Une voiture garée en plein soleil, vitres fermées, devient vite brûlante, bien plus chaude que l’air extérieur. Un phénomène voisin, l’effet de serre, maintient la Terre à une température où la vie est possible… et son renforcement par l’activité humaine inquiète. Pour le comprendre, il faut d’abord savoir comment l’énergie voyage par rayonnement.
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Le rayonnement transporte de l’énergie
Un rayonnement est un transfert d’énergie qui n’a pas besoin de matière : il traverse le vide. C’est ainsi que l’énergie du Soleil arrive jusqu’à la Terre, à travers l’espace. Tout corps émet un rayonnement : plus il est chaud, plus il rayonne d’énergie. On sent le rayonnement d’un feu de cheminée ou d’une plaque chauffante sur la peau, même sans la toucher.
On range les rayonnements d’après leur longueur d’onde, de la plus grande à la plus petite : ondes radio, micro-ondes, infrarouges, lumière visible (400 nm à 800 nm), ultraviolets, rayons X et rayons gamma. Plus la longueur d’onde est petite, plus le rayonnement transporte d’énergie. Seul le visible est perçu par l’œil.
Le Soleil et la Terre rayonnent différemment
La température d’un corps détermine le rayonnement qu’il émet surtout. La surface du Soleil, à environ 5 500 °C, émet principalement de la lumière visible, avec un peu d’ultraviolets et d’infrarouges. La surface de la Terre, à environ 15 °C en moyenne, est bien plus froide : elle émet surtout des infrarouges, invisibles mais responsables de la chaleur ressentie.
Le bilan énergétique de la Terre
Pour comparer des rayonnements, on utilise l’éclairement : la puissance reçue par mètre carré. Au sommet de l’atmosphère, la Terre reçoit en moyenne 1 360 W/m2 de face au Soleil, mais comme la Terre est une sphère qui tourne, on obtient en moyenne sur toute sa surface 340 W/m2 (1 360 ÷ 4).
E = P ÷ S soit P = E × S
E : éclairement en W/m2 ; P : puissance en watts (W) ; S : surface en m2. L’énergie reçue pendant une durée t vaut W = P × t (en joules si t est en secondes).
Un panneau de surface S = 2,0 m2 reçoit un éclairement E = 1 000 W/m2 : P = 1 000 × 2,0 = 2 000 W. En une heure (3 600 s), il reçoit W = 2 000 × 3 600 = 7,2 × 106 J, soit 2,0 kWh.
Tout le rayonnement solaire n’est pas absorbé : une part (environ 30 %, c’est l’albédo de la Terre, valant 0,30) est renvoyée vers l’espace par les nuages, les glaces et le sol. Il reste environ 240 W/m2 absorbés. Pour que la température moyenne reste stable, la Terre doit réémettre autant d’énergie qu’elle en absorbe : c’est l’équilibre énergétique.
L’effet de serre : un phénomène naturel
Si l’atmosphère n’existait pas, la température moyenne de la Terre serait d’environ −18 °C : les océans seraient gelés. En réalité, elle est d’environ +15 °C, soit 33 °C de plus. La différence est due à l’effet de serre.
L’atmosphère laisse passer la plus grande partie de la lumière visible du Soleil, qui chauffe le sol. Le sol réémet de l’énergie sous forme d’infrarouges. Certains gaz de l’atmosphère, appelés gaz à effet de serre (vapeur d’eau, dioxyde de carbone CO2, méthane CH4, protoxyde d’azote N2O), absorbent ces infrarouges puis en réémettent une partie vers le sol. Le sol reçoit donc de l’énergie supplémentaire et se réchauffe davantage.
L’effet de serre n’est pas le « trou » dans la couche d’ozone : ce sont deux sujets différents. L’effet de serre est d’abord naturel et indispensable ; c’est son renforcement qui pose problème.
Un effet de serre renforcé par l’activité humaine
Depuis 1750, la combustion du charbon, du pétrole et du gaz, la déforestation et l’agriculture ont fait augmenter la concentration de gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Celle du CO2 est passée d’environ 280 ppm (parties par million) avant 1750 à plus de 410 ppm aujourd’hui, soit une hausse de près de 50 %. L’atmosphère retient davantage d’énergie et la température moyenne mondiale a augmenté d’environ 1,2 °C depuis la fin du XIXe siècle.
| Planète | Atmosphère | Température moyenne de surface |
|---|---|---|
| Vénus | très épaisse, 96 % de CO2 | environ 465 °C |
| Terre | épaisseur modérée, peu de CO2 (0,04 %) | environ 15 °C |
| Mars | très ténue | environ −63 °C |
La comparaison des planètes montre le rôle de l’atmosphère : sur Vénus, un effet de serre intense porte la surface à plus de 400 °C ; sur Mars, l’atmosphère trop mince n’en produit presque pas. Pour limiter le réchauffement terrestre, on cherche à réduire les émissions de gaz à effet de serre (économiser l’énergie, utiliser des énergies renouvelables, protéger les forêts).
L’essentiel à retenir
- Un rayonnement transfère de l’énergie sans contact, même dans le vide ; on les classe par longueur d’onde (radio, infrarouge, visible, ultraviolet…).
- Le Soleil émet surtout du visible, la Terre surtout des infrarouges.
- E = P ÷ S ; la Terre absorbe en moyenne 240 W/m2 (albédo 0,30) et réémet autant.
- Les gaz à effet de serre absorbent les infrarouges du sol et en renvoient vers lui : la température passe de −18 °C à +15 °C.
- Cet effet est naturel ; l’activité humaine le renforce (CO2 de 280 à plus de 410 ppm) et réchauffe la planète d’environ 1,2 °C.