Effet de serre climatique

L’effet de serre est le processus par lequel des gaz de l’atmosphère absorbent puis réémettent le rayonnement infrarouge du sol, réchauffant la surface de la Terre. Naturel et indispensable, il porte la température moyenne de −18 °C à +15 °C.

Observer expérimentalement l’effet de serre climatique

Le luxmètre et la caméra du smartphone permettent d’aborder expérimentalement les deux briques du mécanisme : le rayonnement infrarouge et l’albédo des surfaces.

Étapes :

• Pointer une télécommande de télévision vers la caméra frontale du smartphone et appuyer sur une touche : la LED apparaît à l’écran alors qu’elle est invisible à l’œil. Le capteur voit le proche infrarouge, l’œil non.
• Avec le luxmètre de FizziQ, mesurer l’éclairement réfléchi par des cartons de couleurs différentes éclairés de façon identique. Calculer le rapport à l’éclairement incident : on obtient un albédo relatif.
• Placer un thermomètre sous une lampe derrière une plaque de verre, puis derrière un film plastique fin, et comparer les températures relevées dans le cahier d’expériences de FizziQ.
• Reproduire l’expérience de Herschel : disperser la lumière d’une lampe avec un prisme et relever la température juste au-delà du rouge, là où l’œil ne voit plus rien.
• Consigner toutes les mesures dans le cahier d’expériences pour comparer les surfaces claires et sombres et discuter du rôle de l’albédo dans le bilan énergétique terrestre.

Activités scientifiques sur ce thème

L’effet de serre est difficile à montrer par des expériences simples. De nombreuses propositions sont disponibles sur internet mais peu sont réellement reproductibles et nombreuses sont celles qui donnent de mauvaises représentations physiques du phénomène.

• Effet radiatif du CO₂ : mettre en évidence expérimentalement l’absorption du rayonnement infrarouge par le dioxyde de carbone (1re-Supérieur).
• Constante solaire au pyrhéliomètre
• Loi de Beer-Lambert au luxmètre

Nous expliquons tout cela dans notre article consacré à l’effet de serre, où nous proposons 7 expériences qui fonctionnent et peuvent être réalisées avec du matériel bon marché :

Prolongements possibles avec FizziQ : visualiser des rayons infrarouges avec un smartphone, comment une surface absorbe ou transmet les rayons infrarouges, le rayonnement du corps noir, calculer l’albédo de la Terre, mettre en évidence l’effet radiatif d’un gaz à effet de serre, identifier les fréquences d’absorption infrarouge du CO₂ et recréer l’effet de refroidissement de la stratosphère dû au réchauffement climatique.

En savoir plus

L’effet de serre est d’abord un phénomène naturel, aussi ancien que l’atmosphère. Il maintient la surface de la Terre à une température moyenne d’environ 15 °C, alors qu’un corps recevant le même rayonnement solaire sans atmosphère absorbante serait à environ −18 °C. Sans effet de serre, l’eau liquide et la vie telle que nous la connaissons n’existeraient pas. Ce qui provoque le réchauffement climatique actuel est son renforcement : en libérant du dioxyde de carbone et du méthane, les activités humaines augmentent l’absorption du rayonnement infrarouge et déplacent l’équilibre vers des températures plus élevées. Pour bien comprendre ce processus, il est essentiel d’explorer plusieurs aspects : les rayons infrarouges, la transformation des rayons visibles en infrarouges, l’albédo, l’effet radiatif des gaz à effet de serre, la variabilité de cet effet selon les fréquences et le refroidissement de la stratosphère.

Les Rayons Infrarouges

Les rayons infrarouges (IR) sont une forme de rayonnement électromagnétique avec des longueurs d’onde plus longues que la lumière visible mais plus courtes que les micro-ondes. Découverts par l’astronome William Herschel en 1800, ils sont souvent appelés “rayonnement thermique” car ils sont associés à la chaleur que nous ressentons. Bien que les rayons infrarouges ne soient pas visibles à l’œil nu, ils peuvent être détectés par des capteurs thermiques et sont émis par tous les objets en fonction de leur température.

La Transformation des Rayons Visibles en Rayons Infrarouges par le Corps Noir

Lorsqu’une surface, comme celle de la Terre, est exposée à la lumière visible du soleil, elle absorbe cette énergie et chauffe. Ce phénomène est décrit par le concept de corps noir en physique, un objet théorique qui absorbe parfaitement toutes les radiations électromagnétiques. Une fois chauffée, cette surface émet à son tour des radiations, principalement sous forme de rayons infrarouges. Cette réémission d’énergie sous forme de rayons infrarouges est un élément clé du mécanisme de l’effet de serre.

