Les subtilités de l'effet de serre

Bonjour à tous et bienvenue dans cette vidéo où on va parler du climat de notre planète. Je vais essayer de vous expliquer la physique permettant de comprendre la température moyenne sur Terre. Ce qui nous amènera à parler, entre autres, de l’effet de serre.

Vous allez voir que si c’est un phénomène bien compris des scientifiques, il réserve des subtilités qui sont rarement expliquées. D’ailleurs, je n’avais pas encore pris le temps de le faire sur cette chaîne ! Pour comprendre la température moyenne de notre belle planète, il faut d’abord s’intéresser au Soleil puisque c’est lui qui la réchauffe.

Le Soleil est constamment chauffé par des réactions de fusion nucléaire. Du fait de sa température, la surface du Soleil émet un rayonnement électromagnétique, un type de rayonnement qui peut se propager dans le vide. Ce mode de transfert d’énergie est central pour cette vidéo alors détaillons un petit peu.

De façon générale, tout objet qui a une température supérieure au zéro absolu émet un rayonnement électromagnétique qui transporte de l’énergie. C’est vrai pour le soleil mais c’est également vrai pour la surface terrestre et même pour vous. D’ailleurs, on peut observer, avec une caméra thermique, le rayonnement que vous émettez.

Mais, vous avez sans doute conscience que le rayonnement que vous émettez est beaucoup moins puissant que celui du soleil. C’est parce que plus un objet est chaud, plus le rayonnement émis est intense. Ce point est fondamental pour tout le reste de la vidéo.

Si on prend une surface d’1 m² la puissance émise peut être approximée par cette relation: la loi de Stefan-Boltzmann. Vous avez ici, une constante et la température, comme dans beaucoup de relations physiques, s’exprime en Kelvin. Il faut surtout noter que la température est à la puissance 4.

Pour vous montrer l’importance de ce point, appliquons la formule. La température moyenne sur Terre est de 15°C. D’après cette formule, la puissance du rayonnement émis par 1 m² à cette température est légèrement inférieure à 400 W.

Le Soleil, lui, a une température de surface de 5 500 °C, ce qui donne une puissance d’environ 63 MW par m². En Kelvin, le Soleil a une température 20 fois plus élevée que la température moyenne à la surface de la Terre mais le rayonnement émis par 1 m² de sa surface est 160 000 fois plus intense. Bref, une puissance 4 dans une formule physique, c’est violent !

Le rayonnement solaire transporte donc une quantité phénoménale d’énergie qui se propage dans le vide à la vitesse de la lumière. Une autre notion fondamentale pour cette vidéo est la conservation de l’énergie. L’énergie se conserve, elle ne peut pas être créée ou détruite.

Quand, par exemple, un objet absorbe un rayonnement électromagnétique, l’énergie de ce rayonnement est convertie en chaleur. À l’inverse, quand un objet émet un rayonnement électromagnétique, il perd de la chaleur. S' il n’y avait pas de réactions de fusion au sein du Soleil, il se refroidirait en rayonnant.

L’énergie se conserve donc l’énergie qui traverse cette sphère est la même que l’énergie qui traverse celle-ci ou celle-ci. Ce qui implique que la puissance reçue par une surface donnée sur cette sphère est plus grande que celle reçue par une surface de la même taille sur celle-ci qui est plus grande que la puissance reçue par une surface de la même taille mais encore plus éloignée du Soleil. L’énergie reçue par un objet décroît avec le carré de la distance entre cet objet et la source de rayonnement.

C’est quelque chose dont vous pouvez faire l’expérience, par exemple, en vous éloignant d’un feu de camp. Si on s’éloigne suffisamment du soleil pour être sur l’orbite de la Terre, on peut calculer qu’1 m² face au soleil, en haut de l’atmosphère, reçoit, en moyenne annuelle, 1361 W. La conservation de l’énergie permet également de faire des bilans énergétiques.

Alors, c’est quoi un bilan énergétique ? Et bien c’est un peu comme un bilan comptable mais on va compter l’énergie plutôt que les euros. C’est donc un inventaire chiffré de l’énergie dans un système, ou, pour ce qu’on va faire dans cette vidéo, c’est un inventaire chiffré des flux d’énergie dans un système.

Regardons ce qu’il se passe avec un exemple simple. Imaginons un disque d’1 m² face au Soleil, absorbant tout le rayonnement et suffisamment fin et conducteur pour que la température soit toujours la même sur les deux faces. Ce disque reçoit du rayonnement solaire.

Si on l’imagine initialement très froid, ce rayonnement solaire va le réchauffer. Comme tout objet, il émet un rayonnement qui dépend de sa température. Plus le disque va être chaud, plus le rayonnement émis est intense.

