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Le climat de la terre

 | 
Yves Fouquart

2. L’effet de serre : un peu de physique avec deux équations

Texte intégral

1Lorsque la Terre était très jeune, c’est-à-dire quand elle n’avait que quelques centaines de millions d’années, la radioactivité naturelle et la chaleur dégagée par l’activité sismique constituaient une source d’énergie significative à l’échelle de la planète. Ce n’est plus le cas car cette radioactivité n’est plus que résiduelle et l’activité sismique s’est fortement ralentie ; la seule source d’énergie de la planète est donc le Soleil. Réciproquement, la Terre perd de l’énergie au profit de l’espace qui l’entoure. Ces échanges d’énergie se font par l’intermédiaire du rayonnement électromagnétique : c’est la « lumière » du Soleil qui chauffe la Terre. Les guillemets sont là parce que le rayonnement électromagnétique que nous envoie le Soleil n’est pas entièrement visible ou, dit autrement, nos yeux ne détectent qu’une faible partie du rayonnement électromagnétique qui nous entoure et ne détectent pas même la totalité du rayonnement solaire ; il s’agit donc de lumière au sens large du terme.

2La Terre est donc chauffée par le Soleil mais si elle ne se refroidissait pas d’une manière ou d’une autre, sa température ne cesserait d’augmenter et il y a longtemps qu’elle aurait explosé. C’est évidemment le cas de tous les corps ou de tous les systèmes quels qu’ils soient : ils doivent finir par perdre l’énergie qu’ils gagnent. En ce qui concerne la Terre, elle ne peut, là encore, perdre de l’énergie que sous forme de rayonnement électromagnétique : c’est le seul mode de transfert d’énergie qui n’utilise pas de matière.

  • 1 Pour s’en convaincre, il suffit de mettre un bouchon dans l’eau, on pourra suivre son mouvement et (...)
  • 2 En même temps, l’onde propage un champ magnétique.

Le rayonnement électromagnétique
Lorsque des charges électriques subissent des accélérations, elles rayonnent ou, dit autrement, elles produisent des ondes électromagnétiques qui se propagent dans toutes les directions perpendiculaires à la direction de l’accélération. Ces ondes, comme toutes les ondes, ne transportent pas de matière ; on peut dire qu’elles transportent du mouvement mais pas de la matière. Par exemple lorsqu’on jette un caillou dans l’eau, les ronds qui s’y forment et qui semblent s’éloigner du point d’impact ne sont pas dus au mouvement horizontal de l’eau, malgré l’impression qu’on peut en avoir. Ils sont dus au mouvement vertical de l’eau qui se déclenche de proche en proche1, on voit donc ce mouvement progresser depuis le point d’impact ; l’onde est justement la propagation (horizontale dans le cas présent) de ce mouvement qui, lui, est vertical.
De même, l’onde électromagnétique propage une propriété qu’on appelle le champ électrique qui agit sur toute charge électrique et la met en mouvement2. Ce champ électrique copie en quelque sorte le mouvement de la charge qui l’a fait naître, c’est ce qui explique que la lumière permet de percevoir à distance.
Les atomes et les molécules sont en permanence en mouvement : la distance entre les atomes oscille autour d’une valeur moyenne, le lien inter-atomique se plie et se déplie, la molécule tourne sur son axe et tout ceci suivant des fréquences bien déterminées, caractéristiques de la molécule ou de l’atome et nommées fréquences propres. A chaque fréquence propre correspond un état d’énergie. Or, précisément, lorsque des atomes et des molécules changent d’état énergétique, leurs charges ont un mouvement oscillant dont la fréquence ν est liée à la différence des énergies
(E 2 – E 1 = hν). Le champ électrique de l’onde, oscille donc à la fréquence ν, cette fréquence est souvent très élevée, de l’ordre de 1014 Hz pour la lumière visible. L’onde électromagnétique est la propagation dans l’espace de ce champ électrique oscillant. Lorsque cette onde rencontre une molécule ou un atome, les charges électriques sont mises en mouvement et si la fréquence de l’oscillation correspond à une des fréquences propres de la molécule rencontrée, la molécule ou l’atome entre en résonance avec l’onde qui est absorbée et transmet ainsi l’énergie qu’elle transporte à la matière qu’elle rencontre. Par ce mécanisme, l’onde électromagnétique transporte de l’énergie sans transporter de matière et sans avoir besoin de support matériel.

2.1. Emission totale de rayonnement

3Tous les corps émettent du rayonnement électromagnétique. La quantité totale émise est donnée par la loi de Stefan, elle dépend de leur température suivant une loi universelle et dépend aussi de leurs caractéristiques propres. Soit M l’énergie émise par un m2 d’un corps donné (en Wm-2) et T sa température en degrés Kelvin (T = 273,15 + température en Celsius)

M = εσT4

4où σ = 5,67 10−8 est une constante universelle. ε, qui est compris entre 0 et 1, est une caractéristique du corps en question, c’est son pouvoir d’émission, identique à son pouvoir d’absorption. On dit d’un corps pour lequel ε = 1 que c’est un corps noir, totalement absorbant ou totalement émissif ; un corps pour lequel ε = 0 est dit transparent. Donc, un corps noir absorbe tout le rayonnement électromagnétique qu’il reçoit et émet la totalité du rayonnement qu’il a le « droit » d’émettre compte tenu de sa température. Cela ne signifie pas forcément qu’il émet autant d’énergie qu’il en absorbe puisque la quantité émise dépend de sa température : un corps noir froid éclairé par le rayonnement d’un corps chaud absorbe davantage d’énergie qu’il n’en émet ; il se réchauffe alors et sa température augmente, la quantité d’énergie émise augmente également jusqu’à l’équilibre, lorsque celui ci est atteint, il émet alors, mais alors seulement, autant d’énergie qu’il en absorbe.

