Si la Terre n’est pas complètement gelée depuis plus de 4 milliards d’années, c’est parce qu’elle est dotée d’une atmosphère et que celle-ci contient des gaz ayant le pouvoir d’absorber les rayons infrarouges : les gaz à effet de serre, appelés GES en abrégé. Ce phénomène, que l’on ne présente plus aujourd’hui, a été pressenti depuis le XIXe siècle mais il n’a pas tout de suite été compris. Il a été mal nommé, car il ne ressemble pas à ce qui se passe dans une serre.
Pour faire la distinction, on parle parfois d’effet de serre radiatif. Ici, comme il n’y a pas de risque de confusion, l’adjectif « radiatif » ne sera pas utilisé.
Le but de cet article est de donner une description détaillée de l’effet de serre, permettant d’évaluer la conséquence d’une augmentation de la concentration du CO2 atmosphérique. Il est préférable, pour le lire, de savoir ce que sont les rayonnements électromagnétiques. Les lecteurs qui n’en sont pas familiers peuvent commencer par lire l’article sur les bases physiques de l’effet de serre. Il introduit la notion de température effective d’une planète, compare la Lune à la Terre, donne deux définitions de l’effet de serre radiatif et commence par assimiler l’atmosphère à une vitre. Il parle du rétro-rayonnement et des spectres AERI, qui ne sont pas présentés ici . Il y a très peu de redites entre ces deux articles.
Principe de l’effet de serre
Quasiment toute l’énergie que reçoit le système Terre-atmosphère provient du Soleil. Ici, le mot « Terre » désignera toujours la surface de la Terre (continents et océans), l’atmosphère étant à part. Dans l’espace, une surface perpendiculaire aux rayons reçoit un flux d’énergie d’environ 1 361 W/m² (watts par mètre carré). Ce nombre est appelé la constante solaire, bien qu’il ne soit pas tout à fait constant. On sait que les taches solaires présentent un cycle de 11 ans, au cours duquel ses variations n’excèdent pas 3 W/m². Ce rayonnement se situe à 7 % dans l’ultraviolet, à 50 % dans le visible et à 43 % dans l’infrarouge.
La Terre et son atmosphère réfléchissent et diffusent 29 % de ce rayonnement dans l’espace. On dit que son albédo est de 0,29. En moyenne, seul un flux de 160 W/m² est absorbé par le système climatique et peut donc le chauffer. Avant l’ère industrielle, la surface était en moyenne à 14 °C. Cette température a augmenté d’un degré. La grande inertie thermique des océans leur permet d’avoir de faibles variations de température entre le jour et la nuit. Leur température moyenne de surface est passée de 20 à 21 °C. Ainsi chauffée, la surface de la Terre rayonne des infrarouges thermiques, le maximum se situant à une longueur d’onde de 15 µm (micromètres), mais l’atmosphère est en grande partie opaque à ce rayonnement.
Ces gaz opaques aux infrarouges ne sont pas le diazote N2, ni le dioxygène O2, ni l’argon Ar, qui constituent 99,96 % de l’atmosphère sèche, mais la vapeur d’eau H2O, le dioxyde de carbone CO2, l’ozone O3 et d’autres gaz. Ces gaz à effet de serre sont constitués de molécules à trois atomes dont les modes de vibration modifient le moment dipolaire électrique (la répartition des charges électriques). Ils peuvent par conséquent absorber et émettre des infrarouges. Le diazote et le dioxygène n’ont pas cette propriété.
Une bande d’absorption du CO2 se situe précisément à la longueur d’onde de 15 µm (ou au nombre d’onde de 667 cm–1, qui est son inverse). Elle coïncide avec le pic d’émission thermique de la Terre. Ce gaz joue donc un rôle important dans l’absorption des infrarouges thermiques, mais c’est la vapeur d’eau (dont la concentration est très variable) qui est au premier plan. Elle absorbe d’ailleurs aussi un peu de lumière, du côté rouge.
