Bienvenue dans le tout premier article de mon blog !

Je me suis pas mal questionné sur l'objet de mon premier article. Finalement, j'ai choisi un sujet environnemental très actuel et qui malheureusement n'est pas très bien compris, bien qu'il touche tout le monde : l'effet de serre.

Qu'est-ce que l'effet de serre ? Comment fonctionne-t-il ?

L'effet de serre, un phénomène naturel

L'effet de serre est un phénomène naturel, c'est-à-dire qu'il existe que nous soyons là ou non. Et encore heureux ! Sans lui, la température moyenne sur Terre serait de $-$19 °C au lieu de 14 °C. Une température de $-$19 °C est actuellement atteinte à une altitude de 5 km au-dessus de la Terre (Le Treut et al., 2007). La vie comme nous la connaissons ne serait donc pas possible sans effet de serre.

L'effet de serre concerne principalement trois systèmes physiques : la Terre, son atmosphère et l'espace, comme représentés dans l'image ci-dessous. Il s'agit d'un phénomène complexe mettant en jeu de nombreux concepts physiques et chimiques. Cet article se veut court ; les principes physico-chimiques sous-jacents ne sont pas expliqués en détails.

Note : les valeurs suivantes sont basées sur celles de la NASA et correspondent à une moyenne sur les quinze dernières années (NASA, 2020).

Tout commence par le Soleil, principale source d'énergie. Celui-ci envoie des rayons lumineux tout autour de lui (on appelle cela l'isotropie). Une partie de ces rayons arrive sur Terre. On peut quantifier cette quantité : $340\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$ (watts par mètre carré). On retrouve différents types de rayons du spectre lumineux : ultraviolets, infrarouges, spectre visible. Tous ces rayons transportent une énergie égale à $E = h \nu$, où $E$ est l'énergie transportée en $\text{J}$, $h$ est la constante de Planck en $\text{J}\cdot\text{s}$ et $\nu$ (lettre grecque nu) est la fréquence en $\text{Hz}$ (ou $\text{s}^{-1}$).

Lorsque ces rayons atteignent l'atmosphère, une partie ($77\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$) va être réfléchie en direction de l'espace en raison du changement de milieu, de l'impact sur les nuages, la poussière et d'autres particules présentes dans l'atmosphère ; la majorité est cependant réfractée. Or, on sait que tout corps diffuse, absorbe et transmet la lumière à certains degrés. Dans ce cas, l'atmosphère diffuse $77\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$, absorbe $77\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$ et transmet $186\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$. Une partie va donc être absorbée par l'atmosphère. Nous y reviendrons plus tard. Les $186\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$ restants atteindront la Terre et les éléments à sa surface (bâtiments, arbres, etc.). Ceux-ci vont aussi diffuser ($22\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$) et absorber ($164\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$) une partie des rayons incidents. Aucune transmission n'existe ici en raison de l'opacité de la Terre, contrairement à l'atmosphère. Les $22\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$ diffusés par la Terre et les surfaces réfléchissantes présentes à sa surface (comme l'eau et la glace) vont parcourir l'atmosphère en sens inverse et vont se retrouver dans l'espace. Là encore une partie sera absorbée par l'atmosphère ; cette partie est déjà incluse dans les $77\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$ absorbés précédemment. Les $340\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$ atteignant l'atmosphère sont donc répartis entre les trois systèmes {Terre}, {Atmosphère} et {Espace}.

La Terre et les éléments à sa surface, qui absorbent une partie de l'énergie solaire, vont s'échauffer. Cela va entraîner l'évaporation de l'eau à sa surface, en passant de sa forme liquide à sa forme gazeuse via la chaleur latente. La vapeur d'eau ainsi créée prend de l'altitude. En atteignant les couches successives de l'atmosphère, cette vapeur d'eau va se condenser sous l'effet de la diminution de température. Notons que l'équivalence entre les propositions « Augmentation de l'altitude » et « Diminution de la température » n'est pas vraie pour toutes les altitudes, mais cela n'est pas le sujet ici. Les gouttelettes d'eau nouvellement formées vont créer des nuages. Rappelons que les nuages sont composés de petites gouttelettes d'eau (liquides) et non de vapeur d'eau (gazeuse). En se condensant, la vapeur d'eau libère de la chaleur ; cela correspond aux $88\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$. Une autre composante de cette valeur est l'évapotranspiration des végétaux. De plus, la Terre étant un système chaud, des petits mouvements de convection vont se former à l'interface entre la Terre et l'atmosphère. Ceux-ci vont « chauffer » l'atmosphère à hauteur de $22\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$. Le reste de l'énergie ($398\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$) est émise par la Terre, la plus grosse partie ($345\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$) étant absorbée par l'atmosphère sous forme de rayonnement infrarouge. En effet, comme la Terre a une certaine température, elle émet de la lumière (loi de Wien). C'est le même principe que pour les humains : nous avons une température corporelle d'environ 37 °C ; à ce titre, nous émettons un rayonnement infrarouge, ce qui nous permet de nous voir la nuit avec une caméra infrarouge. En revanche, la température de la Terre n'est pas assez élevée pour que le rayonnement soit situé dans le spectre visible (comme le Soleil). Les rayons infrarouges produits sont absorbés par les gaz à effet de serre présents dans l'atmosphère. Finalement, la partie non absorbée va finir dans l'espace ($53\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$).