2.2. Dépendance spectrale du rayonnement émis

5La deuxième loi physique importante ici est la loi de Planck. Elle précise la dépendance spectrale du rayonnement émis, c’est-à-dire la façon dont il est réparti en fonction de la longueur d’onde. Là encore, le rayonnement qui est émis par un corps à une longueur d’onde donnée est le produit d’une fonction universelle qui ne dépend que de sa température (la fonction de Planck) et d’un coefficient qui varie en fonction de la longueur d’onde et qui est caractéristique du corps. C’est son pouvoir émissif spectral, autrement dit ε dépend de la longueur d’onde. Un corps peut donc être transparent à une longueur d’onde et noir à une autre. La loi de Planck précise en particulier que plus un corps est chaud, plus il émet à des longueurs d’ondes courtes ou, ce qui revient au même, à des fréquences élevées.

Figure 3 : dépendance spectrale du rayonnement émis par un corps noir, c’est-à-dire totalement opaque, pour deux températures : 5750K, proche de la température de la chromosphère du Soleil et 300K proche des températures terrestres

Figure 3 : dépendance spectrale du rayonnement émis par un corps noir, c’est-à-dire totalement opaque, pour deux températures : 5750K, proche de la température de la chromosphère du Soleil et 300K proche des températures terrestres

6La chromosphère du Soleil est à une température voisine de 5750 K alors que, sur Terre, les températures sont voisines de 300 K ; tous deux peuvent être assimilés à des corps noirs (ε est proche de 1). En conséquence, 1 m2 de la chromosphère du Soleil émet beaucoup plus qu’un m2 de la surface de la Terre, précisément (5750/300)4 = 135 000 fois plus) et, par ailleurs, le rayonnement émis par le Soleil est maximum à une longueur d’onde beaucoup plus courte que celui qui est émis par la Terre : ce maximum correspond à 0,5µm pour le Soleil (la couleur jaune) et à 10µ m pour la Terre c’est-à-dire dans l’infrarouge thermique. Enfin, compte tenu de sa température élevée, la quasi totalité du rayonnement solaire est émis à des longueurs d’ondes inférieures à 4 µm alors qu’au contraire celui qui est émis par la Terre correspond à des longueurs d’onde supérieures à 4 µm. Il y a donc une séparation très nette entre les domaines spectraux de l’émission du Soleil et de la Terre et il est possible de créer des filtres qui laissent passer la lumière du Soleil mais pas le rayonnement émis par la Terre. Le verre est un matériau de ce type : il est transparent au rayonnement de longueur d’onde inférieur à 2,7 µm et opaque (noir) au rayonnement de longueur d’onde supérieure. Le verre laisse donc passer le rayonnement solaire mais pas le rayonnement tellurique (émis par la terre). Ce n’est pas une question de provenance mais une question de longueur d’onde : le verre est transparent au rayonnement de courte longueur d’onde et le rayonnement solaire est concentré dans les courtes longueurs d’onde, c’est pour cela que le verre est transparent à la lumière solaire et en particulier à la lumière visible.

2.3. Réflexion, absorption et émission

7Une cible réfléchit plus ou moins la lumière qu’elle reçoit. Ce pouvoir réflecteur dépend de la longueur d’onde ; c’est ce qui explique que la cible puisse nous apparaître de telle ou telle couleur (elle apparaît verte si sa réflexion est forte aux longueurs d’onde du rayonnement vert (approximativement 0,53 µm) et faible ou nulle aux autres longueurs d’onde du rayonnement visible. Si la cible n’est pas éclairée, elle ne renvoie pas de lumière et est donc invisible à nos yeux. Pourtant, elle émet du rayonnement électromagnétique mais elle est trop froide et la longueur d’onde du rayonnement qu’elle émet est trop grande pour nos yeux (> 0,8 µm), ce rayonnement n’est donc pas détecté. Si la température de la cible augmente, elle finira par devenir visible, même dans le noir parce que le rayonnement qu’elle émettra correspondra à des longueurs d’onde auxquelles l’œil est sensible.

8On dit qu’un rayonnement est réfléchi par une cible lorsqu’il provient initialement d’une source différente (le Soleil ou une lampe) et est renvoyé par la cible exactement comme une balle de ping-pong est envoyée sur la table par la raquette et est renvoyée (réfléchie) par la table. Dans ce cas, la source primaire est la raquette, la source secondaire est la table. Si la table de ping-pong ne réfléchissait pas la balle de ping-pong mais en quelque sorte l’avalait, la balle serait absorbée. Si au contraire, la table éjectait une balle de ping-pong, comme ça, sans qu’il y ait la moindre raquette, elle émettrait la balle, la table serait alors elle même la source primaire.

9Considérons donc une serre ou une véranda. La lumière du Soleil (courtes longueurs d’onde <4 µm) y entre à flots puisque le verre est transparent alors que le rayonnement émis à l’intérieur de la serre ou de la véranda (grandes longueurs d’onde> 4 µm) ne peut pas en sortir puisque le verre est opaque aux grandes longueurs d’onde. On peut cependant voir ce qui se passe à l’intérieur de la serre ; il y a donc du rayonnement électromagnétique qui sort de la serre à travers le verre. C’est vrai, mais seulement si la serre est éclairée car il s’agit alors de la lumière du Soleil (ou de la lumière provenant de sources artificielles) qui est réfléchie dans la serre. Il s’agit donc bien d’un rayonnement de courtes longueurs d’onde pour lequel le verre est transparent.

  • 3 Ce n’est pas la seule raison : dans une serre, les portes sont fermées et il n’y a donc pas de cour (...)