Un corps noir est un corps idéal qui absorbe tout le rayonnement électromagnétique qu’il reçoit. La luminance énergétique spectrale (puissance rayonnée par unité de surface, d’angle solide et de longueur d’onde ou de nombre d’onde) est donnée la loi de Planck. La Terre n’en est pas un, puisqu’elle réfléchit une partie de la lumière qu’elle reçoit, mais elle rayonne presque comme un corps noir. Grâce à cette loi, on peut calculer la puissance totale rayonnée par unité de surface dans le demi-espace libre (émittance énergétique). Elle est donnée par la loi de Stefan-Boltzmann, selon laquelle cette puissance est proportionnelle à la puissance 4 de la température (exprimée en kelvins). Par exemple, un corps noir à 15 °C (288 K) rayonne 390 W/m². Cette puissance par unité de surface est un flux d’énergie, le flux radiatif montant ondes longues à la surface en l’occurrence.
À cause des gaz à effet de serre et des nuages, ce rayonnement est partiellement absorbé. Une partie seulement arrive à s’échapper dans l’espace. On l’appelle le rayonnement sortant ondes longues au sommet de l’atmosphère (Outgoing Longwave Radiation OLR en anglais). L’effet de serre est le flux perdu à cause de l’absorption. Ainsi, si la Terre rayonne 390 W/m² et que seulement 240 W/m² d’infrarouges arrivent à s’échapper dans l’espace, l’effet de serre vaut 390 – 240 = 150 W/m². Cette définition ne présume absolument pas des phénomènes complexes qui se produisent dans l’atmosphère : les infrarouges absorbés chauffent l’air, qui émet des infrarouges, qui sont à leur tour absorbés, etc. Une partie d’entre eux sont renvoyés vers la Terre et la chauffent (c’est le rétro-rayonnement). De l’énergie est transférée de la surface vers l’atmosphère par d’autres moyens que le rayonnement électromagnétique (convection de l’air, évaporation de l’eau et condensation de la vapeur d’eau en altitude), mais pour évacuer dans l’espace l’énergie qu’elles reçoivent du Soleil, la Terre et son atmosphère ne peuvent utiliser que les infrarouges thermiques.
La courbe SLR (rayonnement montant ondes longues) ci-dessus montre l’émittance spectrale de la surface en fonction du nombre d’onde. L’aire de cette courbe, son intégrale en langage mathématique, est le flux émis par la surface, donné par la loi de Stefan-Boltzmann. Les gaz à effet de serre absorbent une partie de ce flux. Le rayonnement infrarouge émis par le sommet de l’atmosphère est décrit par la courbe OLR, dont l’aire en bleu est inférieure à l’aire de la courbe SLR. La différence d’aire entre les deux courbes, en rouge, est l’effet de serre (greenhouse effect en anglais). Il est évident que l’énergie rayonnée par la Terre et retenue par l’atmosphère contribue à la chauffer.
Voyons maintenant les spectres infrarouges enregistrés par le satellite Nimbus 4, lancé le 8 avril 1970. La zone observée se trouve à 134° de latitude Est et à 12° de latitude Nord, soit dans le Pacifique tropical ouest. Tous les gaz à effet de serre y apparaissent, et même les nuages. Quand τc = 0, le ciel est clair. S’il est strictement supérieur à 0, des cirrus sont présents. Ces nuages de haute altitude ont la particularité de chauffer la Terre, grâce à une action comparable à celle des gaz à effet de serre. La luminance énergétique spectrale est ici appelée la radiance. L’unité de puissance est l’erg par seconde au lieu du watt.