Tant que l’énergie reçue est plus importante que l’énergie émise, la température augmente et, donc, l’énergie émise. Mais, à partir du moment où l’énergie émise est égale à l’énergie qu’il reçoit. Il n’accumule plus d’énergie et ne peut donc plus monter en température.

Ce disque est alors à l’équilibre. C’est le fait qu’un objet perd de l’énergie par rayonnement qui explique pourquoi ce disque atteint un équilibre. Et ça reste vrai dans le cas d’une évolution.

Si le soleil devenait un peu plus chaud, ce disque se réchaufferait jusqu’à ce que la puissance reçue soit de nouveau égale à la puissance émise. Le nouvel équilibre serait plus chaud. Si le soleil devenait plus froid, la puissance rayonnée serait momentanément plus grande que la puissance reçue, donc le disque perdrait de l’énergie et descendrait en température jusqu’à l’atteinte d’un nouvel équilibre plus bas en température.

Dans un cas simple comme celui de mon disque, on peut faire le calcul de cet équilibre. Puisqu’il est à l’équilibre, la puissance reçue est égale à la puissance émise. Si je le place sur l’orbite terrestre, il reçoit 1361 W sur sa face éclairée.

Comme j’ai fait l’hypothèse que les deux faces de ce disque sont à la même température,il perd de l’énergie sur 2 mètres carrés suivant la relation qu’on a vue plus tôt. Il ne reste plus qu’à faire l’application numérique et on trouve que le disque est, dans cette situation, à 58°C. Maintenant, on va appliquer le même raisonnement à la Terre qui est un système beaucoup plus complexe.

La Terre reçoit du rayonnement solaire sur sa face exposée. En tout, c’est une puissance d’environ 170 millions de milliards de Watt qui atteint la Terre. Vu qu’on n’a pas l’habitude de manipuler des grands nombres, on divise généralement ça par la surface totale de notre planète pour avoir une puissance par m².

Ça revient à calculer la puissance moyenne reçue par la terre, ce qui prend en compte la face exposée et la face non exposée. Puisque le rayonnement solaire atteignant la Terre est capté par un disque de surface Pi*R² et qu’on le moyenne sur l’ensemble de la surface de la Terre de surface 4*Pi*R², ça revient à diviser par 4, les 1361 W/m² que j’ai évoqué plus haut. En moyenne, 1 m² de surface en haut de l’atmosphère reçoit donc 340 W/m².

Retenez qu’on va manipuler des moyennes dans cette représentation. Ce flux est de zéro la nuit et même quand il fait jour, il varie entre l’équateur et les hautes latitudes et au fil de la journée. Pour cette représentation, je vais prendre les quantifications dans le dernier rapport du GIEC, ce sont des moyennes sur plusieurs années et ces quantifications se basent sur de multiples sources: observations satellites, compréhensions théoriques et simulations numériques.

Par simplicité, je ne vais pas représenter l’incertitude. Ce rayonnement solaire va interagir de deux manières différentes avec notre planète: une partie va être réfléchie alors que l’autre va être absorbée. La part du rayonnement solaire réfléchi s’appelle l’albédo.

Pour la Terre, l’albédo est autour de 29% donc 29% du rayonnement solaire reçu par la Terre est réfléchie vers l’espace. Ce rayonnement est renvoyé vers l’espace sans avoir perdu d’énergie. Il ne vient pas réchauffer la Terre.

Un quart de cette réflexion est due à la surface et le reste est du aux nuages ou à d’autres particules solides ou liquides en suspension dans l’atmosphère: ce qu’on appelle des aérosols. Cet effet des nuages, vous en faites l’expérience quand vous faites bronzette et qu’un nuage vient momentanément s’interposer entre vous et le soleil. C’est un effet refroidissant puisqu’il réduit la part du rayonnement solaire absorbé par la Terre.

Encore une fois il s’agit d’une moyenne, les surfaces enneigées et englacées ont un albédo beaucoup plus fort que l’océan ou les surfaces boisées et la répartition des nuages n’est pas homogène sur Terre. Le reste du rayonnement solaire va être absorbé par le sol mais aussi, en partie par l’atmosphère. Pour le comprendre, il faut dire quelques mots de la nature du rayonnement et notamment du concept de longueur d’onde.

La température de l’objet qui rayonne ne joue pas uniquement sur la puissance émise mais également sur la longueur d’onde du rayonnement émis. Les interactions entre un rayonnement électromagnétique et la matière vont dépendre de la longueur d’onde et, ça, on y est confronté quotidiennement. Par exemple, le rayonnement solaire est en partie visible.

Aux longueurs d’onde visibles, on constate que certaines choses sont transparentes comme l’eau, une vitre ou l’air alors que d’autres sont opaques. Par contre, si j’éteins la lumière vous ne me voyez pas briller, pas plus que mes murs qui émettent pourtant un rayonnement. Nos yeux ne sont sensibles qu’à certaines longueurs d’onde.

