Principes de base de l'effet de serre

On cherche à montrer :

Figure 2.  Tout corps (ici une plaque posée sur un isolant thermique) émet du rayonnement et ainsi perd de l’énergie. Plus la température du corps est élevée, plus l’énergie perdue est élevée

La vie quotidienne nous rend familière l'idée qu'un corps « très chaud » (braise d’un feu, porte d’un four...) émet un rayonnement, mais qu'il en soit de même pour un corps à température ambiante n'a rien d'évident.

À la découverte du rayonnement infrarouge : Il faut se procurer un détecteur de présence basé sur la mesure du rayonnement infrarouge, comme celui de certains carillons à l’entrée d’un commerce, que l'on trouve couramment dans les magasins de bricolage (le fabricant Extel produit par exemple de telles sonneries à détecteur de passage). Ces appareils se déclenchent lorsqu'ils mesurent une variation de l'intensité du rayonnement infrarouge reçu : c’est ce qui arrive lorsqu'une personne passe devant ce détecteur, car la température de la peau est plus élevée que celle des murs ou du  plancher en arrière plan.

L'expérience proposée doit être réalisée dans une pièce peu éclairée pour éviter toute source de chaleur ou de lumière parasite. On limite le champ de détection de l’appareil en plaçant un tube en carton (celui d’un rouleau de papier toilette par exemple) devant son ouverture, et à peu près à 50 cm de celle-ci, on installe un « écran de fond » de taille A4 environ (un carton rigide par exemple). Ce dernier est « vu » par le détecteur et sert de référence de température, figure 3.

Figure 3.  Dispositif expérimental pour mettre en évidence le rayonnement infrarouge

On prend deux bocaux (ou autres contenants : mugs, verres,…) identiques, l'un rempli d’eau à température ambiante (pas d’eau froide, il faut l’avoir rempli suffisamment à l’avance), l'autre rempli d'eau chaude (l’eau chaude du robinet suffit).

Dans la vidéo figure 4, on a pris, une tasse vide (à température ambiante) et une tasse remplie d'eau chaude.

Si l'on fait passer le premier bocal devant le détecteur, celui-ci reste muet. Si l'on fait de même avec le bocal d’eau chaude, le détecteur se déclenche. La seule différence étant la température des bocaux, c’est cette différence qui est à l’origine du déclenchement du carillon. Celui-ci réagira également si l'on fait passer la main, ou tout objet plus chaud que le « fond ».

Le rayonnement reçu par le détecteur ne change pas lorsqu’on fait passer le premier bocal devant le fond car la température du bocal est la même que celle du fond. Le flux radiatif émis par ces deux corps de même température est identique, le rayonnement reçu par le détecteur ne change pas lorsque le bocal passe car le rayonnement émis par le fond qui est masqué par le bocal est exactement compensé par le rayonnement émis par le bocal.

Lorsque le bocal a une température plus élevée, il émet plus de rayonnement que le fond, et ce rayonnement supplémentaire est détecté par l’appareil, alors qu’il n’est pas détecté par notre œil. C’est un rayonnement du domaine infrarouge (ses longueurs d’onde sont plus grandes que celles du rayonnement visible par l’œil).

On peut refaire cette expérience en remplaçant le détecteur de présence par un thermomètre infrarouge ou une caméra infrarouge, figure 5.

Figure 5.  Dispositif expérimental pour mettre en évidence le rayonnement infrarouge à l'aide d'une caméra thermique

On montre l’écran d’une caméra infrarouge dont l’échelle des températures va de 10°C (violet) à 50°C (rouge). Seules les tasses remplies d'eau froide (à gauche) et d'eau chaude (à droite) sont observées sur l'écran de la caméra. Si on les passe devant le détecteur, seules ces deux tasses le déclenchent.

Le but de ce paragraphe est de montrer qu’en plus d’avoir de l’effet sur la puissance du rayonnement émis (comme nous venons de le voir), la température a de l’effet sur son profil spectral.

Le profil spectral du rayonnement émis par un corps noir est donné par la loi de Planck et dépend de la température, figure 6.

Si la température de l’objet est inférieure à 700°C (≈ 1000 K), notre œil ne voit pas le rayonnement émis par l’objet, il est émis dans le domaine infrarouge. Figure 6.  Rayonnement visible et rayonnement infrarouge

Lorsque la température du corps est très élevée, supérieure à environ 700°C (≈ 1000 K), notre œil voit une partie du rayonnement qu’il émet. Par exemple, le rayonnement qui nous parvient du soleil est émis par sa surface extérieure dont la température est d'environ 6 000 K. À cette température, 40% de l’énergie est émise dans le domaine visible, c'est-à-dire pour des longueurs d’onde allant de 0,4 µm (violet - bleu) à 0,8 µm (rouge), 10% est émise dans le domaine ultraviolet (λ < 0,4 µm) et 50% dans le domaine de l’infrarouge proche (0,8 à 4 µm).