10Puisque le rayonnement émis à l’intérieur de la serre ne peut pas en sortir, la température de la serre augmente rapidement3

2.4. Un modèle très simple : l’équilibre radiatif

11Le modèle climatique le plus simple consiste à exploiter le raisonnement précédent : la Terre doit émettre autant d’énergie qu’elle en absorbe et puisque l’énergie émise dépend de la température, on dispose ainsi d’un moyen de déterminer la température de la Terre. Pour cela, il faut connaître la quantité d’énergie solaire reçue par la Terre, elle est de 1370 Wm-2, on la note F0, on l’appelle la constante solaire car elle varie fort peu d’une année sur l’autre. Par contre, elle varie au cours de l’année car l’orbite de la Terre autour du Soleil n’est pas rigoureusement circulaire.

12Evidemment, la quantité de rayonnement solaire reçue n’est pas la même en chaque point de la planète ; le maximum est reçu par un m2 placé perpendiculairement à la direction du Soleil et face à lui. En conséquence et puisque la terre est ronde, chaque m2 de la planète reçoit davantage d’énergie au niveau de l’équateur qu’aux pôles. Un moyen simple de déterminer la quantité totale d’énergie solaire interceptée par toute la planète est de dire que c’est exactement celle qui manque dans l’ombre de la Terre. Cette ombre est évidemment plane et c’est un cercle dont le rayon est le rayon de la Terre, R = 6400 km. L’énergie solaire interceptée par la Terre est donc le produit de la surface de ce cercle par la constante solaire ; cela donne 56 milliards de MégaWatts, c’est-à-dire plusieurs dizaines de millions de fois la puissance d’une grosse centrale nucléaire.

  • 4 On appelle « albédo » la proportion de lumière réfléchie, on la note α.

13Toute cette énergie n’est pas absorbée car la Terre en réfléchit un peu plus de 30 %4. La quantité absorbée est donc égale à 70 % de l’énergie interceptée, c’est (1-α) F0πR2 ; c’est elle qui chauffe la planète en permanence.

14Il faut maintenant calculer l’énergie émise par la Terre et exprimer qu’elle doit être égale à l’énergie absorbée. Chaque m2 émet suivant la loi M = εσT4 avec ε = 1. Toute la planète émet du rayonnement, y compris la partie à l’ombre. La surface totale de la planète est celle d’une sphère et est égale à 4πR2. A l’équilibre, on obtient

(1-α) F0πR2 = 4πR2 σT4

15On en déduit que la température de la Terre devrait être de 256 K c’est-à-dire - 17° C.

16Ce résultat n’est évidemment pas très satisfaisant : la température que nous connaissons est nettement supérieure, elle est de + 15° C environ. D’ailleurs une température de - 17° C serait inférieure au point de congélation de l’eau et la vie ne serait sans doute pas apparue sur Terre, en tout cas pas sous la forme que nous connaissons.

17Le modèle construit est extrêmement simple conceptuellement et parfaitement logique, les calculs sont très simples ; il n’y a pas d’erreur. La température de la Terre est donc bien de 256 K. Le problème vient forcément des hypothèses qui ont été faites au moment de la construction du modèle. En particulier, on a considéré la planète comme un simple caillou sans atmosphère, la température trouvée est donc celle du « caillou ». La différence (32  C) est donc due à l’influence de l’atmosphère dont on n’a pas tenu compte et qui joue le rôle d’un bon isolant.

18On peut comparer cet isolant à tous ceux que nous connaissons : le duvet, la laine de verre, etc. Le rôle d’un isolant est d’empêcher la chaleur de sortir. Les transferts de chaleur se font soit par contact, on dit par conduction, ce qui n’est évidemment pas le cas pour la Terre qui n’est en contact avec rien, soit par convection, c’est-à-dire par l’intermédiaire du vent, ce qui ne peut évidemment pas non plus être le cas pour la planète prise dans son ensemble, soit par rayonnement. Un bon duvet bloque les échanges par convection grâce à son enveloppe extérieure et isole des échanges par rayonnement grâce à l’air qu’il conserve à une température intermédiaire entre celle du corps et celle de l’extérieur. Dans le cas de l’atmosphère, la situation est très semblable mais en plus, l’atmosphère est transparente au rayonnement solaire ce qui permet à la Terre d’être chauffée par le Soleil sans trop se refroidir ; c’est ce qui se passe dans une serre d’où le nom d’« effet de serre ».

19Comme on le voit, sans effet de serre, la vie serait impossible sur Terre. En fait chaque m2 de la surface de la Terre émet en moyenne 390 W mais seuls 240 W sortent de la planète et sont perdus vers l’espace : l’effet de serre conserve ainsi en moyenne 150 Wm-2. Les 240 Wm-2 qui sortent vers l’espace ne proviennent d’ailleurs pas de la surface : supposons que la Terre soit un caillou entouré d’une couche de verre. Puisque le verre est transparent au rayonnement de courtes longueurs d’ondes, le rayonnement solaire atteint la surface, une partie est réfléchie, le reste est absorbé par la surface ce qui la réchauffe. Elle rayonne donc de l’énergie sous forme de rayonnement infrarouge de grandes longueurs d’onde. Le verre étant opaque à ces longueurs d’onde, ce rayonnement est absorbé et réchauffe la couche de verre. Celle ci, à son tour, rayonne de l’énergie dans l’infrarouge et c’est ce rayonnement qui sort de la planète. La différence, c’est que la couche de verre est plus froide que la surface et donc, il sort moins de rayonnement.

Schématiquement

20Le Soleil (courts λ) chauffe la surface à travers le verre → la surface émet (grands λ) → le verre absorbe ce rayonnement → le verre émet à son tour mais moins que la surface car il est plus froid. Conclusion : il sort moins de rayonnement que si le verre n’était pas là.

21La couche de verre émet dans toutes les directions, c’est-à-dire non seulement vers le haut mais aussi vers le bas et la surface reçoit donc du rayonnement émis par l’atmosphère. On connaît bien les conséquences de ce phénomène : les nuits claires sont aussi les plus froides, au contraire une couverture de nuages bas re-émet vers la surface un rayonnement élevé puisque ces nuages ont une température peu différente de la surface et les nuits correspondantes sont nettement moins froides : en particulier, en hiver, le givre apparaît par matin clair.

