Qu'est-ce que l'effet de serre ?

Source : Jean-Marc Jancovici, membre du Comité de Veille Ecologique de la Fondation. Site perso.

Qu'est-ce qu'une serre ? Chacun sait que c'est un bâtiment couvert de vitres, qui laisse bien passer la lumière du soleil, mais empêche que la chaleur qui se forme à l'intéreur de la serre, sous l'effet de la lumière du soleil, ne se dissipe trop vite vers l'extérieur.

Il existe au sein de notre atmosphère des gaz (les "gaz à effet de serre"), présents en petite quantité, qui jouent pour notre planète exactement le même rôle que les vitres de la serre dans l'exemple ci-dessus. Ils n'empêchent pas la lumière du soleil d'arriver jusqu'à nous, mais font office de couverture en empêchant l'énergie que nous recevons du soleil de repartir trop vite vers l'espace.

Les deux gaz à effet de serre les plus importants (mais il y en a d'autres) sont parfaitement naturels et présents de longue date :

La vapeur d'eau, qui occupe 2 à 3% de l'atmosphère,
Le gaz carbonique, qui occupe actuellement 0,035% de l'atmosphère.

Sans effet de serre, la surface terrestre aurait une température moyenne de -15°C plutôt que de +15 °C, rendant notre planète tout à fait inhospitalière pour les bipèdes que nous sommes. L'effet de serre est donc un phénomène bénéfique.

Le danger qui est désigné par le terme "effet de serre" correspond à un abus de langage. Il faut lui préférer le terme de "réchauffement climatique", ou de "changement climatique". Ce qui est dangereux n'est pas le phénomène lui-même, parfaitement naturel et essentiel à notre existence, mais sa modification du fait de l'homme, modification qui elle est porteuse de graves dangers potentiels. Comme on le verra plus loin, cette modification ne se résume pas à un changement de température, loin s'en faut.

Quelques explications un peu plus techniques

Notre étoile, le soleil, nous envoie chaque jour une quantité considérable d'énergie : en une année, l'humanité toute entière consomme une énergie qui représente moins de 3% de ce que le Soleil nous envoie chaque jour.
Cette énergie nous arrive sous forme de rayonnement électromagnétique, dont la lumière fait partie.

 

Les rayonnements électromagnétiques la lumière, les infrarouges, les ultraviolets, les rayons X, les ondes radio, les micro-ondes qui circulent dans les fours de même nom, et, pour ceux qui s'intéressent à la radioactivité, les rayons gamma, sont des rayonnements qui sont tous de même nature : ils forment la vaste famille des rayonnements électromagnétiques. Tout corps ayant dépassé le zéro absolu (c'est à dire -273 de nos degrés !) émet du rayonnement électromagnétique pour dissiper une partie de son énergie : S'il n'est pas très chaud, il n'émettra que des ondes radio ; c'est le cas de certains objets dans l'espace (où effectivement il ne fait pas chaud : - 270 degrés Celsius !), s'il est plus chaud il émet aussi des infra-rouges (par exemple notre corps émet des infrarouges, même la nuit : c'est grâce à cela que l'on peut construire des caméras à infrarouges qui permettent de nous "voir la nuit" en captant ces infrarouges), s'il est encore plus chaud (à partir de 700° C, par exemple un morceau de métal chauffé "au rouge"), il émettra aussi de la lumière visible ; dans nos ampoules électriques nous ne faisons rien d'autre que de chauffer à l'électricité un filament de métal vers les 2700 °C, ce qui lui fait rayonner de la lumière visible, encore plus chaud, il émettra ausi des ultraviolets, c'est le cas du soleil, encore plus chaud, il émettra des rayons X : c'est le cas de certains corps célestes. Le soleil, qui est très chaud (6.000 °C à la surface), nous envoie un rayonnement composé de : 10% d'ultra-violets (dont une bonne partie est arrêtée par la fameuse "couche d'ozone", heureusement pour nous car les ultraviolets, qui sont des rayonnements "énergiques", sont néfastes à la vie : ils ont tendance à "casser", dans les cellules vivantes, des liaisons chimiques indispensables), 40% de lumière visible 50% d'infrarouges. La Terre, qui n'est pas très chaude (15 ° C), émet uniquement des infrarouges (qui ne sont pas les mêmes que ceux du soleil). Or un matériau peut très bien être transparent pour l'un de ces rayonnements et pas pour les autres : notre propre corps, par exemple, est transparent pour les rayons X (qui passent bien à travers, c'est pour cela que l'on s'en sert en radiographie), mais ne l'est pas pour la lumière visible (sinon nous ne dirions pas : ôte-toi de là, je ne vois rien !).

