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LE BILAN RADIATIF TERRESTRE

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Rayonnement infra-rouge de la Terre et effet de serre

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Rayonnement infra-rouge de la Terre et effet de serre

 

La surface moyenne de la Terre a une température d’environ 15°C, alors que la Lune, qui se trouve à la même distance moyenne du Soleil, a une température très négative, de l’ordre de -23°C. Pourtant si on compte en énergie reçue du Soleil, la Terre et la Lune reçoivent à peu près la même énergie puisqu’elles sont à la même distance de l’étoile. Il y a donc sur Terre un phénomène, appelé effet de serre, qui permet d’expliquer cette différence de température de l’ordre de 40°C. L’effet de serre réchauffe la planète. Il la réchauffe tellement que si on augmente l’effet de serre, il peut y avoir un danger pour les êtres vivant sur Terre.

 

I. Rayonnement infrarouge de la Terre

 

La Terre comme tout corps réchauffé (par l’énergie qu’elle reçoit du Soleil) émet un rayonnement infrarouge. Ce rayonnement infrarouge correspond à des ondes électromagnétiques. On ne le voit pas car il n’est pas de l’ordre de la lumière visible par l’œil humain. En effet, la longueur d’onde est supérieure à 780 nm, ce qui correspond à la limite du visible. Le rayonnement infrarouge émis par la Terre se situe pour des longueurs d’ondes comprises entre 3 µm et 1 mm. Pour le maximum d’infrarouge émis par la Terre dans l’infrarouge, qu’on appelle lointain, les longueurs d’onde sont de l’ordre de 10 µm. 

Ce phénomène d’émission de rayonnement infrarouge est aussi observable pour n’importe quel corps réchauffé par n’importe quelle source. Par exemple sur l’image ci-dessous, on peut voir le rayonnement infrarouge émis par un immeuble réchauffé notamment par la lumière du Soleil.

 

 

On peut enregistrer ce rayonnement infrarouge, à l’échelle de toute la Terre. Ce rayonnement est plutôt fort en zone intertropicale et plus faible ailleurs. Cela peut aller de quelques dizaines à plusieurs centaines, de l’ordre de 300 W.m-2 émis par la surface de la Terre vers l’atmosphère et ensuite vers l’espace. 

Ce rayonnement infrarouge est de la chaleur émise par notre planète et il est conservé en partie dans notre atmosphère, c’est cela qu’on appelle l’effet de serre.

 

II. L’effet de serre

 

S’il n’y avait pas d’atmosphère, c’est-à-dire pas de couche de gaz autour de la Terre, l’ensemble de ce rayonnement infrarouge retournerait vers l’espace. Mais la présence de gaz dans l’atmosphère va piéger une partie de ce rayonnement infrarouge, c’est-à-dire va conserver comme une serre la chaleur émise par la Terre et va donc provoquer le réchauffement de la surface de la planète.

 

Gaz dus à l'effet de serre

Dans l’atmosphère il y a principalement du diazote : son effet sur l’effet de serre est très faible.

Ce sont les gaz les plus rares qui ont un vrai effet sur l’effet de serre. Ci-dessous en sont représentés trois qui sont importants et dont on entend beaucoup parler. Il s’agit du dioxyde de carbone CO2 ; du méthane CH4, et de la vapeur d’eau H2O.

Ces trois gaz sont présents en toute petite quantité dans l’atmosphère même si avec les actions humaines les quantités de CO2 et de CH4 augmentent sans cesse depuis le XIXe et XXe siècles, et augmentent aujourd’hui de façon très rapide. Ces gaz sont encore présents, par rapport au diazote et au dioxygène, en quantité qu’on pourrait dire infime dans l’atmosphère mais ont un effet important sur la conservation de cette chaleur, de cet infrarouge, et donc sur l’élévation de la température terrestre.

 

rayonnement-IR2

 

Sur le graphique est représenté l’absorption du rayonnement infrarouge de la Terre en fonction de sa longueur d’onde.C’est-à-dire qu’horizontalement est représenté la longueur d’onde des rayonnements infrarouges émis par la Terre et verticalement est représenté le pourcentage d’absorption pour un gaz donné de ces rayons.