2.5. Les limites de l’analogie, la transparence de l’atmosphère

22L’atmosphère se conduit-elle vraiment comme le verre, est-elle donc transparente au rayonnement de courtes longueurs d’onde et opaque au rayonnement infrarouge de plus grande longueur d’onde ?

23L’atmosphère est composée d’un certain nombre de gaz dont les concentrations sont données dans le tableau 2 et de particules en suspension (des météores) liquides ou solides. Pour la plupart, ces particules sont les gouttelettes d’eau et les cristaux qui composent les nuages, les autres particules en suspension sont appelées des aérosols. Le terme « aérosol » a été utilisé à tort pour désigner un gaz propulseur de nombreux produits que l’on veut répandre en microparticules et beaucoup utilisé avant les années 90 : le fréon. En fait ce sont les microparticules (de laque, de peinture, etc.) qui sont des aérosols mais le terme a été étendu au gaz qui les propulse. Ce gaz est maintenant interdit car il contribue à détruire la couche d’ozone, il a été remplacé par des produits moins nocifs pour l’ozone. On désigne bien ici par aérosols des particules en suspension dans l’atmosphère.

Tableau 2 : concentrations relatives de quelques gaz atmosphériques, répartition dans l’atmosphère et mécanismes de formation

composant

concentration

répartition verticale

Processus de formation/répartition

N2

0.7808

homogène

mélange vertical

O2

0.2095

homogène

mélange vertical

H2O

<= 0.03

très variable,
décroît rapidement avec l'altitude dans la troposphère, croît dans la stratosphère

Evaporation, condensation, transport
Oxydation de CH4

Ar

0.0093

homogène

mélange vertical

CO2

355 ppmv

homogène

mélange vertical
production industrielle
processus de surfaces

O3

10 ppmv

très variable
forte croissance dans la stratosphère

Production photochimique dans la stratosphère,

CH4

1.6 ppmv

homogène dans la troposphère, décroît dans la haute stratosphère

Processus de surface

N2O

350 ppbv

homogène dans la troposphère, décroît dans la haute stratosphère

Processus de surface et processus anthropogènes
Production anthropogène et oxydation de CH4, transport

CO

70 ppbv

décroît dans la troposphère
croît dans la stratosphère

NO

0.1 ppbv (stratosphère)

croît

Dissociation de N2O, destruction catalytique de O3

CFC-11

0,1 ppbv

homogène dans la troposphère
décroît dans la stratosphère

Production industrielle, mélange dans la troposphère
Destruction catalytique de O3

CFC-12

idem

C1O

0.1 ppbv (stratosphère)

croît verticalement

Dissociation des CFCs, destruction catalytique de O3

24L’atmosphère réfléchit, transmet, absorbe et émet du rayonnement électromagnétique. Sa température est trop froide pour que le rayonnement émis aux courtes longueurs d’onde (<4 µm) soit significatif. En conséquence, le rayonnement solaire ne peut qu’être réfléchi, absorbé ou transmis.

25Les nuages, les aérosols et les molécules des gaz de l’atmosphère diffusent la lumière du Soleil et en réfléchissent environ 26 % vers l’espace participant ainsi pour plus de 85 % à l’albédo de la planète. Les nuages et les aérosols absorbent aussi environ 5 à 6 % du rayonnement solaire mais l’essentiel de l’absorption est due aux gaz (environ 16 %), le reste est transmis à travers l’atmosphère et atteint la surface où la plus grande partie est absorbée. Les principaux gaz absorbants sont les gaz mineurs. L’oxygène et l’azote en effet sont des molécules diatomiques pour lesquelles les forces de liaison entre les atomes sont fortes. Pour perturber l’état de ces molécules, il faut un photon de forte énergie ; les bandes d’absorption de ces gaz se situent essentiellement dans l’UV, c’est-à-dire aux courtes longueurs d’onde. Les molécules de trois atomes et plus sont plus facilement perturbées et elles présentent des bandes d’absorption pour des énergies plus faibles, c’est-à-dire pour des longueurs d’onde plus grandes situées dans l’infrarouge.

Figure 4 : transmission au travers d'une atmosphère tropicale à la verticale, la répartition spectrale du rayonnement solaire (fonction de Planck à 5750 K) permet de voir que l'atmosphère est essentiellement transparente aux longueurs d'onde du maximum d'émission du soleil.

Figure 4 : transmission au travers d'une atmosphère tropicale à la verticale, la répartition spectrale du rayonnement solaire (fonction de Planck à 5750 K) permet de voir que l'atmosphère est essentiellement transparente aux longueurs d'onde du maximum d'émission du soleil.

Courtoisie de P. Dubuisson, Université du Littoral.

26Aux courtes longueurs d’onde, donc, l’atmosphère est peu absorbante (Figure 4). Le principal absorbant est la vapeur d’eau qui absorbe beaucoup aux longueurs d’onde supérieures à 1 µm mais qui ne présente que peu d’absorption dans le domaine où se trouve le maximum de l’énergie solaire c’est-à-dire en dessous de 1 µm. L’atmosphère claire est donc essentiellement transparente au rayonnement solaire, ce n’est évidemment qu’une approximation.