Si on représente le rayonnement solaire en fonction de la longueur d’onde, le domaine visible se situe ici: entre 380 et 700 nanomètres. Votre œil perçoit les ondes électromagnétiques dans cet intervalle. Pour les longueurs d’onde plus courtes, on parle d’ultraviolet et pour les longueurs d’onde plus longues, on parle d’infrarouge.

Pour la suite, il faut savoir que plus un objet est chaud, plus le pic d’émission se situe sur de courtes longueurs d’onde. C’est grâce à cette différence entre le rayonnement solaire et le rayonnement terrestre qu’on peut les observer séparément. Si je parle de longueur d’onde ici c’est que la manière dont un rayonnement va interagir avec l'atmosphère dépend de la longueur d’onde.

Regardons maintenant, pour une journée sans nuage, le rayonnement solaire qui atteint le sol. Il y a des pertes, et donc des absorptions et réflexions par l’atmosphère sans nuage. Ces pertes sont dues pour une large part à la vapeur d’eau et à l’ozone.

Les capacités d’absorption d’un gaz varient fortement d’une molécule à l’autre. C’est lié à la capacité d’une molécule à vibrer à une fréquence donnée. Ce qui dépend des atomes qui la composent et de ses symétries.

L’absorption par un gaz va dépendre de sa nature mais également de sa concentration. Plus il y a de molécules d’un gaz absorbant, plus l’absorption d’un rayonnement est importante. Les molécules diatomiques qui constituent l’essentiel de l’atmosphère: diazote et dioxygène absorbent très peu de rayonnement dans le domaine visible ou dans les domaines de l’infrarouge correspondant au rayonnement solaire ou terrestre.

Cette bande d’absorption de l’oxygène est une des rares exceptions. Mais l’essentiel de l’absorption du rayonnement solaire par l'atmosphère est due à la vapeur d’eau et à l’ozone. La couche d’ozone qui se situe entre 15 et 35 km d’altitude absorbe une part importante du rayonnement ultraviolet, ce qui réchauffe cette couche de l’atmosphère.

J’avais déjà parlé du rôle de cette couche d’ozone dans une vidéo sur le trou dans la couche d’ozone que vous pouvez aller voir si cette sous-question vous intéresse. En plus de l’effet des gaz, une partie du rayonnement solaire peut être absorbée par des aérosols. La forme du spectre au niveau du sol est également influencée par des mécanismes de diffusion que je ne détaille pas ici parce que l’énergie diffusée finit ultimement par être absorbée ou réfléchie donc, pour notre bilan énergétique, comprendre la diffusion n’est pas nécessaire.

Si on complète notre bilan énergétique avec les mécanismes mentionnés, on voit que 23% du rayonnement solaire est absorbé par l’atmosphère. À cause de ça et des réflexions, seul 47% du rayonnement atteignant le haut de l’atmosphère terrestre est absorbé par le sol. Pour comprendre la température moyenne sur Terre, je fais le bilan énergétique à la surface de notre planète.

Avant d’aller plus loin, je vais anticiper certaines questions. Est-ce qu’il faudrait ajouter la chaleur dégagée par les activités humaines ? Après tout, il est indéniable que la combustion de ressources fossiles et les réactions de fission dans les centrales nucléaires dégagent de la chaleur.

La production mondiale d’énergie est estimée à environ 600 exajoules par an. Ce qui correspondrait à une puissance continue de 19 TW. Si on divise par la surface terrestre, on obtient 0,03 W/m².

C’est minuscule devant l’énergie que le soleil apporte à la surface terrestre qui est, en moyenne, de 160 W/m² et encore plus faible devant le flux de 340 W/m² qui atteint le haut de l’atmosphère. Mais, la géothermie me dirait vous, c’est peut-être plus important ! Un petit peu… mais ça reste très faible devant le soleil.

L’activité interne de la Terre génère un flux estimé à 47 TW, ce qui donnerait, en moyenne, 0,09 W/m². Et si vous pensez à d’autres sources potentielles comme les frictions des marées, c’est encore plus faible. L’absence de telles sources dans le bilan énergétique n’est pas une erreur mais une simplification vu que ces sources sont toutes petites devant le rayonnement solaire.

Après, cette parenthèse, revenons à notre bilan énergétique et regardons comment la surface terrestre perd continuellement de l’énergie. D’abord par conduction, c’est un mode de transfert thermique qui apparaît lorsqu’il y a une différence de température. Il se fait sans déplacement de matière.

Si vous mettez une petite cuillère dans un café brûlant, vous la sentirez se réchauffer par conduction. Cette conduction dépend des matériaux. Par exemple, les métaux conduisent beaucoup mieux la chaleur que le bois et ça, on en fait quotidiennement l’expérience.