Dans la fenêtre atmosphérique, entre 800 et 1 200 cm, sauf dans une bande autour de 1 040 cm–1 à cause de l’ozone, l’absorption est faible et l’on peut considérer que les infrarouges émis par la surface ou les nuages atteignent l’espace. Dans le cas du ciel clair, la température d’émission est de 296 K, soit 23 °C. C’était la température du sol. Quand il y a des cirrus, ce rayonnement a été émis par eux. Pour τc = 2, la température est de 256 K, soit – 17 °C. Pour τc = 5, elle est de 236 K, soit – 37 °C. Ces températures sont beaucoup plus basses que celles du sol, puisque les cirrus sont situés en altitude. Plus ils sont hauts, plus ils sont froids, moins ils peuvent rayonner d’infrarouges thermiques et plus ils exercent un effet de serre important. Comme on le verra plus loin, l’ajout de CO2 dans l’atmosphère a le même effet : cela augmente l’altitude d’émission des infrarouges qu’il émet et donc l’effet de serre qu’il exerce.
En fait, on parle ici de température de brillance. C’est la température d’un corps noir qui aurait une luminance donnée. Pour la surface de la Terre, il n’y a guère de différence avec la température réelle. Il en va tout autrement pour les gaz, qui n’ont pas la même capacité d’absorber et d’émettre les rayonnements électromagnétiques qu’un corps noir. Les capacités d’absorption et d’émission de l’air sont décrites par un nombre qu’on peut appeler au choix l’absorptivité ou l’émissivité.
Structure de l’atmosphère et conséquence d’une augmentation de la teneur en CO2
La troposphère s’étend jusqu’à une dizaine de kilomètres d’altitude. La température moyenne y décroît de 15 °C jusqu’à – 56 °C, selon un gradient thermique vertical. Cependant, au-dessus de l’équateur, sa limite supérieure, la tropopause, peut monter jusqu’à 15 à 18 km d’altitude et atteindre une température de – 80 °C. La raison de ce gradient est la perte de chaleur par émission d’infrarouges thermiques vers l’espace. En moyenne, l’atmosphère est surtout chauffée par le sol, qui absorbe le rayonnement solaire. En conséquence, de l’air chaud s’élève et se refroidit par décompression. Le gradient adiabatique sec, en l’absence de vapeur d’eau, est de 9,8 °C par kilomètre. Si de la vapeur d’eau se condense, elle libère de la chaleur, rendant le gradient inférieur. Il peut diminuer jusqu’à 3,6 °C/km. À haute altitude, il n’y a quasiment plus de vapeur d’eau et cela donne la prééminence au CO2, comme gaz à effet de serre. Ces mouvements de convection s’arrêtent quasiment à la tropopause.
Ils ont pour effet de mélanger les gaz stables : l’azote, l’oxygène et l’argon et le dioxyde de carbone. Le premier est présent depuis le début de l’histoire de la Terre. Le quatrième également mais sa quantité a beaucoup baissé. Le second est produit depuis plus de 2,5 milliards d’années par les organismes photosynthétiques. Ils ne peuvent pas se condenser comme la vapeur d’eau, si bien que leur distribution est homogène. L’atmosphère ne contient jamais plus de 3 % de vapeur d’eau. Elle peut être produite par oxydation du méthane CH4, qui libère également du monoxyde de carbone CO.
Plus haut, dans la stratosphère, la température reste stable puis remonte, à une cinquantaine de kilomètres d’altitude, jusqu’à environ 0 °C. C’est la formation d’ozone à partir de l’oxygène qui chauffe la stratosphère. Cette région en équilibre radiatif est parfaitement stable. La pression, qui est « normalement » de 1013,25 hPa au niveau de la mer, diminue jusqu’à 250 hPa dans la tropopause, puis jusqu’à 1 hPa au sommet de la stratosphère (la stratopause). Les trois quarts de la masse de l’atmosphère se concentrent dans la troposphère, où ont lieu presque tous les phénomènes météorologiques. La mésosphère s’étend de la stratopause jusqu’à 86 km d’altitude. La température décroît de nouveau. Jusqu’à 100 km d’altitude, la pression et la densité de l’air décroissent de manière à peu près exponentielle.