Lorsqu'il arrive à la surface de l'atmopshère, un tiers de ce rayonnement est directement réémis vers l'espace par les diverses couches de l'atmosphère et la surface de la terre, qui se trouve être surtout...de l'eau, et qui comporte aussi une part non négligeable de glace - les calottes polaires - qui sont particulièrement réfléchissantes.

Le reste est absorbé par les divers composants de notre planète (sol, océans, atmosphère, cf. schéma ci-dessous), puis finalement réémis vers l'espace sous forme de rayonnement infrarouge.

Fonctionnement général de l'atmosphère. Les 342 W/m2 de rayonnement incident du soleil correspondent à une double moyenne, temporelle (sur l'année) et géographique (sur la surface de la planète), de l'énergie reçue par un m2 de surface au sommet de l'atmosphère.

En effet, tout comme notre peau chauffe si on la met au soleil, la surface de la Terre et l'atmophère chauffent lorsqu'elles sont exposées à la lumière (en captant son énergie), et en retour émettent des infrarouges, comme il est expliqué dans le premier encadré ci-dessus. Les gaz à effet de serre, qui avaient laisé passer la lumière sans encombre, ont par contre la propriété propriété d'absorber une partie de ces infrarouges. En absorbant ces infrarouges, ils en récupèrent l'énergie et chauffent. Cela conduit, de proche en proche, ces gaz, puis l'atmosphère — et avec elle la surface de la Terre — à être plus chauds que si le rayonnement infrarouge passait à travers l'atmosphère sans être intercepté. Bien sûr, le système finit toujours par s'équilibrer, mais il s'équilibre à une température supérieure à celle qu'il aurait si ces gaz n'étaient pas là.

Encore plus de technique : revenons aux rayonnements électromagnétiques (pour ceux qui le souhaitent !)

Les émissions et absorbtions des rayonnements du soleil et de la Terre Distribution du rayonnement du soleil (6000 K) et de la Terre (255 K) et absorption par les gaz à effet de serre. Source : Robert Sadourny, le Climat de la Terre, Flammarion, Collection Domino Vapeur d'eau (H2O) Gaz carbonique (CO2) Ozone (O3) Méthane (CH4) Protoxyde d'azote (N2O) Oxygène (O2) On a représenté sur le diagramme ci-dessus deux courbes, qui indiquent la répartition par longueur d'onde des rayonnements émis par le soleil (6000 K, car le soleil est à 6.000° Kelvin en surface) et par la Terre (255° K, c'est-à-dire la température de la Terre sans effet de serre : 255° K, c'est à peu près -18° C ; la distribution du rayonnement pour +15° C, c'est-à-dire 287 ° K, est de toute façon quasiment identique). Rappelons que la température en degrés Kelvin est égale à la température en degrés Farenheit (les degrés "normaux") plus 273. Il s'agit juste d'un décalage du zéro des températures. Ces deux courbes sont normalisées, c'est-à-dire que l'on a mis leur maximum à la même hauteur. Les bandes de couleur représentent (une couleur par gaz) la proportion de l'énergie rayonnée qui est interceptée par les gaz à effet de serre, et ce pour chaque fréquence. On constate assez facilement, en regardant ce petit diagramme : que le "pic" du rayonnement solaire est dans le visible, alors que la Terre n'émet rien d'autre que de l'infrarouge lointain, que les infrarouges reçus du soleil sont des proches infrarouges, qui ne sont pas les mêmes — et sont moins arrêtés — que ceux émis par la Terre, que le rayonnement ultra-violet du soleil est quasiment totalement arrêté par l'ozone (à gauche), grâce à quoi nous sommes en vie, que la lumière visible du soleil est très peu interceptée par l'atmosphère (ce qui se constate facilement !), que tout rayonnement émis par la Terre est partiellement ou totalement absorbé par un gaz à effet de serre, au sein duquel c'est de loin la vapeur d'eau qui en arrête le plus, que c'est bien parce que les longueurs d'onde arrêtées par les divers gaz à effet de serre sont différentes que les effets des gaz se cumulent : si tous les gaz à effet de serre agissaient sur les mêmes plages de fréquence on voit bien que cela "saturerait" très vite sur ces fréquences mais que cela laisserait le rayonnement repartir sans encombre pour le reste, enfin, que de rajouter des gaz à effet de serre a un impact d'autant plus important que la proportion du rayonnement déjà absorbé par ce gaz est faible : l'effet est d'autant plus important qu'il reste "du noir vers le bas" sur la courbe.

En savoir plus sur la physique du phénomène (pour lecteur averti) : un article sur le site de l'Ecole Normale de Lyon