L’Albédo et le Réchauffement des Surfaces Sombres

Toutes les surfaces ne renvoient pas la même proportion de la lumière solaire qu’elles reçoivent. Cette fraction réfléchie s’appelle l’albédo : c’est bien une réflexion de la lumière incidente, à ne pas confondre avec la réémission d’infrarouge par le corps chauffé, qui relève du rayonnement thermique. L’albédo est la mesure de la réflectivité d’une surface. Il varie entre 0 (aucune réflexion, surface totalement absorbante) et 1 (réflexion totale, surface complètement réfléchissante). Les surfaces sombres, comme les océans ou les forêts, ont un faible albédo et absorbent plus de lumière solaire, contribuant ainsi à un réchauffement plus important de la Terre. À l’inverse, les surfaces claires, comme la glace et la neige, ont un albédo élevé et réfléchissent une grande partie de la lumière solaire, contribuant à un refroidissement localisé. Cette différence dans l’absorption de la lumière solaire joue un rôle significatif dans la régulation de la température de la Terre.

L’Effet Radiatif des Gaz à Effet de Serre

Les gaz à effet de serre, tels que la vapeur d’eau (H₂O), le dioxyde de carbone (CO₂) et le méthane (CH₄), jouent un rôle central dans le bilan énergétique de la planète. L’atmosphère est presque transparente au rayonnement solaire visible, qui atteint donc le sol et le chauffe. Le sol réémet cette énergie sous forme de rayonnement infrarouge, que ces gaz absorbent puis réémettent dans toutes les directions, y compris vers le bas. C’est cette dissymétrie entre une atmosphère transparente dans le visible et absorbante dans l’infrarouge qui constitue l’effet de serre. La vapeur d’eau est bien un gaz, à ne pas confondre avec les gouttelettes d’eau liquide des nuages et de la buée, et c’est le premier contributeur naturel à l’effet de serre. Sa quantité dans l’atmosphère n’est cependant pas pilotée directement par les activités humaines : elle dépend de la température, ce qui en fait un amplificateur des variations causées par le CO₂ plutôt qu’une cause initiale.

Fréquences d’Absorption des Rayons Infrarouges

L’absorption des rayons infrarouges par les gaz à effet de serre n’est pas uniforme et dépend de la fréquence des radiations. Chaque gaz a des bandes d’absorption spécifiques où il est particulièrement efficace pour absorber l’énergie infrarouge. Par exemple, le CO₂ absorbe fortement à des longueurs d’onde autour de 4,3 et 15 micromètres. La vapeur d’eau, quant à elle, absorbe dans plusieurs bandes, notamment autour de 2,7, 6,3 et 19 micromètres. Cette variabilité signifie que différents gaz à effet de serre contribuent différemment au réchauffement climatique en fonction de leurs caractéristiques spectrales. Comprendre ces différences est essentiel pour prédire et modéliser l’impact des divers gaz sur le climat.

Le Refroidissement de la Stratosphère

Une des conséquences de l’effet de serre est le refroidissement de la stratosphère, la couche de l’atmosphère située au-dessus de la troposphère. Cet effet a été prévu par les premiers modèles du réchauffement climatique (1967, Syukuro Manabe et Richard Wetherald) mais ne fut prouvé grâce aux satellites météo que plus de vingt ans plus tard. L’augmentation des gaz à effet de serre dans la troposphère retient plus de chaleur près de la surface terrestre, ce qui réduit la quantité de chaleur atteignant la stratosphère. En conséquence, tandis que la troposphère se réchauffe, la stratosphère tend à se refroidir. Ce phénomène a été prédit par des modèles climatiques et confirmé par des observations satellitaires. Le refroidissement de la stratosphère est une signature caractéristique de l’influence humaine sur le climat.

Un nom trompeur

L’expression « effet de serre » est une analogie, et elle est physiquement inexacte. Une vraie serre de jardin se réchauffe surtout parce que sa paroi empêche l’air chaud de s’échapper : elle bloque la convection. Le vitrage absorbe bien un peu d’infrarouge, mais ce n’est pas le mécanisme dominant. L’effet de serre atmosphérique, lui, est purement radiatif : il n’y a aucune paroi au-dessus de l’atmosphère, et le refroidissement se fait par rayonnement vers l’espace. L’analogie a été proposée au XIXe siècle, avant que la physique du rayonnement ne soit établie, et le nom est resté. Fourier en 1824, Tyndall en 1859 puis Arrhenius en 1896 ont posé les bases du mécanisme réel.

Ordres de grandeur

Constante solaire au sommet de l’atmosphère : 1 361 W/m². Albédo moyen de la Terre : environ 0,30, ce qui donne une température d’équilibre sans effet de serre de −18 °C. Température moyenne réelle au sol : environ 15 °C, soit un effet de serre naturel de 33 °C. Albédo de la neige fraîche : 0,80 à 0,90 ; d’un océan : 0,06 ; d’une forêt : 0,10 à 0,15. Concentration en CO₂ : 280 ppm avant l’ère industrielle, plus de 420 ppm aujourd’hui. Forçage radiatif associé aux activités humaines depuis 1750 : environ 2,7 W/m². Réchauffement observé depuis l’ère préindustrielle : environ 1,2 °C.

