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Un Soleil plein d'énergie...

Tout le monde sait que le soleil éclaire la Terre et la réchauffe. En fait il l'« arrose » en permanence de rayonnements électromagnétiques dans une large gamme de longueurs d'onde allant de l'ultra-violet aux ondes radio⁽²⁾. Les physiciens le modélisent comme un « corps noir » (objet idéal dont le rayonnement ne dépend que de la température) porté à une température voisine de 5500°C. Seules les longueurs d'onde du domaine visible, de 400 à 800 nm (nanomètres) environ, sont perçues par notre œil, le maximum d'émission du soleil se situant dans le jaune autour de 500 nm.

Spectre du rayonnement solaire, en jaune au sommet de l'atmosphère, en rouge au niveau de la mer après absorption par le gaz carbonique (CO₂) et l'eau (H₂O) de l'atmosphère. CC-BY-SA Global Warming Art.

L'énergie apportée globalement par le soleil à notre planète est considérable : elle correspond à une puissance d'environ 1 000 watts par m² au niveau du sol (puissance d'un radiateur électrique d'appoint). Une très faible partie de celle-ci suffirait à couvrir les besoins énergétiques de l'Humanité.

Bien évidemment cette énergie, localement, dépend de la latitude, de la saison et des conditions météorologiques.

C'est quoi l'effet de serre ?

Si la Terre n'avait pas d'atmosphère, comme la Lune par exemple, rien ne ferait écran à l'énergie reçue du soleil, rien n'empêcherait non plus la surface de se refroidir très rapidement car elle renverrait l'énergie reçue vers l'espace essentiellement sous forme de rayonnement infra-rouge. Les variations de température seraient très importantes : très chaud sous le soleil, très froid dans l'obscurité (ce qui est bien le cas de la Lune).

Heureusement la Terre a une atmosphère qui, par ses échanges énergétiques avec l'espace d'une part, le sol et les océans d'autre part, joue un rôle d'écran et de régulateur. Environ 50% du rayonnement solaire parvient à la surface qui se réchauffe et émet des infra-rouges absorbés presque totalement par l'atmosphère (voir schéma). A son tour celle-ci réémet vers la surface une partie du rayonnement infra-rouge absorbé. C'est cela l'effet de serre  qui permet à notre planète de se maintenir à des températures compatibles avec la vie.

Echanges énergétiques entre le rayonnement solaire, l'atmosphère, la surface de la Terre. CEA-Aquaportail

Cela n'est possible que grâce à la présence dans l'atmosphère de gaz, les fameux GES (Gaz à Effet de Serre), qui absorbent et réémettent dans toutes les directions une partie des rayonnements infra-rouges. Le premier de ces gaz est la vapeur d'eau, H₂O, présente en grande quantité, puis le célèbre CO₂ et enfin d'autres gaz en plus faibles proportions mais non moins efficaces tels que le méthane (CH₄). L'augmentation du taux de GES dans l'atmosphère provoque donc un réchauffement additionnel du sol et des océans.

La possibilité d'une contribution majeure de la vapeur d'eau et du gaz carbonique à l'augmentation de la température dans l'atmosphère de notre Terre a été pointée pour la première fois en 1861 par le physicien irlandais John Tyndall.

Des molécules qui vibrent

Pourquoi ces molécules absorbent-elles et réémettent-elles le rayonnement infra-rouge ? Leur étude nous apprend que les atomes qui les constituent peuvent vibrer autour de leur position d'équilibre à certaines fréquences si la molécule est excitée par des rayonnements correspondant précisément à ces fréquences propres de vibration. A l'inverse, la molécule peut se désexciter en émettant les mêmes rayonnements c'est-à-dire en restituant l'énergie qu'elle a absorbée.

Si nous considérons le cas de la molécule de CO₂, les mesures montrent que ces rayonnements sont dans le domaine de l'infra-rouge dit « thermique », précisément celui qu'émet le sol chauffé par le soleil (autour de quelques milliers de nanomètres de longueur d'onde).

