{"id":4041,"date":"2023-08-25T19:37:22","date_gmt":"2023-08-25T17:37:22","guid":{"rendered":"https:\/\/www.pedagogie.ac-nice.fr\/svt\/?p=4041"},"modified":"2023-08-25T20:31:11","modified_gmt":"2023-08-25T18:31:11","slug":"une-autre-facon-de-schematiser-leffet-de-serre","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.pedagogie.ac-nice.fr\/svt\/?p=4041","title":{"rendered":"Une autre fa\u00e7on de sch\u00e9matiser l’effet de serre"},"content":{"rendered":"

par Julien Cartier, professeur de SVT au lyc\u00e9e Carnot de Cannes<\/em><\/p>\n

Cet article pr\u00e9sente une sch\u00e9matisation de l\u2019effet de serre, accessible aux \u00e9l\u00e8ves de coll\u00e8ge comme de lyc\u00e9e, qui permet de simplifier l\u2019explicitation du ph\u00e9nom\u00e8ne tout en insistant sur le pi\u00e9geage de chaleur.<\/p>\n

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  1. Les sch\u00e9matisations les plus courantes<\/strong><\/li>\n<\/ol>\n

    Il suffit de taper \u00ab\u00a0sch\u00e9ma effet serre\u00a0\u00bb dans un moteur de recherche internet pour observer un grand nombre de sch\u00e9matisations de ce ph\u00e9nom\u00e8ne. L\u2019une des plus courantes ressemble \u00e0 ceci\u00a0:<\/p>\n

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    Sur ce sch\u00e9ma le rayonnement solaire incident subit deux r\u00e9flexions\u00a0: la premi\u00e8re au sommet de l\u2019atmosph\u00e8re \u2460 et la seconde lorsqu\u2019il atteint le sol \u2461. Le rayonnement infrarouge se trouve lui aussi partiellement r\u00e9fl\u00e9chi sur le sommet de l\u2019atmosph\u00e8re \u2462 et c\u2019est cette r\u00e9flexion qui repr\u00e9sente ici le ph\u00e9nom\u00e8ne d\u2019effet de serre.<\/p>\n

    Malheureusement, ce sch\u00e9ma est fondamentalement faux. Il ne s\u2019agit pas seulement d\u2019une imperfection li\u00e9e \u00e0 la simplification inh\u00e9rente au processus de sch\u00e9matisation. Non, ici l\u2019erreur r\u00e9side dans la r\u00e9duction de l\u2019atmosph\u00e8re \u00e0 son sommet, sorte de couvercle sur lequel se r\u00e9fl\u00e9chissent \u00e0 la fois le rayonnement solaire incident et le rayonnement infrarouge. Ce choix graphique s\u2019explique ais\u00e9ment\u00a0: l\u2019effet de serre \u00e9tant fr\u00e9quemment compar\u00e9 aux ph\u00e9nom\u00e8nes responsables de la pr\u00e9sence d\u2019un air chaud dans une serre agricole, le \u00ab\u00a0couvercle\u00a0\u00bb transforme l\u2019atmosph\u00e8re terrestre en une sorte de gigantesque serre.<\/p>\n

    Or, cela pose plusieurs probl\u00e8mes. Tout d\u2019abord la localisation du ph\u00e9nom\u00e8ne d\u2019effet de serre est inexacte puisque les gaz qui en sont responsables ne se trouvent pas au sommet de l\u2019atmosph\u00e8re. Ensuite,\u00a0 les gaz en question n\u2019\u00e9tant pas repr\u00e9sent\u00e9s un \u00e9l\u00e8ve pourrait en d\u00e9duire que l\u2019effet de serre r\u00e9sulte r\u00e9ellement d\u2019une sorte de r\u00e9flexion des infrarouges sur le sommet de l\u2019atmosph\u00e8re. Enfin,\u00a0 cette image conforte involontairement une repr\u00e9sentation initiale tr\u00e8s commune\u00a0: celle d\u2019une couche d\u2019ozone responsable de l\u2019effet de serre*.<\/p>\n

    * La faute \u00e0 un raisonnement en apparence logique\u00a0: puisque la couche d\u2019ozone prot\u00e8ge contre les ultraviolets qui provoquent des coups de soleil et que la surface de la peau affect\u00e9e par un coup de soleil est g\u00e9n\u00e9ralement\u00a0 br\u00fblante, on en d\u00e9duit que la couche d\u2019ozone arr\u00eate des rayonnements chauds (les ultraviolets \u00e9tant alors confondus avec les infrarouges). Le trou dans la couche d\u2019ozone d\u2019origine anthropique laisserait donc passer ces rayons chauds ce qui expliquerait le r\u00e9chauffement climatique. Bien \u00e9videmment ce raisonnement est inexact\u00a0: d\u2019une part les ultraviolets sont relativement peu calorifiques, et d\u2019autre part le trou dans la couche d\u2019ozone, outre son caract\u00e8re saisonnier, surplombe l\u2019une des r\u00e9gions terrestres qui se r\u00e9chauffe le moins (sans compter que le trou en question est apparu bien apr\u00e8s le d\u00e9but du r\u00e9chauffement climatique). \u00a0<\/em><\/p>\n