La surface terrestre perd également de l’énergie par convection: un mode de transfert thermique par déplacement de matière. L’air se réchauffe au niveau du sol, ce qui réduit sa densité et provoque son élévation dans l’atmosphère et son remplacement par de l’air plus froid. Ce mouvement d’air augmente les pertes d’énergie par la surface terrestre par rapport à un cas où il n’y aurait que de la conduction.

Comme l’atmosphère est plus froide que le sol, la conduction et la convection permettent au sol de céder de la chaleur à l’atmosphère. Ces deux flux comptent pour un peu plus de 20 W/m². Un autre flux important d’énergie entre la surface et l’atmosphère est la conséquence du cycle de l’eau.

Lorsque la vapeur d’eau se condense pour former des nuages, de la chaleur est fournie à l’atmosphère. Cette énergie a été prise à la surface par l’évaporation de l’eau et la transpiration des plantes. Cette évapotranspiration représente un flux important d’énergie du sol à l’atmosphère, près de 80W/m² soit quatre fois plus que le flux précédent.

Il faut également ajouter le rayonnement. On l’a dit: tout objet qui n’est pas au zéro absolu émet un rayonnement électromagnétique qui transporte de l’énergie. Ce phénomène de rayonnement fait perdre à la surface de notre planète près de 400 W/m², 5 fois plus que le flux dû à l’évaporation.

Avant de voir ce qui manque au bilan énergétique de notre surface, regardons ce que devient le rayonnement émis par le sol. Ce rayonnement est en grande partie absorbé par l’atmosphère, soit par les nuages ou d’autres aérosols, soit par des gaz à effet de serre et, notamment, la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone, le méthane et le protoxyde d’azote. Sur cette figure, vous voyez le pourcentage d’absorption à différentes longueurs d’onde en l’absence de nuages.

Les gaz à effet de serre absorbent beaucoup plus efficacement le rayonnement issu de la surface que le rayonnement solaire. Sans nuage, environ 70% du rayonnement solaire atteint le sol alors que, toujours sans nuages, seul 20% du rayonnement émis par le sol atteint directement l’espace. Le rayonnement de la surface terrestre qui atteint directement l’espace est majoritairement émis pour des longueurs d’onde entre 8 et 14 micromètres.

C’est ce qu’on appelle la fenêtre atmosphérique parce que l’atmosphère est transparente à ces longueurs d’onde. Un satellite observant la Terre à ces longueurs d’onde peut directement voir le sol en l’absence de nuages. Si on ajoute l’absorption par les nuages, l’atmosphère terrestre absorbe 90% du rayonnement émis par la surface terrestre.

On a également vu que l’atmosphère absorbe 23% du rayonnement solaire et qu’elle est réchauffée par la conduction, la convection et la précipitation de la vapeur d’eau. Et, vous vous doutez que l’atmosphère ne peut pas se réchauffer à l’infini. Toute cette énergie doit bien aller quelque part.

Et bien… l’atmosphère perd, elle aussi, de l’énergie par rayonnement. Il y a des constituants solides ou liquides dans l’atmosphère, tels que les nuages qui vont émettre un rayonnement sur une large plage de longueur d’onde comme les rayonnements qu’on a vu pour la surface terrestre ou le Soleil. Pour les gaz à effet de serre, c’est un peu plus compliqué puisque l’émission n’est pas uniforme mais ne se fait qu’aux bandes de longueurs d’onde auxquelles ils absorbent.

Ces rayonnements sont émis dans toutes les directions. Et, point très important, l’intensité du rayonnement augmente avec la température de la même manière que le rayonnement dont on a parlé en début de vidéo. Plus une masse d’air est chaude, plus le rayonnement va être intense.

Pour notre bilan énergétique, je peux ajouter les derniers éléments qui nous manquent: le rayonnement moyen émis par l’atmosphère vers le sol et le rayonnement moyen émis par l’atmosphère vers l’espace. On voit enfin comment se manifeste l’effet de serre dans notre bilan énergétique. L’effet de serre c’est l’effet des nuages, des gaz à effet de serre et de certains aérosols sur le rayonnement infrarouge.

Il comporte deux phénomènes physiques. L’absorption de certains rayonnements infrarouges, et notamment du rayonnement émis par le sol; et l’émission de rayonnements par les constituants de l’atmosphère. L’effet de serre a été nommé ainsi par analogie avec les serres, utilisées notamment en agriculture, qui permettent d’accumuler de la chaleur.