L’ozone O3, connu pour protéger la Terre des rayons ultraviolets, est un GES, puisque cette molécule est triatomique. L’absorption des infrarouges provenant du Soleil et de la Terre (descendants et ascendants) se fait autour de 9,6 µm, dans la fenêtre atmosphérique. Étant donné la faible densité de l’air à cette altitude, un photon émis vers le haut a de bonnes chances de pouvoir s’échapper dans l’espace. Un tiers du refroidissement de la stratosphère est causé par l’ozone, au-dessus de 30 km, et les deux autres tiers par le CO2, autour de 15 µm. Il est compensé par l’absorption des ultraviolets lors de la formation de l’ozone. Quand ceux-ci ont une longueur d’onde inférieure à 0,24 µm, ils peuvent casser les molécules d’O2. L’oxygène atomique se combine avec l’oxygène moléculaire en présence d’une tierce molécule pour donner de l’ozone, puis l’O3 se détruit en absorbant des ultraviolets de longueur d’onde comprise entre 0,24 et 0,32 µm.
Il y a très peu d’ozone. Sa quantité est exprimée en unités Dobson (DU). Une unité correspond à une couche de gaz d’épaisseur égale à 10 µm dans les conditions normales de température (0 °C) et de pression.
L’effet de serre radiatif existe sur toutes les planètes et tous les satellites (comme Titan) dotés d’une atmosphère, car il n’y a pas d’atmosphère qui serait dépourvue de gaz à effet de serre. De plus, elle a forcément un gradient thermique vertical, à moins que l’astre ne soit pas éclairée par une étoile et que sa surface soit proche du zéro absolu. Dans le cas de la Terre, autour de 667 cm–1 (ou 15 µm), où se trouve le pic des infrarouges thermiques, le CO2 exerce une forte absorption. Au sol, les infrarouges ne peuvent parcourir que quelques mètres (le libre parcours moyen d’un photon est de 55 cm). Quand ils sont absorbés, ils chauffent l’air, qui émet des infrarouges en fonction de sa température. Ils sont à leur tour absorbés et ainsi de suite. À une certaine altitude, dite d’émission, située dans la troposphère, la raréfaction du CO2 permet à ces infrarouges thermiques de s’échapper dans l’espace, mais comme il y fait plus froid qu’au sol, le flux d’énergie émis par le CO2 est inférieur au flux émis par le sol. Cette rétention d’énergie provoque un réchauffement de la basse atmosphère.
Jusque-là, l’atmosphère peut être assimilée à une vitre qui laisserait passer la lumière et absorberait les infrarouges, mais ce modèle explique plus difficilement ce qui se passe quand on ajoute du CO2. Comme le montrent les calculs ci-dessous, cet ajout augmente l’altitude d’émission des infrarouges à toutes les longueurs d’onde. Ils doivent monter plus haut pour pouvoir s’échapper dans l’espace, mais aux longueurs d’onde situé « sur les bords » de la bande à 15 µm, la température à laquelle ils ont été émis est plus basse. Ils transportent donc moins d’énergie, ce qui permet à la troposphère de mieux conserver sa chaleur. Cependant, à exactement 15 µm, les photons sont émis dans la stratosphère, où la température ne décroit pas ou peut même augmenter avec l’altitude. L’effet serait alors réchauffant.
La situation varie en tout point de la Terre et à chaque instant, mais globalement, l’effet de serre radiatif est réchauffant et l’ajout de CO2 accroît le réchauffement.
On peut le voir avec ce graphique de W.A. van Wijngaarden et W. Happer. La courbe bleue donne l’émittance spectrale (en milliwatts par mètre carré et par cm–1) du sol à 288,7 K (15,5 °C). La courbe noire montre le rayonnement qui sort de l’atmosphère si tous les gaz à effet de serre sont présents avec leurs concentrations standards, par temps clair. Pour le CO2, c’est 400 ppmv. L’effet de serre est la différence d’aire entre la courbe bleue et la courbe noire. Pour obtenir la courbe verte, on a retiré le CO2 afin de mettre son rôle en évidence. L’énorme entaille autour de 667 cm–1 a disparu. La courbe rouge a été obtenue par doublement de la teneur en CO2, qui est donc passée à 800 ppmv. On voit que la température d’émission des infrarouges a baissé « sur les bords » de la bande, élargissant cette entaille. La différence d’aire entre la courbe bleue et la courbe rouge est un peu plus importante qu’entre la courbe bleue et la courbe noire. L’effet de serre a donc été augmenté.
