Couche d'ozone & Effet de serre

Le lien entre la destruction de la couche d'ozone et l'augmentation de l'effet de serre

effet de serre

La température qui règne à la surface de la Terre ( surface des océans et des continents ) résulte d'un équilibre entre chauffage et refroidissement . S'il n'y avait pas d'atmosphère, le chauffage de cette surface serait principalement assuré par le rayonnement solaire et son refroidissement, par l'émission d'un rayonnement infrarouge. La présence de l'atmosphère modifie ce refroidissement. Celle-ci laisse en très grande partie passer le rayonnement solaire alors qu'elle absorbe très fortement le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre.

Vapeur d'eau, nuages et dioxyde de carbone principalement absorbent à 95% ce rayonnement et le réémettent, d'une part vers la surface de la Terre et d'autre part vers l'espace. Ainsi la surface de la Terre se trouve chauffée, en plus du rayonnement solaire par un rayonnement infrarouge émis par le ciel : ce mécanisme de réchauffement supplémentaire est appelé «Effet de serre » . Sur Terre il a pour conséquence d'augmenter la température moyenne de la surface de la Terre d'environ 33°C. Cette surface est en moyenne à 15 °C alors que la température moyenne de la planète qui, elle, résulte uniquement du chauffage solaire est de -18°C.

Le nom de ce mécanisme vient de la serre des jardiniers dans laquelle il fait beaucoup plus chaud qu'à l'extérieur : de la même manière que l'atmosphère, le verre, transparent aux rayons solaires, absorbe fortement le rayonnement infrarouge émis par le sol. Cependant si ce mécanisme contribue au réchauffement, une autre cause importante de réchauffement est liée au fait que l'air chaud reste emprisonné dans la serre.

La valeur de la température moyenne

Elle est obtenue en faisant la moyenne de la température sur toute la surface de la Terre ( océans et continents, la surface de ces derniers étant ramenée au niveau de la mer ), et sur toute l'année. On trouve alors une valeur de +15°C. On estime qu'elle est connue au dixième de degré près.

Il peut paraître aberrant de caractériser une surface aussi variée, avec de tels écart saisonniers par une température moyenne. Cela se justifie par le fait que température et énergie rayonnée sont deux notions équivalentes :

« Tout objet maintenu à une certaine température, perd constamment de l'énergie sous forme de rayonnement. L'énergie rayonnée est fixée par sa température. Quant l'objet est très chaud, le rayonnement émis par sa surface devient lumineux ( charbon rougeoyant vers 500°C, métal chauffé à blanc vers 1000°C ); quand il est à la température ordinaire le rayonnement émis est invisible à l'œil. »

Dire que la surface de la Terre est à +15 °C revient à dire qu'en moyenne chaque mètre carré de la surface de la Terre«rayonne»( c'est-à-dire«émet un rayonnement infrarouge d'une énergie de») 390 watts, c'est-à-dire 390 joules par seconde. C'est sur cette dernière grandeur, l'énergie, que la compréhension des mécanismes climatiques se fonde, et non sur la température.

D'où vient cette énergie ?

Elle vient pour l'essentiel du Soleil : la quantité d'énergie qui provient de la chaleur interne de la Terre ( flux géothermique ) ne représente environ que le dix millième de l'énergie solaire. Quand à celle qui vient du reste de l'univers ( rayonnement cosmique, lumière des étoiles... ) elle est de l'ordre du millionième.

L'énergie solaire

L'énergie solaire arrive sous forme de rayonnement solaire. L'œil en perçoit la partie visible, ce qui représente 40% de cette énergie. Le reste se distribue dans l'infrarouge proche ( 50% ) et dans l'ultraviolet ( 10% ). Moyennée sur l'année et sur l'ensemble de la Terre, l'énergie solaire qui arrive est de 342 watts par m2 ( terme A sur les schémas ). Toute cette énergie ne«chauffe»pas la Terre, c'est-à-dire n'est pas absorbée par la Terre ( atmosphère, océans, continents ) . Environ 30% ( c'est-à-dire 107 watts par m2, terme B ) est renvoyé ( ou réfléchi ) dans l'espace par l'atmosphère, les océans et les continents. C'est à cause de cette lumière réfléchie que la Terre est visible de l'espace et que les planètes apparaissent brillantes la nuit dans le ciel. Il en reste donc 235 watts par m2 ( terme C ) qui vont«chauffer»la Terre.

La température à la surface de la Terre

La température sur la surface de la Terre ( continents et océans ) est le résultat d'un équilibre entre toute l'énergie qui chauffe la surface de la Terre ( deux origines, on va le voir plus loin ), ce qui représente 492 watts par m2 et toute l'énergie que perd cette même surface ( trois origines, on va également le voir plus loin ), ce qui représente également 492 watts par m2.