Figure 7.  Si la température de l’objet est très élevée (supérieure à environ 1000 K), notre œil voit une partie du rayonnement émis par cet objet : c'est le rayonnement visible

On peut également citer les anciennes lampes (lampes à incandescence) dont le filament a une température proche de 2 700 K : on voit clairement sur la figure 6 que seule une très faible partie du rayonnement émis est visible. Ces lampes avaient une très faible efficacité énergétique, chauffaient beaucoup plus qu’elles n’éclairaient, et ont été progressivement abandonnées au profit d’autres technologies plus efficaces (lampe à LED, fluorescente, ou aux halogénures métalliques).

La lave des volcans, dont la température est d'environ 700°C (≈ 1000 K), émet très peu de rayonnement visible, et le peu qu'elle émet se trouve proche de la couleur rouge. Il en est de même pour la braise d’un feu. De façon très simplifiée, si la température de l'objet est inférieure à 700°C, notre œil ne voit pas le rayonnement émis par l'objet, celui-ci n'émet que du rayonnement infrarouge. Les appareils qui mesurent le rayonnement infrarouge sont assez coûteux, mais des détecteurs de présence peuvent être utilisés pour en montrer l'existence.

Dans la suite de cet exposé, on considérera seulement deux domaines pour plus de simplicité : le domaine « solaire » (λ < 4 µm) et le domaine « infrarouge thermique » (4 à 100 µm) que l’on appellera simplement « infrarouge ».

Nous voulons montrer que le rayonnement infrarouge émis par un objet à température ambiante :

On refait l’expérience précédente de la partie 2.1. en intercalant différents écrans entre le détecteur et la tasse remplie d’eau chaude, figure 8 et 9.

Si le détecteur ne réagit pas au passage de la tasse, c'est que l'écran ne laisse pas passer le rayonnement infrarouge émis par la tasse, il lui est opaque, il l’absorbe. Au contraire si le détecteur réagit c'est que l'écran est transparent au rayonnement infrarouge émis par la tasse.

On utilisera comme écran une planchette de bois, une vitre, un sac de congélation transparent et un sac poubelle noir. Il faudra veiller à ce que les films plastiques soient assez fins pour qu’ils soient bien transparents au rayonnement infrarouge.

Les différents cas de figures sont rassemblés dans la figure 9 :

Figure 9.  Écrans transparents ou opaques au rayonnement infrarouge

On constate que certains matériaux sont transparents au rayonnement infrarouge, d'autres opaques, que certains matériaux sont transparents au rayonnement visible, d'autres opaques (cf. tableau figure 10). Les propriétés de transparence ou d'absorption peuvent être différentes pour le rayonnement visible et pour l’infrarouge. Toutes les combinaisons sont possibles.

L’utilisation d’une caméra (figure 11 et 12), ou d’un thermomètre infrarouge permet de voir que les feuilles de plastique utilisées ici ne sont pas parfaitement transparentes au rayonnement infrarouge, elles sont légèrement absorbantes. Pour simplifier, on supposera cependant que les matériaux sont soit parfaitement transparents soit parfaitement opaques. Avec la caméra, on constate également que certains matériaux comme le verre réfléchissent légèrement le rayonnement infrarouge. Mais la réflectivité est en général faible (quelques pourcents), sauf pour les métaux, et on la négligera.

Figure 11.  Un matériau peut être transparent ou opaque, et ces propriétés peuvent être différentes pour le rayonnement visible et pour l’infrarouge. La tasse est remplie d'eau chaude

Un matériau qui absorbe le rayonnement infrarouge en émet aussi (propriété connue sous le nom de loi de Kirchoff, émissivité = absorptivité).

Par exemple, la planche en bois absorbe le rayonnement infrarouge quelle que soit sa température. Elle en émet donc aussi et la puissance du rayonnement émis dépend de sa température. Si la température de la planche est la même que celle du fond, la puissance par unité de surface du rayonnement qu’elle émet est la même que celle du fond et donc la puissance du rayonnement mesurée par le détecteur ne change pas quand on passe la planche devant son ouverture. Par contre, si on chauffe la planche et que sa température est plus élevée que celle du fond, alors le détecteur réagit au passage de la planche. On obtient le même résultat avec la vitre.

Pour compléter l’expérience, il faudrait montrer que les deux écrans de plastique n’émettent pas plus de rayonnement quand on les chauffe, ce qui est difficile à faire à cause des cadre en bois qui eux émettent plus de rayonnement et sont donc détectés.