27Les nuages et les aérosols absorbent aussi le rayonnement infrarouge émis par la terre et en émettant à leur tour mais à une température plus faible que la surface ils ont un effet de serre plus ou moins important suivant le contraste de température qu’ils présentent avec la surface, c’est-à-dire suivant leur altitude. En atmosphère claire, le principal absorbant aux grandes longueurs d’onde est encore la vapeur d’eau ; c’est le principal gaz à effet de serre. Le gaz carbonique est, en importance, le deuxième gaz à effet de serre, il absorbe essentiellement les radiations de longueur d’onde comprises entre 15 et 18 µm. La Figure 5 montre que l’atmosphère présente en quelque sorte un défaut d’isolation : elle est semi-transparente entre 8 et 13 µm. Dans ce domaine que l’on appelle la « fenêtre atmosphérique », le principal absorbant est encore la vapeur d’eau ; la Figure 5 correspondant au cas d’une atmosphère tropicale très riche en vapeur d’eau, la plupart des atmosphères sont, en fait, encore plus transparentes à ces longueurs d’onde. Cette transparence est fort utile : d’une part elle permet d’observer la surface dans l’infrarouge thermique et donc d’en mesurer la température depuis l’espace et d’autre part, elle permet de maintenir l’effet de serre dans les limites que nous connaissons. Ce rôle, la fenêtre atmosphérique le joue d’autant mieux qu’elle est située au maximum de l’émission des corps aux températures terrestres. C’est un peu comme si on désirait rafraîchir une maison de plusieurs pièces avec des fenêtres toutes identiques, une par pièce et qui possède une seule source de chaleur, un poêle par exemple, intuitivement, on imagine que le plus efficace serait d’ouvrir la fenêtre de la pièce la plus chauffée.

Figure 5 : transmission au travers d’une atmosphère tropicale, à la verticale ; la dépendance spectrale du rayonnement émis à une température de 300 K permet de constater que l’atmosphère est semi transparente au voisinage du maximum de l’émission de la Terre.

Figure 5 : transmission au travers d’une atmosphère tropicale, à la verticale ; la dépendance spectrale du rayonnement émis à une température de 300 K permet de constater que l’atmosphère est semi transparente au voisinage du maximum de l’émission de la Terre.

Courtoisie de P. Dubuisson, Université du Littoral

2.6. Influence relative des gaz à effet de serre : réchauffement global potentiel

  • 5 Les fréons sont des gaz inertes de nature complètement artificielle. Ils étaient utilisés dans les (...)

28Les gaz qui présentent un spectre d’absorption dans l’infrarouge thermique sont tous des gaz à effet de serre et l’augmentation de leur concentration conduit à une augmentation de l’effet de serre mais leur importance est plus ou moins grande suivant la longueur d’onde à laquelle ils absorbent. En particulier, les gaz qui absorbent dans la fenêtre atmosphérique ont une efficacité beaucoup plus grande que ceux qui absorbent aux longueurs d’onde où l’atmosphère est déjà opaque ; ils contribuent en effet à fermer la fenêtre. L’influence relative des différents gaz à effet de serre dépend de nombreux paramètres dont en premier lieu la longueur d’onde et l’intensité de l’absorption, la durée de vie dans l’atmosphère et la répartition dans l’espace. Pour une masse égale ajoutée, c’est-à-dire pour un kilogramme de chaque gaz, le méthane qui absorbe dans la fenêtre atmosphérique provoque un réchauffement beaucoup plus important que le CO2, il en est de même du protoxyde d’azote et plus encore des fréons5 et de leurs remplaçants les halocarbones. Le tableau 3 permet de comparer les réchauffements potentiels de différents gaz à effet de serre. Ces gaz ont des durées de vie très différentes, cela introduit une complication supplémentaire : le CO2 a une durée de vie de 100 ans, donc 20 ans après son injection dans l’atmosphère, le kg de CO2 supplémentaire est encore présent en quasi totalité et continue à exercer son effet de serre ; par contre, le kg de CH4 introduit au même moment aura alors diminué et avec lui, l’effet de serre correspondant. A l’horizon de 100 ans, le méthane aura pratiquement disparu et n’exercera plus d’effet de serre alors que le CO2 est encore très présent. En conséquence, le réchauffement causé par le méthane relativement à celui du CO2 diminue avec le temps ; au contraire, celui des CFC et de leurs produits de substitution dont la durée de vie est très supérieure à celle du CO2 augmente avec le temps.

Tableau 3 : efficacité comparée de différents gaz à effet de serre.

Tableau 3 : efficacité comparée de différents gaz à effet de serre.

2.7. L’effet de serre sur Vénus

  • 6 Imaginons le Soleil entouré d’une sphère de même centre ; la totalité de l’énergie émise par le Sol (...)

29Vénus, l’Etoile du Berger, est très semblable à la Terre. Elle se situe à une distance du Soleil très voisine de la distance Terre Soleil (108 millions de km contre 150 millions pour la Terre), elle est constituée d’un corps rocheux et, surtout, elle possède une atmosphère. C’est une planète très réfléchissante, son albédo est de 77 % ; elle est en effet entourée de nuages permanents. C’est la raison pour laquelle elle apparaît si brillante. Plus proche du Soleil, elle reçoit évidemment plus d’énergie que la Terre. En fait, l’énergie reçue décroît comme le carré de la distance au Soleil6, Vénus reçoit donc près du double de l’énergie reçue par la Terre, soit 2640 Wm-2. Si on applique à Vénus l’équilibre radiatif comme on vient de le faire pour la Terre, on trouve une température de 227 K, (-46° C) c’est-à-dire une température nettement inférieure à celle que nous avons obtenue pour la Terre alors que Vénus est plus près du Soleil. Vénus n’absorbe qu’une faible partie du rayonnement qu’elle reçoit, moins de la moitié de ce que la Terre absorbe, elle est donc nettement plus froide malgré sa plus grande proximité du Soleil. Cette fois encore, la température obtenue est celle d’un caillou qui ressemble à Vénus mais dépourvu d’atmosphère. A la surface de Vénus, la température est toute différente, elle est de 750 K (+477  C) et la pression atmosphérique y est d’environ 90 fois la pression moyenne à la surface de la Terre. Sur Terre, la surface émet en moyenne 390 Wm-2 tandis que la planète perd 240 Wm-2, c’est-à-dire 63 % de ce qu’émet la surface, sur Vénus, la surface émet près de 18 000 Wm-2 mais la planète perd moins de 1 % de cette énergie, l’effet de serre y est donc beaucoup plus important que sur Terre.