Formule

Le flux rayonné par une surface dépend de sa température selon la loi de Stefan-Boltzmann :

P/S = σ × T⁴

où :

• P/S : puissance rayonnée par unité de surface (W/m²)
• σ : constante de Stefan-Boltzmann, 5,67 × 10⁻⁸ W·m⁻²·K⁻⁴
• T : température absolue de la surface (K)

La longueur d’onde du maximum d’émission est donnée par la loi de Wien :

λ_max × T = 2,90 × 10⁻³ m·K

où :

• λ_max : longueur d’onde du maximum d’émission (m)
• T : température absolue du corps (K)

Le bilan radiatif d’une planète sans atmosphère absorbante s’écrit, à l’équilibre :

σ × T_e⁴ = (1 − A) × E / 4

où :

• T_e : température d’équilibre de la planète (K)
• A : albédo moyen de la planète (sans unité)
• E : éclairement solaire reçu, 1 361 W/m² pour la Terre
• le facteur 4 provient du rapport entre la surface de la sphère et celle du disque intercepté

Pour la Terre, ce calcul donne T_e ≈ 255 K, soit −18 °C. L’écart de 33 °C avec la température réelle mesure l’effet de serre naturel.

Exemples d’application

• La Terre reçoit 1 361 W/m² et en réfléchit 30 % : sa température d’équilibre calculée est de −18 °C, contre +15 °C observés, l’écart étant dû à l’effet de serre

• Vénus, dont l’atmosphère est composée à 96 % de CO₂ sous 92 bars, a une température de surface de 465 °C, bien supérieure à celle de Mercure pourtant plus proche du Soleil

• Mars, avec une atmosphère de CO₂ très ténue, ne bénéficie que d’un effet de serre de 5 °C environ

• Le sol terrestre à 15 °C rayonne au maximum vers 10 µm, dans l’infrarouge lointain, exactement là où le CO₂ et la vapeur d’eau absorbent

• Le Soleil, à 5 800 K, rayonne au maximum vers 500 nm, dans le visible, que l’atmosphère laisse passer

• Une nuit claire et sèche est plus froide qu’une nuit nuageuse : sans vapeur d’eau ni nuages, le sol rayonne directement vers l’espace

FAQ

Q : L’effet de serre est-il un phénomène nuisible ? R : Non, il est naturel et indispensable. Sans lui, la température moyenne de la Terre serait d’environ −18 °C et l’eau liquide n’existerait pas en surface. Le problème climatique vient de son renforcement par les émissions humaines de CO₂ et de méthane, qui ajoutent quelques degrés à un équilibre stable depuis des millénaires.

Q : Pourquoi l’atmosphère laisse-t-elle passer la lumière du Soleil mais pas l’infrarouge du sol ? R : Parce que les deux rayonnements n’ont pas les mêmes longueurs d’onde. Le Soleil, très chaud, émet surtout dans le visible, où les gaz de l’atmosphère n’absorbent presque pas. Le sol, beaucoup plus froid, émet vers 10 µm, une gamme où le CO₂ et la vapeur d’eau possèdent des bandes d’absorption.

Q : Une serre de jardin fonctionne-t-elle vraiment comme l’effet de serre atmosphérique ? R : Non, et c’est ce qui rend le nom trompeur. Une serre chauffe surtout parce que sa paroi empêche l’air chaud de s’échapper, donc en bloquant la convection. L’effet de serre atmosphérique est un mécanisme radiatif, sans aucune paroi.

Q : Si la vapeur d’eau est le principal gaz à effet de serre, pourquoi parle-t-on surtout du CO₂ ? R : Parce que leurs rôles diffèrent. La quantité de vapeur d’eau dans l’air est fixée par la température et s’ajuste en quelques jours : elle amplifie une variation, elle ne la déclenche pas. Le CO₂ émis reste, lui, dans l’atmosphère pendant des siècles et joue le rôle de commande du système.

Q : Peut-on démontrer l’effet de serre avec une simple bouteille remplie de CO₂ ? R : Avec beaucoup de prudence. Beaucoup de montages du commerce mesurent en réalité une différence de convection ou d’isolation thermique, pas un effet radiatif. Pour être convaincante, l’expérience doit isoler le transfert par rayonnement infrarouge, ce que fait l’activité proposée plus haut.

Concepts liés

Rayonnement infrarouge - Corps noir - Albédo - Loi de Stefan-Boltzmann - Loi de Wien - Bilan radiatif - Gaz à effet de serre - Forçage radiatif - Réchauffement climatique