Sur la figure 13, on montre une expérience dans laquelle les quatre écrans sont chauffés par un sèche cheveux. La planche et la vitre émettent beaucoup plus de rayonnement quand ils sont chauffés. Par contre les deux plastiques émettent seulement un peu plus de rayonnement, ils ne sont pas parfaitement transparent au rayonnement infrarouge, mais ils émettent beaucoup moins que le bois ou le verre.

Figure 12.  Si on chauffe les écrans, la planche et la vitre émettent alors plus de rayonnement, les plastiques peu. Un matériau qui est un bon absorbant pour le rayonnement infrarouge est aussi un bon émetteur

Dans les situations courantes, les phénomènes physiques dominants associés aux rayonnements visible et infrarouge sont très différents. Dans le visible, un matériau opaque joue un rôle d’écran. Il absorbe le rayonnement mais n’en émet pas (tant que sa température reste inférieure à 1 000 K environ).

Dans le domaine infrarouge, ce n’est pas le cas. Un matériau qui absorbe le rayonnement en émet aussi, et la différence entre les deux dépend de la différence de température entre ce matériau et celui qui a émis le rayonnement incident. La notion d’écran, qui nous est très familière pour le rayonnement visible, ne s’applique donc pas pour le rayonnement infrarouge.

Si on utilise la caméra infrarouge, on peut vérifier que la réflexion du rayonnement infrarouge est très faible pour les matériaux utilisés et on la négligera ici. Seuls les métaux peuvent être très réfléchissants. Dans la représentation graphique du rayonnement infrarouge, on veillera à ne pas représenter de phénomène de réflexion, et à représenter séparément les phénomènes d’absorption et d’émission.

Le but est de montrer comment un système en déséquilibre énergétique évolue jusqu’à atteindre un équilibre.

On utilise une plaque (métal, bois, plastique…) noire posée sur un isolant thermique (liège, polystyrène…). Cette isolation nous permet de négliger les échanges de chaleur sur la face arrière de la plaque et de ne considérer que les échanges sur la face avant. On considère uniquement les échanges de chaleur par rayonnement (on néglige les échanges par conduction et convection) et on utilise les deux principes physiques suivants :

La plaque, d'abord à l'ombre, est ensuite placée au soleil. Exposée au soleil, elle reçoit plus d'énergie que lorsqu'elle était à l'ombre. Comme elle reçoit plus d'énergie, sa température augmente, elle émet donc plus de rayonnement infrarouge et perd plus d'énergie. Une nouvelle température d'équilibre est atteinte lorsque l'énergie perdue par émission du rayonnement infrarouge est égale à l'énergie gagnée par absorption du rayonnement solaire, figure 14.

Figure 13.  Équilibre énergétique Si un objet reçoit plus d’énergie qu’il n’en perd, sa température augmente. Comme sa température augmente, l'énergie perdue par l’émission de rayonnement augmente. L’équilibre est atteint lorsque l’énergie que perd l'objet est exactement compensée par celle qu’il reçoit.

Figure 14.  Équilibre énergétique Si un objet reçoit moins d’énergie qu’il n’en perd, sa température diminue. Comme sa température diminue, l'énergie perdue par émission de rayonnement diminue. L’équilibre est atteint lorsque l’énergie que perd l'objet est exactement compensée par l’énergie qu’il reçoit.

De même, une fois la plaque à l’équilibre au soleil, si la quantité de rayonnement solaire reçu diminue, la température de la plaque diminue également jusqu’à ce qu’un nouvel équilibre soit atteint, figure 15.

Dans ce « modèle d’effet de serre à 1 couche » :

Dans l’exemple présenté, on supposera en plus que la vitre est parfaitement transparente au rayonnement solaire et parfaitement opaque au rayonnement infrarouge.

On reprend la plaque noire placée au soleil. On suppose que sa température initiale est nulle (0 K) et qu’elle n’émet donc aucun rayonnement, figure 16.

Figure 15.  On place cette plaque au soleil : parce qu’elle est noire, elle absorbe le rayonnement solaire. Elle va gagner de l’énergie

Comme la plaque absorbe le rayonnement solaire incident, sa température s’élève jusqu’à atteindre l’équilibre thermique, figure 17.

Figure 16.  La plaque gagne de l’énergie donc sa température augmente Comme sa température augmente, l'énergie perdue par émission de rayonnement augmente. Finalement elle atteint sa température d’équilibre lorsqu’elle perd autant d’énergie par émission de rayonnement infrarouge qu’elle n’en gagne par absorption de rayonnement solaire.

On part de la plaque à l’équilibre, figure 18.