Tableau 4 : comparaison des effets de serre sur Vénus et sur la Terre. La température d’équilibre est celle qui correspond à l’équilibre radiatif (voir texte) et ne tient pas compte de la présence d’une atmosphère.

Tableau 4 : comparaison des effets de serre sur Vénus et sur la Terre. La température d’équilibre est celle qui correspond à l’équilibre radiatif (voir texte) et ne tient pas compte de la présence d’une atmosphère.
  • 7 Comme tous les corps, les gaz émettent du rayonnement électromagnétique

30On dit que sur Vénus, l’effet de serre s’est emballé. L’atmosphère de Vénus est composée à plus de 90 % de CO2 et comme elle est très épaisse, le rayonnement qui est émis par la surface est totalement absorbé. Ce qui sort de la planète ne provient d’ailleurs pas de la surface mais des couches supérieures de l’atmosphère beaucoup plus froides7, c’est évidemment la même chose pour la Terre mais la différence est moindre.

31Puisque ces planètes se ressemblent tant par d’autres points de vue, pourquoi l’effet de serre est-il aussi important sur Vénus et, finalement, raisonnable sur Terre ou, pour préciser la question, pourquoi l’atmosphère de Vénus est elle aussi épaisse comparée à celle de la Terre et surtout pourquoi est elle composée en presque totalité de CO2 alors que sur Terre le CO2 est très mineur ? Pour répondre à cette question, il faut en revenir aux origines des deux planètes et préciser à quel moment et pourquoi leurs évolutions se sont différenciées.

2.7.1. A l’origine…

  • 8 Les nébuleuses résultent de l’explosion d’une étoile en fin de vie. Lorsque tout le combustible (Hy (...)

32Ces planètes se sont formées il y a un peu plus de 4,5 milliards d’années, au sein de la nébuleuse qui a donné naissance à l’ensemble du système solaire. La plus grosse partie (98 à 99 %) de la matière de la nébuleuse8 a formé le Soleil. Le reste a d’abord formé un disque où les matériaux se sont séparés : ceux dont le point de congélation est le plus élevé se sont condensés près du Soleil, c’est le cas des métaux et des silicates, les autres plus loin. Les mouvements turbulents qui existaient au sein du disque ont provoqué des collisions entre ces particules qui ont progressivement grossi jusqu’à ce que leur masse soit suffisante pour qu’elles attirent les corps moins massifs situés à proximité. Les collisions ont continué, de plus en plus violentes et les traces en sont encore très visibles sur la Lune et sur Mercure. Elles ont ainsi permis la croissance des planètes en quelques dizaines de millions d’années. Ce mécanisme s’appelle l’accrétion. Pour la Terre, le processus complet a pris une centaine de millions d’années, c’est ce que révèle la datation des roches.

33Après l’accrétion, le matériau d’origine de la Terre, des planètes, de la Lune et de certains astéroïdes a fondu sous l’effet de leurs très hautes températures internes et a été profondément transformé. Il s’est différencié, c’est-à-dire séparé en couches formant un noyau métallique, un manteau et une croûte de roches silicatées. Les matériaux les plus lourds ont migré vers le centre de la planète et les gaz qu’ils contenaient se sont au contraire libérés pour former l’atmosphère primitive provoquant une activité volcanique intense.

34L’atmosphère primitive était alors essentiellement composée de CO2, d’azote, de vapeur d’eau et probablement de méthane et d’ammoniac mais pas d’oxygène. La pression était élevée sur les deux planètes. La température, d’abord très élevée, a commencé à diminuer lorsque les collisions se sont réduites et lorsque l’activité volcanique provoquée par le dégazage a ralenti. L’eau présente dans l’atmosphère s’est alors condensée, des nuages se sont formés et il a plu. En même temps, la vapeur d’eau était décomposée par l’action des ultra violets mais ce mécanisme de destruction n’affecte pas l’eau liquide. On a donc affaire à deux mécanismes antagonistes : la destruction de la vapeur d’eau par les UV et sa sauvegarde par la condensation. Ces deux mécanismes ont joué sur les deux planètes, la différence, c’est que Vénus étant plus proche du Soleil reçoit davantage de rayonnement solaire et donc davantage d’UV, presque deux fois plus. La dissociation de la vapeur d’eau a donc été plus rapide sur Vénus et c’est ce mécanisme qui l’a emporté sur la condensation ; sur Terre c’est l’inverse qui s’est produit et les océans ont pu se former.

35L’explication qui vient d’être donnée est un peu trop simpliste et il faut la nuancer. En fait, les océans se sont formés à une température très élevée, sans doute voisine de 230  C sur Vénus, (n’oublions pas que la pression est très élevée et que donc, l’eau peut exister sous forme liquide à des températures supérieures à 100° C). Dans l’atmosphère, la quantité de vapeur d’eau était alors très élevée ; elle était également grande dans la stratosphère et, donc, la dissociation de la vapeur d’eau a pu avoir lieu en présence des océans. L’effet de serre restant très grand, la température n’a que lentement diminué, les océans se sont évaporés progressivement sur Vénus, au fur et à mesure de la destruction de la vapeur d’eau par photodissociation dans la haute atmosphère