En tenant compte de tous les phénomènes qui se produisent dans l’atmosphère, on estime à 3,7 W/m² l’effet d’un doublement de la teneur en CO2. Le réchauffement de la troposphère provoque une augmentation de la teneur en vapeur d’eau, d’où une hausse de l’effet de serre. C’est une rétroaction positive. La vapeur d’eau n’agit pas de la même manière que le CO2 : une augmentation de sa concentration rétrécit la fenêtre atmosphérique. Son absorptivité augmente.
Observation du rayonnement sortant ondes longues au sommet de l’atmosphère
On sait très bien calculer l’émittance spectrale du rayonnement quittant l’atmosphère, mais on sait également le mesurer et en faire l’analyse spectrale. On vérifie ainsi que les calculs sont corrects. Le programme Nimbus de la NASA a permis le lancement de huit satellites météorologiques entre 1964 et 1978. Le satellite Nimbus 3 est parti le 14 avril 1969 de la base de Vandenberg en Californie, à bord d’un lanceur Thor-Agena D.
Il était porteur d’un interféromètre de Michelson, qui a obtenu des spectres de la Terre et de son atmosphère entre 400 et 2 000 cm−1 avec une résolution équivalente à 5 cm−1. C’était faible par rapport à ce que l’on savait faire à cette époque. Les caractéristiques attribuables au dioxyde de carbone, à la vapeur d’eau et à l’ozone ont cependant été observées, ainsi qu’à des gaz plus rares comme le méthane.
Avec Nimbus 4, la résolution spectrale a été améliorée à 2,8 cm−1 et la résolution spatiale est passée à 5°.
Dans les régions polaires, la surface est plus froide que la troposphère, si bien que la température augmente avec l’altitude comme elle le fait dans la stratosphère. Il y a une inversion de température. Au lieu de faire un « vallée » dans la courbe de la luminance spectrale autour de 667 cm–1, le CO2 y fait une « bosse ». Il absorbe les infrarouges thermiques émis par le sol, mais il en réémet plus, puisqu’à l’altitude d’émission, il fait plus chaud qu’au sol ! Il exerce donc un effet de serre refroidissant. L’atmosphère se débarrasse ainsi que l’excès de chaleur qu’elle reçoit autour des pôles, et qui provient du mouvement des masses d’air. Celui-ci a principalement pour but de transporter vers les pôles la chaleur que la Terre reçoit du Soleil à l’équateur.
Il n’est pas nécessaire d’aller dans l’espace pour enregistrer le rayonnement infrarouge sortant, puisque pour l’essentiel, il vient de la troposphère. Il suffit d’aller dans la stratosphère. D’ailleurs, les satellites sont incapables d’observer les infrarouges lointains : les spectres donnés ici s’arrêtent sous les 400 cm–1, soit au-dessus de la longueur d’onde de 25 µm. Les premiers spectromètres ont été embarqués dans des ballons stratosphériques grâce au projet FIRST (Far-Infrared Spectroscopy of the Troposphere), auquel ont participé la NASA (Langley Research Center et Jet Propulsion Laboratory) et l’équipe AERI de l’Université du Wisconsin à Madison. Elle est spécialisée dans l’observation du rayonnement descendant ondes longues ou rétro-rayonnement, envoyé par l’atmosphère vers la Terre. Martin Mlynczak du NASA/LaRC est l’auteur principal de la première publication, effectuée en 2006.