Figure 17.  La plaque noire est placée au soleil et a atteint son équilibre thermique

On place maintenant au-dessus de la plaque une vitre qui est transparente au rayonnement solaire et opaque au rayonnement infrarouge. On suppose que sa température initiale est zéro kelvin (0 K), qu’elle n’émet donc aucun rayonnement, et comme elle est parfaitement transparente au rayonnement solaire, son introduction ne modifie pas les échanges radiatifs, figure 19.

Figure 18.  On ajoute une vitre au-dessus de la plaque

Mais la vitre absorbe le rayonnement infrarouge émis par la plaque, et se réchauffe donc. Comme elle se réchauffe, elle émet maintenant du rayonnement infrarouge, et sa température augmente jusqu'à ce qu'elle perde autant d'énergie qu'elle n’en reçoit, figure 20.

Figure 19.  L’absorption par la vitre du rayonnement infrarouge émis par la plaque lui fait gagner de l’énergie donc sa température s’élève Comme la température de la vitre augmente, elle émet plus de rayonnement infrarouge. Elle émet autant de rayonnement vers le haut que vers le bas. Elle atteint sa température d’équilibre lorsqu’elle perd autant d’énergie qu’elle n’en reçoit.

Le rayonnement émis par la vitre est émis moitié vers le haut, moitié vers le bas. Le rayonnement émis vers le haut est perdu et celui émis vers le bas est absorbé par la plaque. La plaque reçoit maintenant plus d'énergie qu'elle n'en perd, donc sa température va augmenter jusqu'à ce qu'elle perde autant d'énergie qu'elle n’en reçoit, figure 21.

Figure 20.  Le rayonnement infrarouge émis vers le bas par la vitre est absorbé par la plaque Comme la plaque reçoit plus d’énergie, sa température augmente et elle émet davantage de rayonnement infrarouge. Jusqu’à ce qu’elle atteigne une nouvelle température d’équilibre.

Ce supplément de rayonnement infrarouge émis par la plaque est absorbé par la vitre, dont la température va augmenter à nouveau jusqu'à ce qu’elle perde autant d'énergie qu'elle n’en reçoit, le rayonnement étant émis moitié vers le haut, moitié vers le bas, etc. (figure 22).

Figure 21.  Ce rayonnement supplémentaire émis par la plaque est de nouveau absorbé par la vitre dont la température augmente encore Comme la température de la vitre augmente, elle émet plus de rayonnement infrarouge, moitié vers le haut, moitié vers le bas. Elle atteint sa température d’équilibre lorsqu’elle perd autant d’énergie qu’elle n’en reçoit. Comme la plaque reçoit plus d’énergie, sa température augmente et elle émet davantage de rayonnement infrarouge. Elle atteint sa température d’équilibre lorsque elle perd autant d’énergie qu’elle n’en reçoit.

Et ceci jusqu’à ce que l’équilibre soit atteint. La suite des termes 1/2 +1/4 +1/8 + … est un suite géométrique de raison 1/2, et si on en fait la somme on trouve la valeur 1 (figure 23).

Figure 22.  Bilan énergétique

En faisant un bilan d’énergie pour la vitre et pour la surface, on vérifie que chacune d’elle est à l’équilibre, que chacune reçoit autant d’énergie qu’elle n’en perd.

Donc à l’équilibre la température de la plaque est plus élevée avec la vitre que sans (figure 24). Cet accroissement de température est le résultat de ce qu'on appelle l'effet de serre.

Figure 23.  On retient que placer une vitre au dessus d’une plaque au soleil a pour effet de créer une « résistance au refroidissement » de la plaque par émission de rayonnement infrarouge, et ainsi d’augmenter sa température

L’explication pas à pas que nous venons de présenter peut être remplacée ou complétée par une explication plus abstraite mais plus directe :

Cette explication a comme avantage de bien montrer que le point fondamental est le rayonnement émis par la vitre vers l’espace. Tout le reste, et notamment la température de la plaque s’ajuste en fonction de cette exigence. C’est pour cette raison que sur la Terre (et sur les autres planètes) on considère avant tout les flux radiatifs au sommet de l’atmosphère.

Le modèle à 1 couche peut être transposé à la Terre et aux autres planètes en supposant que leur surface est noire, que l’atmosphère est isotherme, totalement transparente au rayonnement solaire et totalement opaque au rayonnement infrarouge.  

L’effet de serre ne dépend pas uniquement du fait que la vitre absorbe le rayonnement infrarouge, il dépend aussi de la température de cette vitre. Par rapport à des représentations graphiques qui peuvent induire en erreur, on insiste sur le fait que l'effet de serre ne correspond pas à la réflexion vers le bas du rayonnement infrarouge émis par la plaque, c’est le processus d’émission du rayonnement par la vitre qui est essentiel.