Malheureusement, comme le monde est complexe et cruel, l’effet d’une serre agricole sur la température vient majoritairement du fait qu’elle bloque la convection et vient très peu, voir pas du tout, d’interactions avec le rayonnement. Autrement dit, la physique derrière l’effet d’une serre agricole n’a pas grand chose à voir avec la physique de l’effet de serre atmosphérique. Et cet effet de serre atmosphérique se retrouve donc, pour des raisons historiques, avec un nom un peu trompeur.

Pour revenir à notre représentation du bilan énergétique, il y a un truc à bien comprendre: ce bilan est juste en haut de l’atmosphère et au niveau du sol. Ce sont les deux surfaces où on a quantifié les flux d’énergie. On voit que la surface terrestre gagne en moyenne, 502 W/m² et en perd 501 W/m².

La somme nous donne presque 0. Pareil au niveau du haut de l’atmosphère où on voit qu’en moyenne 340 W/m² s’ajoutent au système alors que 339 W/m² en sortent. Pourtant, il n’y a pas de problème, mon bilan énergétique est complet.

C’est juste qu’il existe actuellement un petit déséquilibre dans ce bilan. Comme l’énergie se conserve, ça veut dire que la quantité d’énergie sur Terre augmente. Cette accumulation d’énergie dans le système se traduit par le réchauffement de la planète et ses conséquences dont j’ai déjà parlé dans d’autres vidéos.

Il y aurait plein de choses à dire sur ce sujet mais il faudrait une vidéo supplémentaire, une vidéo centrée sur ce déséquilibre, ses causes et son évolution dans le temps. N’hésitez pas à me dire si vous voulez des vidéos sur ces sujets ou si vous préférez que je parle d’autres choses. Le but de la vidéo que vous regardez n’est pas de traiter l’évolution du climat mais du bilan énergétique de la Terre de manière plus générale.

La Terre, aujourd’hui, n’est pas à l’équilibre et c’est un petit déséquilibre, en réalité d’un peu moins d’1 W/m², qui provoque le réchauffement de notre planète. Si le climat de la Terre était stable, les flux entrants et sortants devraient se compenser en moyenne et la Terre ne devrait ni accumuler, ni perdre d’énergie. Allez revenons au bilan énergétique parce que j’ai encore des choses à lui faire dire.

Vous voyez que le rayonnement infrarouge émis de la Terre vers l’espace est de 239 W/m². Sur cette valeur, on peut appliquer la relation physique qu’on a utilisée au début de la vidéo pour le rayonnement et on trouve -18°C. Autrement dit, notre planète perd autant d’énergie vers l’espace qu’une planète sans atmosphère qui aurait une température uniforme de -18°C.

On vulgarise parfois cette valeur en disant que ce serait la température de la Terre sans effet de serre. Mais en l’absence d’effet de serre, la Terre se refroidirait rapidement et sa surface s’englacerait. L’augmentation de l’albédo entraînerait une diminution du rayonnement solaire absorbé et donc un refroidissement qui amènerait la Terre bien en dessous de -18°C.

Pour avoir un point de repère, la Terre a déjà été quasiment entièrement englacée et, dans cette situation, la température globale est estimée à -50°C. Malgré tout, la quantification de -18°C reste utile pour introduire l’importance de l’effet de serre sur la température au sol. D’ailleurs, essayons de mieux comprendre cet effet de serre.

Si toute l’atmosphère terrestre était une couche homogène, elle émettrait un rayonnement de même intensité vers l’espace et vers le sol. Mais, on voit sur notre représentation du bilan énergétique que l’intensité du rayonnement émis vers l’espace est plus faible que l’intensité du rayonnement émis vers le sol. Cette différence implique que le rayonnement vu de l’espace n’est pas le même que celui vu du sol.

Essayons de comprendre pourquoi. Précédemment, j’ai expliqué qu’à certaines longueurs d’ondes, le rayonnement émis par la surface était entièrement absorbé. Pour ces longueurs d’onde, ça peut également être le cas de couches intermédiaires de l’atmosphère.

Le rayonnement émis, dans toutes les directions, par une masse d’air est alors entièrement absorbé par l’atmosphère autour. Un tel comportement dans le visible impliquerait que, depuis ce point, vous ne verriez ni l’espace, ni le sol. Vous ne verriez que l’atmosphère, opaque, autour de vous.

Vous seriez comme perdu dans le brouillard. Quand on monte dans l’atmosphère, la pression diminue et, avec elle, la probabilité pour un rayonnement d’être absorbé par une molécule. Il y a donc une altitude à partir de laquelle une partie du rayonnement va pouvoir s’échapper vers l’espace.

L’altitude moyenne à laquelle le rayonnement qui atteint l’espace a été émis s’appelle l’altitude d’émission. Si vous observiez la Terre depuis l’espace à cette longueur d’onde, vous observeriez une couche de brouillard opaque et vous seriez incapable de voir le sol. Mais vous vous demandez peut-être pourquoi cette altitude d’émission a une importance ?