Les principales contributions à l'effet de serre sont (d'après le GIEC) :

• vapeur d'eau : 60 %
• dioxyde de carbone : 26 %
• ozone : 8 %
• méthane et oxyde nitreux : 6 %

On doit également considérer l'efficacité de ces gaz pour l'effet de serre et leur durée de vie dans l'atmosphère. Ainsi le méthane est une vingtaine de fois plus efficace que le gaz carbonique ; par contre sa durée de vie n'est que d'une dizaine d'années alors qu'elle est de l'ordre de 100 ans pour le CO₂ ; c'est à cause de cette persistance et des effets à long terme qui s'en suivent que l'on considère plus le gaz carbonique que le méthane…

La torride Vénus...

Un exemple d'effet de serre maximum est donné par la planète Vénus dont l'atmosphère est essentiellement composée de gaz carbonique sous une pression de presque 100 fois notre pression atmosphérique. Elle présente une température de surface supérieure à 450°C ! Pour produire cet effet de serre gigantesque on soupçonne aussi la contribution d'autres gaz (anhydride sulfureux SO₂ et vapeur d'eau), pourtant en faibles quantités mais très efficaces dans les échanges énergétiques. Ce point est encore en discussion parmi les spécialistes…

Vénus. Nasa.

Halte au carbone fossile et aux ruminants... !

Les sources de GES sont variées mais à part l'eau, présente naturellement en grande quantité dans l'atmosphère, elles sont le plus souvent liées à l'activité humaine et donc en partie responsables du réchauffement climatique prévu et déjà observé…

• L'augmentation du taux de gaz carbonique est essentiellement due à l'utilisation massive de combustibles fossiles par nos sociétés industrialisées : pétrole, gaz, charbon.
• L'exploitation des combustibles fossiles, l'élevage du bétail et l'enfouissement des déchets produisent des quantités importantes de méthane, en constante augmentation.
• Le réchauffement climatique lui-même contribue à libérer de grandes quantités de méthane stocké dans les pergélisols (sols de certaines régions gelés en permanence).

La serre du jardinier

Serre tropicale, Jardin botanique Henri-Gaussen, Muséum d'histoire naturelle de Toulouse. CC by-sa Christian Nitard, Muséum de Toulouse.

Les serres, dans lesquelles poussent des plantes à des températures supérieures à celles de l'air, sont connues depuis longtemps et fort utilisées dans l'agriculture, l'horticulture, les jardins botaniques… On a pensé pendant un certain temps que les serres fonctionnaient comme l'atmosphère c'est-à-dire que le verre absorbait les rayons infra-rouges. En fait il n'en est rien et, en1909, Robert Williams Wood, physicien américain, en utilisant des parois en halite (minéral correspondant au sel gemme, transparent aux infra-rouges) a montré sans ambiguïté que les effets obtenus étaient semblables à ceux produits par des parois de verre. L'augmentation de la température dans les serres est donc essentiellement liée à la limitation des mouvements de l'air (convection) et non pas à un effet radiatif.

C'est pour cette raison que, concernant l'atmosphère, on préfère parler maintenant de forçage radiatif.

Et le réchauffement climatique dans tout ça ?

D'après les scientifiques il semble bien que l'augmentation des GES dans l'atmosphère soit responsable d'un accroissement de l'effet de serre et donc d'une augmentation progressive de la température de la Terre.

 Les facteurs qui déterminent le climat sont très nombreux et variés, ne se limitant pas au simple effet de serre. Ils s'influencent souvent les uns les autres, ce qui rend la modélisation du climat d'une grande complexité et donc les prévisions encore imprécises. Cependant, tous les scénarios développés prévoient à l'horizon de la fin du siècle une augmentation de la température de 1,4 à 6 °C suivant les modèles et notre « comportement énergétique », certains donc bien loin des 2° initiaux, ce qui posera de nombreux problèmes à l'Humanité et affectera toute la biosphère. La limitation de l'émission des GES dans l'atmosphère, en particulier par l'abandon des combustibles fossiles, devrait être un impératif qui malheureusement semble très loin d'être réalisé au vu de l'échec des grandes conférences internationales sur le climat…

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(1) La grande majorité des experts estiment à l'heure actuelle qu'une élévation de la température de plus de 2°C entraînerait des bouleversements très profonds à nos sociétés et à la vie sur Terre, difficilement tolérables…

(2) Voir la note sur l'échelle des longueurs d'onde dans l'article de Thema : « L'eau est partout sur notre planète, mais qu'en est-il ailleurs...? »

Article rédigé par Jean-Pierre Ulmet (volontaire au Muséum de Toulouse). Mis en ligne le 6 septembre 2013.