2.7.2. La « pompe biologique »

36Les organismes les plus anciens connus à ce jour ont été découverts en Australie et en Afrique du Sud. Ils datent d’environ 3.5 milliards d’années. Ce sont des structures ressemblant à des cellules de moins de 1 µm de diamètre ressemblant fortement aux bactéries actuelles. Les premiers organismes présentant des composés carbonés organiques ont donc pu apparaître bien avant. Les premières cellules photosynthétiques seraient apparues il y a plus de 3 milliards d’années. Ce sont des cyanobactéries qui utilisent le CO2 dissous dans l’eau superficielle des océans et la lumière solaire pour synthétiser du carbone organique puis du carbonate de calcium. Elles ont une particularité extrêmement importante à cette époque : elles résistent aux UV. Ce sont elles qui ont produit les plus vieux fossiles connus : les stromatolites. La photosynthèse produit un déchet très toxique pour les autres organismes : l’oxygène. Seuls les organismes qui ont su développer des antioxydants ont pu survivre dans un environnement de plus en plus hostile. Cet oxygène a d’abord été fixé par les minéraux dissous comme le fer puis sa concentration augmentant dans l’océan, il a diffusé dans l’atmosphère. Au contraire, la concentration en CO2 diminuant dans l’océan superficiel du fait de la photosynthèse, le CO2 diffusait de l’atmosphère vers l’océan. Ainsi, en plus de deux milliards d’années, la composition de l’atmosphère s’est lentement mais complètement modifiée.

37Les organismes responsables de l’essentiel de cette transformation sont unicellulaires, les premiers organismes pluricellulaires sont apparus il y a quelques 800 millions d’années. Peu après (disons 100 à 200 millions d’années) apparaissent les carapaces et les coquilles qui facilitent la fossilisation et les premiers coraux apparaissent voici 500 millions d’années. Ce sont des animaux qui sécrètent un squelette d’une forme cristallisée de carbonate de calcium : l’aragonite.

38Tout ce temps, la vie est restée cantonnée dans les océans à l’exception sans doute de cyanobactéries. Les premières formes de vie plus complexes à apparaître sur les continents ont été des algues vertes. Puis, la couche d’ozone s’est formée et a protégé la surface des UV solaires et la vie a pu se répandre rapidement sur les continents. Ce furent d’abord des mousses pour les végétaux et des arthropodes pour les animaux voici quelques 400 millions d’années puis les premiers vertébrés amphibiens.

2.7.3. L’ozone

39Les UV correspondent à des ondes électromagnétiques de longueur d’onde comprise entre 190 et 400 nanomètres (nm). On les subdivise en trois classes : les UVC de 190 à 280 nm, les UVB de 280 à 320 nm et les UVA de 320 à 400 nm. Les UV solaires, et en particulier les UVB et C mais aussi semble-t-il les UV A, endommagent l’ADN des cellules. Les lésions qui sont ainsi créées sont naturellement reconnues et éliminées par un système de réparation spécifique qui permet à la cellule de retrouver la séquence d’ADN originale. Parfois, cependant, le système de réparation fonctionne mal et l’absence de réparation des lésions entraîne soit la mort cellulaire, soit une réplication fautive conduisant à l’introduction de mutations sur l’ADN génomique de la cellule. Lorsqu’il s’agit de gênes impliqués dans le contrôle de la prolifération de la cellule, un cancer (ici un cancer de la peau) peut se développer.

40Tant que l’atmosphère est restée transparente aux UV, la vie n’a pu se développer pleinement qu’à l’abri de l’océan. C’est la couche d’ozone qui permet de protéger la surface de ces rayonnements. L’ozone est formé par une réaction de photolyse : les photons dont l’énergie (E = hν) est supérieure à 5 eV (électrons-volts) dissocient la molécule d’oxygène O2 en deux atomes.

O2 + photon (E > 5eV) → O + O

41Ces photons correspondent à une longueur d’onde inférieure à 240 nm et sont donc des UV C. En présence d’une autre molécule (M) qui sert de catalyseur, généralement de l’azote N2 ou de l’oxygène O2, un atome d’oxygène et une molécule s’associent pour former de l’ozone O3.

O + O2 + M → O3 + M

42Le taux de production d’ozone dépend de la quantité de photons disponibles et de la température. La quantité d’UV diminue du haut en bas de l’atmosphère alors qu’au contraire, le nombre de molécules d’oxygène diminue avec l’altitude ; il existe donc une zone dans laquelle la concentration d’ozone est maximum. Cette zone est située vers 20 à 25 km d’altitude, dans la stratosphère.

43Simultanément l’ozone est détruite par l’absorption de photons d’énergie supérieure à 1,1 eV dans une réaction dans laquelle ce sont les oxydes d’azote qui jouent le rôle de catalyseur :

O3 + photon (E > 1,1eV) → O2 + O

O + NO2 → O2 + NO

NO + O3 → NO2 + O2

  • 9 L’unité usuelle est l’unité Dobson égale à un centième de mm, la quantité totale d’ozone varie donc (...)

44Ces deux mécanismes s’équilibrent et limitent la concentration de l’ozone. Celle ci est variable suivant la saison et la latitude mais elle reste extrêmement faible : si toute l’ozone comprise dans une colonne de l’atmosphère était ramenée à la surface, à une température de 0 ° C et à une pression de 1013 hPa (1 atmosphère), l’épaisseur9 de la couche obtenue serait de 2 à 4 mm