L'atmosphère, quant à elle, s'échauffe de par l'énergie qu'elle reçoit directement du Soleil ($77\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$), de la Terre ($345\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$), de l'évaporation de l'eau ($88\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$) et des mouvements de convection de l'air ($22\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$). Comme pour la Terre, du fait de sa température, l'atmosphère émet un rayonnement infrarouge qui se répartit entre l'espace ($186\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$) et la Terre ($345\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$). C'est l'effet de serre.

Chacun des trois systèmes {Terre}, {Atmosphère} et {Espace} reçoit autant d'énergie qu'il en émet, respectivement $509$, $585$ et $340\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$. Les scientifiques ont en revanche récemment observé que toute l'énergie arrivant sur la Terre n'est pas réémise, et que celle-ci en absorbe effectivement une partie : on dit que le budget énergétique de la Terre est légèrement positif, à hauteur de $0{,}6$ à $0{,}8\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$. Appelé EEI (pour Earth's Energy Imbalance), ce léger déséquilibre, s'il ne s'annule pas avec le temps, entraîne des changements de température à long-terme au niveau de l'atmosphère, des océans, du sol et de la glace. Il est à noter que ce déséquilibre est principalement d'origine anthropique, c'est-à-dire causé par les activités humaines. Il s'agit également d'un indice fiable d'avancée du réchauffement climatique, bien plus que la température moyenne relevée sur Terre (von Schukmann et al., 2016). Il a pu être observé que ce déséquilibre a doublé entre 2005 et 2019 (von Schukmann et al., 2020).

Les gaz à effet de serre, présents en petites quantités dans l'atmosphère, ont la particularité d'absorber le rayonnement infrarouge de la Terre. Parmi ces gaz à effet de serre, on peut notamment citer la vapeur d'eau ($\text{H}_2\text{O}$), le dioxyde de carbone ($\text{CO}_2$), l'ozone ($\text{O}_3$), le méthane ($\text{CH}_4$) et le protoxyde d'azote ($\text{N}_2\text{O}$). L'effet de serre s'apparente au phénomène de chaleur qui survient à l'intérieur d'une serre en été, les gaz à effet de serre jouant le rôle de la vitre de la serre.

Sources

Le Treut, H., R. Somerville, U. Cubasch, Y. Ding, C. Mauritzen, A. Mokssit, T. Peterson & M. Prather (2007). Historical Overview of Climate Change. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, Royaume-Uni et New York, New York, États-Unis. https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/ar4-wg1-chapter1.pdf

NASA. (2020). The NASA Earth’s Energy Budget. NASA LaRC Science Directorate EPO. Consulté le 17 janvier 2022, à l’adresse https://science-edu.larc.nasa.gov/energy_budget/

von Schuckmann, K., Palmer M. D., Trenberth, K. E., Cazenave, A., Chambers, D., Champollion, N., Hansen, J., Josey, S. A., Loeb, N., Mathieu, P.-P., Meyssigna, B. & Wild, M. (2016). An imperative to monitor Earth’s energy imbalance. Nature. https://doi.org/10.1038/nclimate2876

von Schuckmann, K., Cheng, L., Palmer, M. D., Hansen, J., Tassone, C., Aich, V., Adusumilli, S., Beltrami, H., Boyer, T., Cuesta-Valero, F. J., Desbruyères, D., Domingues, C., García-García, A., Gentine, P., Gilson, J., Gorfer, M., Haimberger, L., Ishii, M., Johnson, G. C., Killick, R., King, B. A., Kirchengast, G., Kolodziejczyk, N., Lyman, J., Marzeion, B., Mayer, M., Monier, M., Monselesan, D. P., Purkey, S., Roemmich, D., Schweiger, A., Seneviratne, S. I., Shepherd, A., Slater, D. A., Steiner, A. K., Straneo, F., Timmermans, M.-L. & Wijffels, S. E. (2020). Heat stored in the Earth system: where does the energy go ? Earth System Science Data. https://doi.org/10.5194/essd-12-2013-2020