SERRE

LO N° 369 (26 04 10)

On en était donc (LO 367) à l'effet de serre en général et l'excès d'effet de serre (provoqué ou non par les activités humaines).

SUITE 11 - UN PEU DE PHYSIQUE AMUSANTE

Dans les descriptions habituelles de l'effet de serre, je me suis toujours demandé pourquoi la chaleur venue de l'espace (rayonnement infrarouge en provenance du soleil) traversait l'atmosphère jusqu'au sol, mais ensuite ne pouvait pas ressortir par le même chemin. L'atmosphère fonctionnerait-elle à sens unique, un peu comme une glace sans tain laissant passer la lumière dans un sens et pas dans l'autre ?

MANICORE

Du coup, je me suis plongé dans le détail du site de Jancovici :

http://www.manicore.com/documentation/serre/physique.html

Je reprends une bonne part de cette page, à ma sauce, moins technique que la sienne.

Une serre de jardin

Une serre, c'est un bâtiment couvert de vitres, qui laisse bien passer la lumière du soleil.  Sous l'effet de celle-ci, il se produit de la chaleur à l'intérieur. Deux effets contribuent à retenir la chaleur prisonnière à l'intérieur de la serre :

• un effet purement mécanique : les vitres empêchent tout simplement l'air chaud de sortir. (À ce point de vue, pas d'analogie avec l'effet de serre atmosphérique.)

• un "effet de serre", qui correspond en fait à une opacité du verre à l'infrarouge : en réponse à l'énergie reçue de l'extérieur, l'intérieur de la serre chauffe et émet des infrarouges. Or ces infrarouges émis par l'intérieur de la serre sont interceptés par le verre, qui est un matériau très opaque pour ce rayonnement particulier, ce qui empêche l'énergie de se dissiper vers l'extérieur et fait monter la température à l'intérieur.

(Mais de nouveau je me pose la question : pourquoi les infrarouges passent-ils de l'extérieur vers l'intérieur et pas le contraire ?) (Suspense)

L'atmosphère et ses gaz à effet de serre

Il existe au sein de notre atmosphère des gaz (les fameux "gaz à effet de serre"), présents en petite quantité, qui jouent le même rôle que les vitres de la serre, du moins en ce qui concerne les infrarouges. Ces gaz n'empêchent pas la lumière du soleil d'arriver jusqu'à nous (ils sont très transparents au rayonnement solaire), mais empêchent le rayonnement infrarouge émis par le sol de repartir 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 dans notre atmosphère :

• la vapeur d'eau, qui occupe environ 0,3% de l'atmosphère, y est présente depuis qu'il y a de l'eau à la surface de la terre, c'est à dire quatre milliards d'années ;

• le gaz carbonique CO2, qui occupe actuellement 0,037% de l'atmosphère. (Mais cette proportion a beaucoup varié au cours des âges.)

Si le chauffage supplémentaire du sol lié à cet effet de serre n'existait pas, la surface terrestre aurait une température moyenne de –18°C au lieu de +15 °C. L'effet de serre de notre atmosphère est donc un phénomène naturel, et, de notre point de vue de mammifères à sang chaud, bénéfique.

— Un coup de bol pour nous…

— Euh, ben, c'est que… mieux que ça : si l'effet de serre n'existait pas, on serait pas là pour en parler.

L'excès d'effet de serre

Le danger qui est couramment désigné par le terme "effet de serre" correspond à un abus de langage. Il faut lui préférer le terme de "réchauffement climatique", ou mieux encore de "changement climatique". Ce qui est dangereux n'est pas le phénomène lui-même, parfaitement naturel et essentiel à notre existence, mais sa modification rapide. Et modification rapide du fait de, semble-t-il bien, nos activités industrielles.

Lorsque le rayonnement solaire arrive sur notre planète, 30% est directement réfléchi vers l'espace, par les nuages (20%), les diverses couches de l'atmosphère (6%), et la surface de la terre (4%), en particulier les surfaces de glace – les calottes polaires - particulièrement réfléchissantes (on parle de l'albedo). Le reste est absorbé par les divers composants de notre planète (sol, océans, atmosphère), puis finalement réémis vers l'espace sous forme de rayonnement infrarouge. Les gaz à effet de serre, qui avaient laissé passer la lumière sans encombre, ont par contre la propriété d'absorber une partie de ces infrarouges. Ce faisant, ils en récupèrent l'énergie et chauffent. Tout comme la surface de la terre, ils vont dissiper cette énergie en émettant eux aussi des infrarouges, dont une partie retourne vers le sol, le chauffant donc une deuxième fois après que le soleil l'ait fait une première.

