loi de Wien) . Elle l’émet
d’une part vers l’espace (195 watts par m2) et d’autre
part vers la surface de la Terre (324 watts par m2). L’énergie
totale rayonnée par l’atmosphère est égale
à 529 watts/m2.
- Par quels mécanismes la surface de la Terre se refroidit-elle ?
Trois mécanismes
différents interviennent pour refroidir la surface de la Terre.
· Le rayonnement infrarouge émis
par la surface de la Terre
Du fait de sa température, la surface de la terre émet un
rayonnement infrarouge (voir loi de Wien). Ce rayonnement infrarouge émis
par la surface de la Terre correspond à une perte d’énergie
de 390 watts par m2. Il est directement déterminé par la
température de 15°C. Ce rayonnement qui quitte la surface de
la Terre (océans et continents) va traverser l’atmosphère
: 90% seront absorbés par cette dernière, seuls 10% traverseront
sans aucune interaction et quitteront directement et définitivement
la planète.
· L’évaporation de l’eau
L’eau liquide sur Terre s’évapore constamment dans
l’atmosphère et donne des nuages par condensation; cette
même quantité d’eau retourne sur la surface de la Terre
par la pluie (cycle de l’eau). Il s’évapore en moyenne
3 mm d’eau par jour ce qui entraîne un refroidissement
de la surface qui, exprimé en énergie, correspond à
78 watts par m2.
· Le réchauffement de l’air par le sol (terme F)
En moyenne la surface, plus chaude que l’air, se refroidit en réchauffant
ce dernier au niveau du contact air - sol : les masses d’air, réchauffées,
s’élèvent et ce mécanisme donne naissance aux
mouvements verticaux de l’atmosphère. En moyenne cela correspond
à une perte de 24 watts par m2.
Bilan énergétique de l’atmosphère
Quand un corps a une température d’équilibre (ici l’atmosphère), cela résulte du fait que l’énergie absorbée par le corps est égale à l’énergie émise, ou encore perdue, par le corps. L’énergie rayonnée par l’atmosphère, 519 watts/m2 doit être compensée par un apport égal d’énergie. Cet apport se fait sous quatre formes différentes :
- La condensation de la vapeur d’eau (78 watts par m2) sous forme de nuages. De même que l’évaporation de l’eau refroidit le milieu (de l’énergie est “pompée” au milieu pour vaporiser l’eau), de même la condensation dégage de la chaleur et réchauffe l’atmosphère,
- Le chauffage des masses d’air à partir du sol (24 watts par m2),
- Le rayonnement solaire (67 watts par m2),
- L'absorption du rayonnement infrarouge qui est émis par la surface de la Terre. Des 390 watts émis par la surface de la Terre 90%, soit 350 watts par m2, sont absorbés par l'atmosphère. C'est cette quantité qui intervient dans l’effet de serre".
L’énergie reçue par l’atmosphère est donc égal à : 78+24+67+350 = 519 watts/m2
Vue d’ensemble
des mécanismes de chauffage
La surface de la Terre (océans plus continents)
est en équilibre : elle est chauffée en absorbant 492
watts/m2 (168 + 324) et elle se refroidit en perdant la même
quantité d’énergie (78+24+390).
L’atmosphère, elle aussi, est en équilibre : elle
est chauffée en absorbant 519 watts/m2 (67+ 24+78+350) et elle
se refroidit en perdant 519 watts/m2 (195+324)
La planète Terre est donc à l’équilibre
: elle est chauffée en absorbant 235 watts par m2, elle perd
la même quantité d’énergie sous forme de
rayonnement infrarouge vers l’espace ( 195+40).
Le bilan radiatif de la Terre
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Le principe de l'effet de serre
Les principaux constituants atmosphériques gazeux
capables d’absorber ce rayonnement infrarouge sont :
-
la vapeur d’eau, H2O,
-
le dioxyde de carbone, CO2,
-
Les autres constituants, dont le rôle dans la nature est plus faible, sont l’ozone, le méthane, etc..