On peut également observer le rayonnement sortant ondes longues à bord d’un avion, jusqu’à 20 km d’altitude. On est toujours dans la stratosphère. Les deux enregistrements suivants ont été faits dans un avion volant au-dessus de la banquise arctique et en même temps sur la banquise, par le Space Science et Engineering Center de l’Université du Wisconsin. Dans le premier cas, on analysait le rayonnement montant de la Terre vers le ciel, et dans le deuxième cas, le rayonnement descendant de l’atmosphère vers la Terre. On voit que l’atmosphère renvoie vers la Terre une partie des infrarouges thermiques qu’elle absorbe. La « vallée du CO2 » est toujours visible à cette altitude parce qu’elle provient de la troposphère. La température au sol était de 270 K (– 3 °C) et les infrarouges montants ont été émis dans la bande autour de 15 µm à une température de 225 K (– 48°C). En revanche, dans cet intervalle de longueurs d’onde, les infrarouges captés ne proviennent que de quelques mètres au-dessus du sol à cause de l’opacité du CO2. Ils confirment que la température de surface était de – 3 °C.
L’effet de serre sur Mars
L’atmosphère de la planète Mars est composée à 95 % de CO2. Elle est très tenue, puisque la pression au sol tourne autour de 610 pascals. En l’absence de poussières et de nuages, sa température effective est de – 63,41 °C (209,74 K) et sa température effective de surface vaut – 58,28 °C (214,87 K). L’effet de serre provoque donc un réchauffement de 5,13 °C. Quant à sa température moyenne globale annuelle de surface, elle vaut – 72,2 °C (200,92 K). La définition de la température effective a été donnée dans l’article sur les bases physique de l’effet de serre. Ces estimations proviennent de calculs effectués par la NASA et présentés en 2013 par Robert M. Haberle.
Ces spectres ont été obtenu par la sonde Mars Global Surveyor, qui a été lancée en novembre 1996 et a cessé de transmettre ses données en novembre 2006. L’instrument utilisé s’appelle TES (Thermal Emission Spectrometer).
Trois spectres ont été enregistrés. L’après-midi, la sonde a fait une visée au limbe, c’est-à-dire qu’elle a regardé le bord du disque martien. La température au sol était de 257 K (– 16 °C). On observe que les cristaux de glace d’eau (Atmospheric H2O ice) en suspension et les poussières atmosphériques (Atmospheric dust) contribuent à l’effet de serre. Les poussières agissent entre 850 et 1 350 cm–1 et les nuages de cristaux de glace agissent sous les 320 cm–1. Au coucher du Soleil, la sonde a fait une visée au nadir, c’est-à-dire au centre du disque, perpendiculairement au sol. La température du sol était de 212 K (– 61 °C). Les poussières et les nuages ne sont pas visibles sur ce spectre, pas plus que les autres gaz à effet de serre. Il y a 0,075 % de monoxyde de carbone et 0,03 % de vapeur d’eau (proportion variable). L’atmosphère martienne comprend aussi 2,8 % de diazote, 2 % d’argon et 0,174 % de dioxygène, mais ce ne sont pas des gaz à effet de serre. Comme l’ozone est absent, il n’y a pas de stratosphère. La nuit, le sol devient plus froid que l’atmosphère, si bien qu’il se produit une inversion thermique comme dans les régions polaires terrestres. La bande à 667 cm–1 apparaît en émission. La température du sol était de 160 K (– 113 °C).
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Certains climatosceptiques (ou dénialistes) nient l’existence de l’effet de serre radiatif ou expliquent que l’ajout de CO2 ne peut rien changer, puisqu’il absorbe déjà tous les infrarouges thermiques autour de 15 µm. C’est faux parce que l’ajout de CO2 fait varier la température d’émission sur les bords de cette bande, à cause du gradient vertical de température. Les « vallées du CO2 » peuvent s’élargir. Les observations confirment la théorie de l’effet de serre radiatif : les spectres infrarouges observés sont conformes aux spectres infrarouges calculés. On attend des détracteurs de cette théorie qu’ils présentent leurs calculs.
Réfutation d’un article du chimiste Georges Geuskens, qui prétend que l’effet de serre radiatif n’existe pas : Un chimiste belge tente de réfuter de l’effet de serre.
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