Et bien parce que la température de l’atmosphère varie avec l’altitude. Pour la zone qui nous intéresse principalement, elle décroît. Cette décroissance dépend de l’humidité, des saisons et de la latitude mais varie entre 10°C de perdu par kilomètre quand l’atmosphère est très sèche et 5°C de perdu par km quand elle est humide.

Or rappelez-vous qu’on a dit que plus une masse d’air est chaude plus le rayonnement qu’elle émet est intense. A l’inverse plus une masse d’air froide moins le rayonnement qu’elle émet est intense. C’est donc cette décroissance de la température avec l’altitude qui permet à l’atmosphère d’émettre moins de rayonnement vers l’espace que ne le fait la surface terrestre.

Grâce à cette décroissance, la surface est plus chaude que si l’atmosphère était transparente au rayonnement infrarouge. Le profil de température de l’atmosphère joue donc un rôle fondamental dans l’efficacité de l’effet de serre à réchauffer la surface terrestre. Pour montrer quelques trucs plus en détail, je vais utiliser un modèle simplifié d’atmosphère.

Je vous le laisse en description avec les autres sources alors n’hésitez pas à aller jouer avec. Si je me place dans un cas particulier, région tempérée en hiver sans nuage, je peux simuler le rayonnement infrarouge émis vers le haut à différentes altitudes. Vous voyez que ce rayonnement décroît quand on monte dans l’atmosphère.

Autrement dit, la capacité de l’atmosphère à absorber du rayonnement infrarouge et à en émettre proportionnellement à sa température réduit le rayonnement sortant. Cette décroissance du rayonnement émis avec la température et, donc l’altitude, est importante pour comprendre convenablement l’effet de serre. C’est pour ça qu’il faut, à mon avis, éviter de représenter l’effet de serre comme ça.

Il ne faut pas croire que le rayonnement infrarouge rebondit sur l’atmosphère ou que le rayonnement absorbé est spontanément réémis. Il est plus juste de considérer et représenter séparément les deux phénomènes physiques qui jouent un rôle dans l’effet de serre. Premier phénomène: La surface terrestre émet un rayonnement qui est, en grande partie, absorbé et vient réchauffer l’atmosphère.

Second phénomène: l’atmosphère émet, elle aussi, un rayonnement dépendant de sa température. On va profiter de toutes les choses compliquées que vous savez maintenant pour aller regarder et comprendre le rayonnement infrarouge, émis vers l’espace à différentes longueurs d’onde. Pour cet exemple, je me mets dans la même situation que précédemment: région tempérée, en hiver et sans nuages.

Voici le spectre du rayonnement infrarouge émis vers l’espace tel qu’un satellite le mesurerait. Et, ici, c’est l’émission par le sol pour faciliter la lecture. Quand l’intensité émise vers l’espace est inférieure à celle émise par le sol, l’atmosphère a permis de réduire les pertes d’énergie de la surface terrestre.

Vous voyez que dans cette zone ci, il y a très peu de différences entre ce qui est émis par le sol et ce qui atteint l’espace. C’est la fenêtre atmosphérique dont on a parlé. À ces longueurs d’onde, l’atmosphère absorbe peu.

On peut quand même noter un creux qui est dû à l’absorption par la couche d’ozone. La bande très marquée autour de 15 micromètres est essentiellement due au CO2. D’ailleurs, on peut s’en convaincre en faisant tourner le modèle sans CO2.

C’est tout l’intérêt des modèles, on peut faire des expériences numériques pour mieux comprendre certains aspects. Cette bande est très marquée parce que l’altitude d’émission est élevée: plus de 10 km. Le rayonnement qui s’échappe vers l’espace vient donc de couches particulièrement froides de l’atmosphère, autour de -50°C.

La vapeur d’eau absorbe les longueurs d’onde au-dessus de 15 micromètres et limite les pertes vers l’espace mais vous voyez que la différence n’est pas aussi grande qu’avec le CO2 parce que la concentration en vapeur d’eau diminue rapidement avec l’altitude. Par rapport au CO2 ce sont des couches plus basses et donc relativement chaudes qui émettent vers l’espace. C’est avec ce type de modèle qu’on peut évaluer la part des différents gaz à effet de serre et se rendre compte que la vapeur d’eau joue pour environ 60% de l’effet de serre causé par les gaz à effet de serre.

La gauche de ce spectre d’émission est plus complexe puisqu’on y trouve des bandes d’absorption de l’eau mais également du méthane et du protoxyde d’azote, je ne vais pas détailler cette partie. Regardons maintenant le rayonnement qu’émet l’atmosphère vers le sol. Si on compare avec le rayonnement émis par le sol, on voit que la différence se fait essentiellement dans la fenêtre atmosphérique et à des longueurs d’onde où l’absorption par la vapeur d’eau est plus faible, ce qui rend “visible” des parties plus hautes et plus froides de l'atmosphère.