L’analogie de l’effet de serre
L’effet de serre résulte donc de ce que l’atmosphère est une sorte de filtre qui laisse passer les rayonnements de courtes longueurs d’ondes mais pas ceux de plus grandes longueurs d’onde. Détaillons un peu ce mécanisme. Imaginons pour cela que la Terre est entièrement entourée d’une couche de verre et voyons ce qu’il advient des échanges d’énergie radiative.
En premier lieu, la Terre et la couche de verre qui l’entoure forment maintenant un ensemble qui doit être en équilibre radiatif et donc émet autant d’énergie qu’il n’en absorbe. Puisque le verre est transparent aux courtes longueurs d’onde, le rayonnement solaire traverse la couche sans être affecté, une partie est réfléchie par la surface (30 %) et le reste est absorbé. La partie réfléchie retraverse la couche de verre sans encombre et donc, la quantité de rayonnement solaire absorbée est la même que si la Terre n’était pas entourée par cette couche de verre, soit (1372 * 0,7) Wm-2 sur le disque de surface πR2 ou 1372 * 0,7/4 = 240 Wm2 en moyenne pour toute la sphère. Globalement, pour le « caillou » que constitue l’ensemble (planète + couche de verre), rien n’a changé, la quantité d’énergie solaire absorbée est la même et, donc, la quantité d’énergie que doit émettre le « caillou » pour être en équilibre reste égale à 240 Wm-2 et sa température radiative est encore de 256 K.
C’est ce qui se passe entre la surface et la couche de verre qui est intéressant. La surface est chauffée et reperd cette énergie sous forme de rayonnement infrarouge ; si Ts est la température de la surface, chaque m2 émet σ Ts4. Puisqu’il s’agit de grandes longueurs d’ondes, ce rayonnement est absorbé par la couche de verre qui s’échauffe et rayonne à son tour. Sa température est fixée : c’est T = 256 K de façon à ce que la quantité d’énergie émise soit égale à l’énergie solaire absorbée. La couche de verre émet à la fois vers l’espace et vers la surface, elle émet donc au total 2 T4) ; c’est l’énergie qu’elle perd et cette énergie perdue doit être égale à l’énergie qu’elle absorbe, c’est-à-dire à l’énergie émise par la surface. On en déduit 2σ T4 = σ Ts4, la température de la surface est donc Ts = 21/4 T.
Ce modèle est évidemment très schématique et le résultat, en lui même, n’a pas d’intérêt, mais il montre que la température de la surface est forcément supérieure à la température d’équilibre radiatif, c’est-à-dire supérieure à celle que l’on a appelée la température du « caillou ». Le gain de température ainsi réalisé est justement l’effet de serre.

Notes

1 Pour s’en convaincre, il suffit de mettre un bouchon dans l’eau, on pourra suivre son mouvement et constater que son mouvement est bien vertical. Pour être tout à fait exact, ce mouvement n’est pas purement vertical : les parcelles d’eau décrivent des ellipses dans le plan vertical mais la différence n’a pas d’importance ici.

2 En même temps, l’onde propage un champ magnétique.

3 Ce n’est pas la seule raison : dans une serre, les portes sont fermées et il n’y a donc pas de courant d’air, c’est-à-dire pas de refroidissement par convection.

4 On appelle « albédo » la proportion de lumière réfléchie, on la note α.

5 Les fréons sont des gaz inertes de nature complètement artificielle. Ils étaient utilisés dans les réfrigérateurs comme liquide caloporteur et très utilisés comme gaz propulseur ; on les appelle improprement des gaz aérosols. Ils sont interdits de fabrication depuis la signature du protocole de Montréal en 1990, ils jouent, en effet, un rôle essentiel dans la destruction de la couche d’ozone.

6 Imaginons le Soleil entouré d’une sphère de même centre ; la totalité de l’énergie émise par le Soleil est donc prisonnière de cette sphère. Puisque le Soleil émet la même quantité d’énergie dans toutes les directions (on dit que l’émission est isotrope), chaque m2 de la sphère reçoit une énergie égale à l’énergie totale divisée par la surface de la sphère soit E/(4πd2) où d est le rayon de la sphère. En conséquence, l’énergie reçue est divisée par 4 si la distance au Soleil est doublée.

7 Comme tous les corps, les gaz émettent du rayonnement électromagnétique

8 Les nébuleuses résultent de l’explosion d’une étoile en fin de vie. Lorsque tout le combustible (Hydrogène, Hélium) dont elles disposent a été consommé, les étoiles de faibles dimensions, comparables au soleil, expulsent la matière qui compose leurs couches externes et le cœur de l’étoile s’écroule sur lui même pour former une naine blanche. Pour les étoiles géantes, la fin de vie est marquée par une explosion violente en novæ ou supernovae : en fin de vie, l’étoile se contracte et finit par imploser, une onde de choc en retour balaie toutes les couches et les disperse dans l’espace. Cette matière dispersée constitue une nébuleuse.

9 L’unité usuelle est l’unité Dobson égale à un centième de mm, la quantité totale d’ozone varie donc de 200 à 400 unités Dobson.

Table des illustrations

Titre Figure 3 : dépendance spectrale du rayonnement émis par un corps noir, c’est-à-dire totalement opaque, pour deux températures : 5750K, proche de la température de la chromosphère du Soleil et 300K proche des températures terrestres
URL http://books.openedition.org/septentrion/docannexe/image/52804/img-1.jpg
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Titre Figure 4 : transmission au travers d'une atmosphère tropicale à la verticale, la répartition spectrale du rayonnement solaire (fonction de Planck à 5750 K) permet de voir que l'atmosphère est essentiellement transparente aux longueurs d'onde du maximum d'émission du soleil.
Crédits Courtoisie de P. Dubuisson, Université du Littoral.
URL http://books.openedition.org/septentrion/docannexe/image/52804/img-2.jpg
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Titre Figure 5 : transmission au travers d’une atmosphère tropicale, à la verticale ; la dépendance spectrale du rayonnement émis à une température de 300 K permet de constater que l’atmosphère est semi transparente au voisinage du maximum de l’émission de la Terre.
Crédits Courtoisie de P. Dubuisson, Université du Littoral
URL http://books.openedition.org/septentrion/docannexe/image/52804/img-3.jpg
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Titre Tableau 3 : efficacité comparée de différents gaz à effet de serre.
URL http://books.openedition.org/septentrion/docannexe/image/52804/img-4.jpg
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Titre Tableau 4 : comparaison des effets de serre sur Vénus et sur la Terre. La température d’équilibre est celle qui correspond à l’équilibre radiatif (voir texte) et ne tient pas compte de la présence d’une atmosphère.
URL http://books.openedition.org/septentrion/docannexe/image/52804/img-5.jpg
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© Presses universitaires du Septentrion, 2003

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