Il est intéressant de comprendre l'origine de chacun de ces termes car un changement dans chacune de ces origine, qu'il soit naturel ou lié à l'homme, entraînera un nouvel équilibre de l'énergie, et par conséquent modifiera la température moyenne sur Terre et se répercutera sur le climat.

Par quels mécanismes la surface se refroidit-elle ?

Trois mécanismes différents interviennent pour refroidir la surface de la Terre.

Le rayonnement infrarouge ( IR ) émis par la surface de la Terre ( terme D )

Le fait d'être à une température donnée s'accompagne de l'émission de rayonnement. Le domaine du rayonnement ( rayons X, lumière visible, infrarouge proche, infrarouge lointain, onde millimétrique etc. ) est fixé par la température : la surface de la Terre qui est en moyenne à 15°C rayonne dans l'infrarouge centré à 10 micromètres ( rayonnement non décelable par l' il ), alors que le rayonnement émis par la surface du Soleil, qui, elle, se trouve à une température proche de 6000 degrés, est centrée dans le visible ( 0,5 micromètre ).

Ce rayonnement infrarouge émis par la surface de la Terre correspond à une perte d'énergie de 390 watts par m2 ( terme D ) : il est directement déterminé par la température de 15°C. Ce rayonnement qui quitte la surface de la Terre ( océans et continents ) va traverser l'atmosphère : 95% seront absorbés par cette dernière ( voir plus bas ), seuls 5% traverseront sans aucune interaction et quitteront directement et définitivement la planète Terre.

L'évaporation de l'eau ( terme E )

L'eau liquide sur la Terre s'évapore constamment dans l'atmosphère et donne des nuages par condensation; cette même quantité d'eau retourne sur la surface de la Terre par la pluie ( cycle de l'eau ). Il s'évapore en moyenne 3 mm d'eau par jour ce qui entraîne un refroidissement de la surface qui, exprimé en énergie, correspond à 78 watts par m2 ( terme E ).

Le réchauffement de l'air par le sol ( terme F )

En moyenne la surface, plus chaude que l'air, se refroidit en réchauffant ce dernier au niveau du contact air - sol : les masses d'air, réchauffées, s'élèvent et ce mécanisme donne naissance aux mouvements verticaux de l'atmosphère. En moyenne cela correspond à une perte de 24 watts par m2 ( terme F ).

Par quoi est assuré le chauffage de la surface de la Terre ?

Deux origines à ce chauffage :

Le rayonnement solaire ( terme H )

On a vu ci-dessus que le chauffage de la surface de la planète est assuré par l'énergie ( ou rayonnement ) solaire ( 235 watts par m2 ). Quand ce rayonnement traverse l'atmosphère certains constituants de l'atmosphère ( principalement la vapeur d'eau et la couche d'ozone ) en absorbent une partie ( 67 watts par m2, terme G ), le restant ( 168 watts par m2, terme H ) parvient à la surface et est entièrement absorbé par celle-ci.

Le rayonnement infrarouge émis par l'atmosphère ( terme I )

Tout comme la surface de la Terre ( continents et océans ) qui émet un rayonnement infrarouge fixé par sa température ( voir ci-dessus ), l'atmosphère émet, elle aussi, un rayonnement infrarouge. Elle l'émet d'une part vers l'espace ( 195 watts par m2, terme J ) et d'autre part vers la surface de la Terre ( 324 watts par m2, terme I ). Ce dernier est beaucoup plus important que la partie du rayonnement solaire absorbé par la surface ( terme H, voir ci-dessus ) : c'est grâce à lui que la nuit , ( pas de chauffage solaire ) la température reste clémente.

Quelle est la cause de ce rayonnement émis par l'atmosphère, d'où vient son énergie ?

C'est toujours la même histoire : quand un corps a une température d'équilibre ( ici l'atmosphère ) cela résulte du fait que l'énergie absorbée par le corps est égale à l'énergie émise, ou encore perdue, par le corps.

L'énergie rayonnée par l'atmosphère, 519 watts par m2, qui représente l'énergie totale perdue par l'atmosphère, doit être compensée par un apport égal d'énergie à l'atmosphère. Cet apport se fait sous quatre formes différentes :

Peu de constituants atmosphériques sont capables d'absorber ce rayonnement infrarouge. Il y en a principalement trois, les autres jouant un rôle secondaire. Ce sont :

Les autres constituants, dont le rôle dans la nature est plus faible, sont l'ozone, le méthane, etc..