La vapeur d’eau absorbe près de 50% des 390 watts par m2 émis par la surface de la Terre. Le dioxyde de carbone, CO2, en absorbe lui près de 25 %. La vapeur d’eau et le CO2 absorbent de façon complémentaire le rayonnement infrarouge émis par la surface car ils agissent dans des domaines de longueur d’onde différents : leur action s’ajoute (2).
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Sur cette figure est représenté le spectre en longueurs d'onde de la lumière émise par le système Terre-atmosphère vers l'espace. En pointillés sont représentées les courbes d'émission des Corps Noirs à différentes températures. On note que le spectre n'est pas partout celui du Corps Noir à la température de la surface terrestre (entre 280K et 295K). En effet, des baisses d'émission autour de longueurs d'ondes caractéristiques des bandes d'absorption-émission des principales molécules absorbantes de l'atmosphère :
Mis ensemble dans l’atmosphère, ces gaz absorbent à eux deux près de 75% du rayonnement émis par la surface de la Terre. |
Le principe de l’effet de serre est relatif au
mécanisme suivant : la surface de la Terre se refroidit en émettant
un rayonnement infrarouge, l’atmosphère est capable d’absorber
une partie de ce rayonnement, (par ses gaz à effet de eerre)
et d’en réémettre une partie vers la surface, réchauffant
donc cette dernière.
Plus la concentration en gaz à effet de serre dans l’atmosphère
augmente plus l’absorption par l’atmosphère du rayonnement
infrarouge émis par la surface de la Terre augmente. Plus la
réémission de rayonnement infrarouge par l’atmosphère
vers la surface de la Terre augmente. Plus la température de
la surface de la Terre augmente.
Actuellement l’effet de serre est globalement évalué
de la façon suivante : la surface de la Terre perd 390 watts
par m2 par rayonnement infrarouge, or l’ensemble de la planète
en gagne (énergie solaire absorbée) et en perd (énergie
infrarouge rayonnée vers l’espace) 235 watts par m2. A
une émission de 390 watts par m2 correspond une température
de +15°C ; à une émission de 235 watts par m2 de la
Terre vers l'espace, correspond une température moyenne de -19°C.
La différence représente l’action globale de l’effet
de serre : 155 watts par m2 de chauffage de la surface (dont environ
100 Watts liés au rôle de la vapeur d’eau et de 50
watts à celui du CO2).
Impact de l’activité humaine
Les scénarii économiques relatifs à
l’évolution de la composition de l’atmosphère
sur le siècle prochain conduisent à des prévisions
très différentes selon qu’on se place dans une hypothèse
basse ou haute de la consommation.
Un scénario classique proposé aux scientifiques est celui
qui conduit, à l’échelon de quelques décennies
à une situation qui équivaut à un doublement de
la quantité de CO2, tous les autres gaz à effet de serre
restant constants. C’est le scénario 2
X CO2.
L’ensemble des modèles montre que cette situation conduirait
à une augmentation de 4 watts par m2 de chauffage supplémentaire.
Si l'ensemble des autres paramètres restait fixe, excepté
bien sûr le CO2 qui aurait doublé, ce chauffage supplémentaire
conduirait à une augmentation de la température moyenne
d'environ 1°C.
Le doublement de CO2 ne se traduirait pas par
un doublement des 50 watts par m2 lié à l’effet
de serre naturel introduit par le CO2, mais par une augmentation de
cette quantité d’environ du dixième (4 watts par
m2) parce que l’absorption par le CO2 est saturée et n’augmente
donc plus de façon linéaire quand on augmente la quantité
de CO2.
Bibliographie
- ...
Loi de Wien
La loi de Wien donne la valeur de la longueur
d'onde Lm du maximum de luminance spectral d'un corps noir à la
température T. La relation entre Lm et T, exprimée en °Kelvin,
s’écrit : Lm * T = 2900 micro-m.K
Cette relation permet de calculer la valeur de Lm pour la Terre :
Lm = 2900/(273+15) = 10 micromètres. Cette longueur d’onde
correspond à un rayonnement infrarouge.
Nathalie RENCUREL, Benoît URGELLI, mars 2005