Le dioxyde de carbone absorbe principalement les rayonnements infrarouges qui sont dans des longueurs d’ondes comprises entre 4 et 6 µm. Il absorbe aussi beaucoup les rayonnements infrarouges qui sont entre 14 et 16µm de longueur d’onde.

Le méthane est plus spécifique, il va absorber jusqu'à quasiment 80 à 100 % de l’infrarouge pour des longueurs d’onde qui seront entre 6 et 8 µm, autour de 7 µm de longueur d’onde.

La vapeur d’eau : il y a un spectre d’absorption assez large avec un pic d’absorption pour des longueurs d’onde relativement faibles, autour de 3 µm, un deuxième pic autour de 8 µm et enfin une bande assez large d’absorption de la chaleur pour des longueurs d’onde un peu plus grandes.

Ce qu’il faut savoir c’est que la Terre émet de l’infrarouge dans une certaine bande de longueur d’onde. Le principal de l’infrarouge émis par la Terre se trouve autour de 10 µm mais il y en a aussi avant et après. C’est-à-dire que si l’on représente graphiquement l’infrarouge émis par la Terre on va avoir un maximum autour de 10 µm mais également en orange des rayonnements infrarouges émis dans d’autres longueurs d’onde.

 

Processus de l'effet de serre

La courbe orange ne se lit pas avec l’axe en ordonnée : elle traduit les différents infrarouges émis par la surface de la Terre.

Ce qui veut dire que l’ensemble de ces gaz va pouvoir absorber la chaleur émise sous forme d’infrarouge par la Terre. Que se passe-t-il alors ?

Cette chaleur absorbée se trouve dans l’atmosphère. L’atmosphère qui se réchauffe à cause de l’infrarouge absorbé, va, à son tour réémettre des rayonnements infrarouges. Une petite partie va être émise vers l’espace. Une autre partie va revenir vers la surface et réchauffer à nouveau la Terre. Ce nouvel échauffement va déclencher une nouvelle émission d’infrarouge donc on va avoir à nouveau une émission vers l’atmosphère qui à son tour va réabsorber une partie, renvoyer des infrarouges vers l’espace et d’autres vers la surface de la Terre, etc., jusqu’à une dissipation totale de l’énergie reçue de la part du Soleil.

L’ensemble de cet effet, qui se déroule principalement dans l’atmosphère, porte le nom d’effet de serre. Tout ce passe comme si dans votre jardin vous mettiez une serre pour permettre à l’atmosphère de se réchauffer sous cette serre, de bloquer une partie de la chaleur reçue de la part du Soleil et donc à vos légumes de pousser.

 

Bénéfices et limites de l'effet de serre

Finalement, sans effet de serre la Terre aurait une température qui serait avoisinante de celle de la Lune, à -20°C, peut être moins encore. L’effet de serre permet donc d’avoir de l’eau liquide sur Terre. Or c’est ce qui a permis le développement de la vie. L’effet de serre, lorsqu’il permet une température moyenne de 15°C, est donc bénéfique à la biosphère c’est-à-dire aux êtres vivants. Il a permis le développement de la végétation mais également de tous les autres êtres vivants.

Néanmoins avec l’augmentation dans l’atmosphère de la teneur en gaz à effet de serre, on peut déséquilibrer cet ensemble et provoquer un réchauffement de plus en plus important. Par ailleurs, plus la température est importante plus les banquises et les neiges disparaissent. Or moins il y a de neige à la surface, plus la Terre va absorber de chaleur : il y a comme un effet d’emballement. C’est pourquoi de nombreux scientifiques tirent la sonnette d’alarme puisque plus on augmente la température plus celle-ci est ensuite encline à augmenter sans qu’on puisse avoir ni de contrôle ni de retour en arrière possible.

 

Conclusion

 

Au final ces gaz, qui sont présents en petite quantité, sont responsables pour la majeure partie de l’effet de serre. Par exemple, la vapeur d’eau, présente selon les endroits dans l’atmosphère de 0,5 à 5 % seulement, représente 48 % de l’effet de serre. Le dioxyde de carbone qui est un gaz plutôt rare au regard du diazote ou du dioxygène est responsable de plus de 21 % de l’effet de serre et le méthane qui, lui aussi, est un gaz plutôt rare est responsable de 5 % de l’effet de serre.