C'est ici qu'intervient la difficulté d'évaluer les rôles respectifs de ces différents constituants ( gaz, nuages, … ) dans l'effet de serre, car ces rôle se peuvent se superposer les uns aux autres. Une manière de le faire est de considérer que l'atmosphère est remplacée par un seul de ces composés et d'estimer la quantité du rayonnement infrarouge émis par la surface qui est absorbée par lui seul. On trouve ainsi que :

Une manière d'aborder simplement ces mécanismes afin de quantifier leur rôle dans l'effet de serre est la suivante :

L'action de ces quatre mécanismes de chauffage de l'atmosphère ( E, F, G, K ) fait que l'atmosphère absorbe, emmagasine, à chaque seconde, 540 watts par m2. Comme elle est à l'équilibre c'est à dire que l'énergie absorbée n'est pas stockée, ( sinon sa température augmenterait sans cesse ) elle ré-émet toute cette énergie. Elle la ré-émet entièrement sous forme de rayonnement infrarouge : 195 watts par m2 vers l'extérieur de la planète ( cette énergie sera donc rayonnée vers l'extérieur de la Terre ), et 324 watts par m2 vers la surface qui sont totalement absorbés par cette dernière.

Vue d'ensemble des mécanismes de chauffage

La surface de la Terre ( océans plus continents ) est en équilibre : elle est chauffée en absorbant 492 watts par m2 ( H + I ) et elle se refroidit en perdant la même quantité d'énergie ( E+F+D ).

La planète Terre est à l'équilibre : elle est chauffée en absorbant 235 watts par m2 ( C ), elle perd la même quantité d'énergie sous forme de rayonnement infrarouge vers l'espace ( J ).

Effet de serre

Il est relatif au mécanisme suivant : la surface de la Terre se refroidit en émettant un rayonnement infrarouge, l'atmosphère est capable d'absorber une partie de ce rayonnement, ( par ses Gaz à Effet de Serre ) et d'en réémettre une partie vers la surface, réchauffant donc cette dernière.

Actuellement l'effet de serre est globalement évalué de la façon suivante : la surface de la Terre perd 390 watts par m2 par rayonnement infrarouge, or l'ensemble de la planète en gagne ( énergie solaire absorbée ) et en perd ( énergie infrarouge rayonnée vers l'espace ) 235 watts par m2. A une émission de 390 watts par m2 correspond une température de +15°C, ce qui fait dire que la température moyenne à la surface de la Terre est de +15°C. A une émission de 235 watts par m2 de la Terre vers l'espace, correspond une température moyenne de -19°C. La différence représente l'action globale de l'effet de serre : 155 watts par m2 de chauffage de la surface ( dont environ 100 Watts liés au rôle de la vapeur d'eau et de 50 watts à celui du CO2 ). Ce chauffage représente environ 30°C, il est d'origine naturelle et est essentiellement dû à la vapeur d'eau et au CO2, la vapeur d'eau introduisant un réchauffement de l'ordre de 20°C et le CO2 de 10°C.

shema effet de serre

Modélisation de l'effet de serre

Éxpérience

Deux béchers tapissés d'un fond noir sont soumis à un même rayonnement lumineux. Un de ces béchers est recouvert par un film plastique, l'autre n'en a pas, jouant ainsi le rôle d'éxpérience témoin. Dans les deux béchers, des thermomètre sont disposés de façon à pouvoir relever facilement les évolutions de température.

Résultats

Le bécher recouvert a sa tempéraure qui croît nettement plus vite que celle de l'éxpérience témoin. Le film plastique laisse passer les rayonnements lumineux. Ces derniers sont absorbés par le fond noir qui les réemet sous forme d'infrarouge. Ceux-là sont réfléchis par le film en grande partie et explique la rapide augmentation de température.

Critiques

Selon les résultats, l'éxpérience semble avoir recréer l'effet de serre terrestre. Toutefois des réserves existent :

Conclusion

Pour toutes ces approximations et bien d'autres, les résultats de cette modélisation sont inexploitables : ils ne peuvent pas servir à prédire l'évolution de la température de notre planète, si vous avez un laboratoire de pointe et des chercheurs pour l'utiliser qui sont vacants… Elle lui reste toutefois au moins un interêt : le côté pédagogique, qui nous a permis de mieux comprendre le complexe phénoméne qu'est l'effet de serre.

CONCLUSION

En prolongeant l'apport énérgétique du Soleil, l'effet de serre permet d'augmenter la température globale de notre environnement, cet effet est«dosé»de manière à garder une température constante. Il y a donc un équilibre naturel, dans l'atmosphére des différents gaz à effet de serre ( CO2, CH4 et vapeur d'eau en sont les principaux ) pour maintenir l'environnement dans une relative constance ce qui facilite le développement de la vie.

Le phénomène, basé sur l'absorption des rayons solaires, est «parasité»par des phénomènes paralléles comme la réfléction qui en font un mécanisme trop complexe pour pouvoir le recréer facilement éxpérimentalement.

Jean-Baptiste Bersac