On note également le rayonnement redescendant de la couche d’ozone. Pour les zones où il y a une forte absorption par des gaz à effet de serre, l’émission de rayonnement par ces gaz permet à la surface de recevoir de l’énergie de l’atmosphère et donc d’être plus haute en température. Pour compléter notre compréhension de l’effet de serre, regardons le cas des nuages.

Si on ajoute un nuage à la situation précédente, ça peut beaucoup changer ces deux spectres. Mais tous les nuages n’ont pas le même effet en fonction de leur hauteur, de leur épaisseur et de leur nature: gouttelettes d’eau ou cristaux de glace. Je vais prendre un des cas les plus impressionnants: un nuage de 2 km d’épaisseur.

Depuis l’espace, on voit qu’il réduit les pertes d’énergie; essentiellement en venant boucher la fenêtre atmosphérique. Le rayonnement qui s’échappe ici vers l’espace n’est plus celui du sol mais celui émis par le nuage qui est plus bas en température à environ -23°C alors que le sol était à -1°C. Pour le rayonnement infrarouge redescendant, la différence est encore plus marquée.

En présence d’un nuage de ce type, il y a très peu de pertes. Le nuage rayonne vers le sol à toutes les longueurs d’onde et, s'il est suffisamment bas, permet de réchauffer considérablement la surface par rapport à une situation sans nuage. On peut facilement faire l’expérience de l’effet des nuages pendant la nuit.

Sans nuage, la température se réduit beaucoup plus rapidement que quand le ciel est couvert. C’est l’absence de vapeur d’eau et de nuages dans l’atmosphère qui fait que les déserts ont souvent des nuits très froides malgré des journées brûlantes. Si il est indéniable que les nuages participent à l’effet de serre, il faut se souvenir qu’il renvoie également une partie du rayonnement solaire vers l’espace ce qui refroidit la planète.

L’effet net des nuages est de refroidir la Terre. Si il n’y en avait plus, la Terre serait plus chaude qu’aujourd’hui. Mais, l’effet net d’un nuage peut être de réchauffer ou de refroidir suivant ces caractéristiques.

Pour aller vite, les nuages de basse altitude vont plutôt avoir un effet refroidissant, la réflexion du rayonnement solaire l’emporte sur l’effet de serre. Alors que les nuages de haute altitude ont plutôt un effet net réchauffant. Le rôle des nuages est compliqué parce qu’ils affectent en plusieurs endroits le bilan énergétique de la Terre mais c’est vrai pour d’autres éléments comme le rôle de l’eau dans le système climatique qui nous a occupé dans la vidéo précédente.

Pour finir, j'aimerais sortir de cette représentation moyenne ou de cas particuliers pour vous montrer l’ensemble de la Terre dans toute sa complexité, et sa beauté. Et ça je peux le faire grâce à Thomas Auriel et à un jeu de données du programme européen d’observation satellite Copernicus. Ce que vous voyez ici, c’est le rayonnement solaire reçu par la Terre.

Chaque image représente 1 heure. Le rayonnement solaire est centré sur l’équateur parce qu’on est à l’équinoxe. Si je vous montre la même chose mais autour du 21 juin, on voit que le rayonnement solaire reçu par l’hémisphère Nord est maintenant plus important.

Plutôt que le rayonnement solaire entrant, on peut regarder le rayonnement solaire nette. C’est-à-dire dont on a retiré le rayonnement solaire réfléchi. On voit bien l’action des nuages qui réfléchissent une partie du rayonnement solaire.

Représentons également le rayonnement infrarouge sortant. Vous voyez que ce rayonnement est beaucoup mieux réparti spatialement que le rayonnement solaire entrant. Même la nuit, la planète émet un rayonnement vers l’espace puisque sa température n’est pas nulle.

Bon, ça donne un peu le tourni alors regardons plutôt des moyennes journalières. Chaque image correspond maintenant à la moyenne sur une journée. On voit encore le ballet des nuages sur le rayonnement solaire net et sur le rayonnement infrarouge émis par la Terre.

Je peux aussi sommer ces deux rayonnements solaire. Maintenant, vous voyez en orange les zones de la Terre qui reçoivent, sur une journée, plus de rayonnement qu’elles en émettent et, en bleu, les zones qui émettent plus de rayonnement qu’elles en reçoivent. Si on laisse le film se dérouler, on voit l’alternance des saisons avec le maximum d’ensoleillement qui change régulièrement d’hémisphère.