Cette interception de chaleur conduit donc ces gaz, puis l'atmosphère basse (la troposphère), puis la surface de la Terre elle-même, à être plus chauds que si le rayonnement infrarouge terrestre remontait à travers l'atmosphère sans être intercepté. Bien sûr, le système finit toujours par s'équilibrer, mais il s'équilibre avec une température de surface supérieure à celle qu'il aurait sans la présence de ces gaz.

Le "réchauffement climatique" peut, en première approximation, être résumé de la manière suivante : quand la concentration de gaz à effet de serre augmente dans l'atmosphère, cela augmente son opacité au rayonnement infrarouge terrestre, ce qui augmente la T° des couches basses de l'atmosphère et le sol lui-même.

Infrarouges proches et infrarouges lointains

Le truc qui me troublait c'est que j'avais tendance à penser que bon, les infrarouges, c'est les infrarouges… tous pareils. Or non : les infrarouges c'est toute une gamme du spectre. De même que les longueurs d'onde de la lumière visible vont de 400 nanomètres (violet) à 750 nm (rouge), celles de l'infrarouge (rayonnement électromagnétique invisible mais chaud) vont de 750 nm à 1 000 000 nm (1 mm). (Sauf erreur de ma part, parce qu'il y a parfois beaucoup trop de virgules et de zéros pour moi, dans les diagrammes et les définitions… Un nanomètre nm, c'est un milliardième de mètre m.) Du coup, on a subdivisé cette gamme infrarouge (très large !) en • infrarouge proche, • infrarouge moyen et • infrarouge lointain.

Et du coup, si j'en crois Janco, les choses s'éclaircissent : les infrarouges reçus du soleil sont des "proches infrarouges", alors que la Terre n'émet que de "l'infrarouge lointain". (Ça fait un peu contradictoire parce que la Terre est proche alors que le soleil est lointain, mais faut s'y faire). Or les infrarouges proches (émis par le soleil) sont moins arrêtés par les gaz à effet de serre que les infrarouges lointains (émis par la Terre). En d'autres termes, la chaleur venue du soleil traverse les gaz à effet de serre alors que celle rayonnée par la Terre reste piégée. Ce n'est donc pas que les gaz à effet de serre fonctionnent comme une glace sans tain, c'est plutôt que les rayons qui remontent du sol ne sont pas les mêmes que ceux qui tombent du ciel.

Mais encore ceci : à chaque gaz son effet spécifique

Tout rayonnement émis par la Terre est partiellement ou totalement absorbé par un des gaz à effet de serre : vapeur d'eau, CO2, protoxyde d'azote N2O, méthane CH4. C'est de loin la vapeur d'eau qui en arrête le plus. Car les gaz à effet de serre ont leurs préférences : disons en gros que chacun arrête des infrarouges de longueurs d'onde différentes. Et du coup les effets des différents gaz se cumulent : en effet si tous les gaz agissaient sur les mêmes plages de fréquence, cela "saturerait" très vite sur ces fréquences, mais, sur les autres fréquences, cela laisserait le rayonnement repartir sans encombre.

Rajouter un gaz à effet de serre dans l'air a un impact d'autant plus important que la proportion du rayonnement déjà absorbé par ce gaz déjà présent est faible.

Voilà pour les informations capturées chez Jancovici.

Par ailleurs, je dirai que la terre, l'eau, l'air même ne réfléchissent pas le tout de la chaleur qui les frappe sous forme de rayons infrarouges (lointains). Ils gardent cette chaleur, ils font masse, volant calorique, surtout les éléments sombres, comme on le sait bien. (La glace blanche reflète lumière et chaleur, la mer sombre les absorbe). Et en plus la Terre elle-même, la planète, produit de la chaleur : celle de son magma interne qui se diffuse à travers sa croûte et atteint la surface. Le volcanisme entre aussi en jeu en diffusant de la chaleur et du CO2. (Cf notre cher Eyjafjallajökull).

On en arrive à une équation où soleil, Terre ET activités humaines produisent ET de la chaleur ET du CO2 (et autres gaz…) lesquels produisent de l'effet de serre… lequel retient cette chaleur… laquelle augmente la diffusion de CO2… lequel augmente l'effet de serre… etc.  (Vous le savez, je suis un grand fan des boucles de rétroaction positive.)

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+ En anglais, mais de lecture facile.

http://www.alternet.org/environment/146084/the_best_argument_against_global_warming_..._oh_right%2C_there_isn%27t_one

(Particulièrement savoureux le courrier reçu par ce scientifique de la part d'un "denier"…)