Personnellement, je trouve que de pouvoir quantifier ce type de flux sur l’ensemble de la surface terrestre est très impressionnant et que ce film d’une partie du bilan énergétique est de toute beauté. Pour finir, on peut regarder ça en moyenne annuelle. On voit clairement que la zone tropicale reçoit, en général, plus d’énergie qu’elle en perd alors que les pôles perdent plus d’énergie qu’ils en reçoivent.

La machine climatique permet de transférer de l’énergie de l’équateur qui est bien illuminé par le Soleil vers les pôles. L’effet de serre permet d’homogénéiser la température sur la planète. Il réduit considérablement l’écart entre les latitudes mais également entre le jour et la nuit.

Sans lui, les variations de température sur Terre seraient beaucoup plus importantes. Cet effet d'homogénéisation par notre système climatique est fascinant mais on peut le rater si on se contente de regarder le bilan énergétique en termes de moyenne sur 1 m² comme on l’a majoritairement fait pendant cette vidéo. C’est aussi pour ça que je tenais à cette dernière partie.

Dans cette vidéo, j’ai essayé de vous présenter la physique qui explique la température moyenne de la surface de notre planète. Pour ça, on a fait le bilan énergétique de la Terre. On a vu que notre planète reçoit du rayonnement solaire qui est réfléchi à 29% vers l’espace.

La quantité restante vient réchauffer l’atmosphère et la surface. La surface terrestre perd de l’énergie par conduction, convection, évapotranspiration et rayonnement. Enfin, pour comprendre la température à la surface de notre planète, il faut considérer l’effet de serre.

L’effet de serre c’est l’effet sur le rayonnement infrarouge des nuages, des gaz à effet de serre et de certains aérosols qui absorbent des rayonnements infrarouges et en émettent à leur tour. La décroissance de la température avec l’altitude dans la basse atmosphère permet à cet effet de réduire considérablement les pertes par rayonnement de la surface terrestre et, donc, d’avoir une température moyenne à la surface de la Terre plus élevée que sans effet de serre. Honnêtement, expliquer l’effet de serre, est bien plus compliqué qu’on pourrait le croire.

La physique du climat, en général, n’est pas trivial. Mais, cette physique est bien comprise par les scientifiques même si accéder à cette compréhension demande des efforts considérables. Et encore, cette vidéo n’est pas exhaustive et apporte son lot de simplifications.

Mon but était, entre autres, que vous puissiez comprendre la définition que donne le GIEC de l’effet de serre. Je vous la laisse en description avec toutes mes sources. Personnellement je trouve la physique de l’effet de serre intéressante et ce point pourrait justifier, à lui seul, que je fasse une vidéo sur le sujet.

Mais, les notions introduites dans cette vidéo sont également indispensables pour comprendre certains aspects du changement climatique ou déconstruire certains arguments climato-sceptiques. Reste à savoir si ce format plaira suffisamment pour que je continue à développer du contenu similaire ou si ce que j’ai essayé de faire ici est trop complexe ou abstrait. Dans tous les cas ne vous inquiétez pas pour moi j’ai encore plein de vidéos à faire et je ne manque pas de sujets.

Voilà, j’espère que cette vidéo vous a plu et que vous la trouverez intéressante et utile. En fait, ça fait longtemps que j’avais envie de faire des vidéos comme celle-ci mais la complexité m’a un peu rebuté jusqu’ici. Si j’ai osé franchir le pas c’est parce que je pense que les supports graphiques rendent le contenu plus digeste.

Alors, j’espère que les belles animations d’Adrien vous ont facilité la compréhension. Aujourd’hui, si je peux payer un graphiste et me payer, c’est essentiellement grâce au financement participatif et donc grâce à ceux qui soutiennent financièrement la chaîne et que je remercie du fond du cœur. Vous vous en doutez mais cette vidéo m’a demandé un temps considérable.

Le financement participatif me permet de travailler en toute indépendance et de passer le temps que je juge nécessaire sur un sujet. Et je me rends bien compte que j’ai une chance incroyable de pouvoir travailler dans ces conditions. Beaucoup de personnes produisant de l’information ne peuvent pas le faire correctement à cause de contraintes de temps ou d’argent.

Je remercie également toutes les autres personnes qui m’aident à faire ces vidéos et notamment les relecteurs qui aident ce contenu à être plus juste et plus précis. Vous l’avez sûrement remarqué, j’ai un nouveau décor. Donc d’abord j’espère qu’il vous plait et d’ailleurs certains d’entre vous ont influencé le choix des photos sur twitter et après avoir déménagé deux fois en moins d’un an, j’espère garder celui-ci quelque temps et qu’il sera le cadre de nombreuses vidéos.

C’était Le Réveilleur et à bientôt sur le net ! D’ailleurs je fini toujours par à bientôt sur le net et il n’y a même pas une vidéo par mois on est à la limite de la publicité mensongère quand même.