    Une autre sch\u00e9matisation tout aussi courante \u00e9chappe \u00e0 ces ambig\u00fcit\u00e9s en figurant toute l\u2019\u00e9paisseur de l\u2019atmosph\u00e8re, en attribuant la r\u00e9flexion atmosph\u00e9rique du rayonnement solaire aux nuages (ce qui n\u2019est que partiellement exact, mais c\u2019est le propre d\u2019un sch\u00e9ma) et en situant la r\u00e9flexion des infrarouges responsable de l\u2019effet de serre \u00e0 l\u2019int\u00e9rieur de l\u2019atmosph\u00e8re\u00a0:<\/p>\n

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    Le probl\u00e8me de ce sch\u00e9ma c\u2019est qu\u2019il n\u2019est pas \u00e9quilibr\u00e9\u00a0: la quantit\u00e9 cumul\u00e9e de rayonnements (\u2461 + \u2462 + \u2463) \u00e9mise dans l\u2019espace n\u2019est pas \u00e9gale \u00e0 la quantit\u00e9 d\u2019\u00e9nergie re\u00e7ue par la Terre (\u2460).La faute \u00e0 la fraction de rayonnement infrarouge (\u2464) renvoy\u00e9 vers le sol par les gaz \u00e0 effet de serre (GES) et qui manque \u00e0 l\u2019\u00e9quilibre g\u00e9n\u00e9ral.<\/p>\n

    En r\u00e9alit\u00e9, les infrarouges r\u00e9\u00e9mis par les GES r\u00e9chauffent \u00e0 leur tour la surface terrestre qui r\u00e9agit en \u00e9mettant de nouveau des infrarouges, de sorte qu\u2019in fine<\/em> le syst\u00e8me se trouve bien \u00e0 l\u2019\u00e9quilibre. Et c\u2019est heureux parce qu\u2019un objet qui re\u00e7oit davantage de chaleur qu\u2019il n\u2019en perd se r\u00e9chauffe continuellement.<\/p>\n

    Voil\u00e0 sans doute pourquoi on trouve fr\u00e9quemment une troisi\u00e8me sch\u00e9matisation de l\u2019effet de serre dans laquelle le rayonnement infrarouge r\u00e9\u00e9mis par les GES semble faire une s\u00e9rie de ricochets \u00e0 l\u2019int\u00e9rieur de l\u2019atmosph\u00e8re\u00a0:<\/p>\n

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    Le principe du ph\u00e9nom\u00e8ne est assez simple\u00a0: chaque rayonnement infrarouge \u00e9mis par la surface s\u2019\u00e9chappe en partie dans l\u2019espace, tandis que l\u2019autre partie se trouve r\u00e9\u00e9mise vers le sol par les GES. La fraction qui retourne sur la surface terrestre provoque un \u00e9chauffement responsable d\u2019une nouvelle \u00e9mission d\u2019infrarouges, d\u2019une valeur inf\u00e9rieure \u00e0 la pr\u00e9c\u00e9dente. La quantit\u00e9 d\u2019infrarouges circulant dans l\u2019atmosph\u00e8re diminue ainsi progressivement\u00a0jusqu\u2019\u00e0 devenir nulle.<\/p>\n

    Cependant, si le principe est simple, la sch\u00e9matisation pose quelques difficult\u00e9s. Car pour \u00eatre exact cette image doit respecter les diff\u00e9rences de taille entre chaque fl\u00e8che, la localisation pr\u00e9cise des r\u00e9flexions ou r\u00e9\u00e9missions et bien s\u00fbr la distinction entre le rayonnement solaire et le rayonnement infrarouge. A priori cela n\u2019a rien de tr\u00e8s compliqu\u00e9, mais la pratique r\u00e9v\u00e8le que de nombreux \u00e9l\u00e8ves peinent \u00e0 reproduire correctement ce sch\u00e9ma. Sans compter ceux qui se demandent combien de fois le rayonnement infrarouge \u00ab\u00a0rebondit\u00a0\u00bb avant de s\u2019annuler.<\/p>\n

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    1. Un peu de thermodynamique \u00e9l\u00e9mentaire <\/strong><\/li>\n<\/ol>\n

      Pour commencer il convient de pr\u00e9senter quelques rappels de thermodynamique aux \u00e9l\u00e8ves. Des rappels qui pourront sembler triviaux, mais qui conditionnent\u00a0 la bonne compr\u00e9hension de la sch\u00e9matisation ult\u00e9rieure.<\/p>\n

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      Une plan\u00e8te A qui ne recevrait aucun rayonnement thermique et ne perdrait aucune quantit\u00e9 de chaleur, serait \u00e0 l\u2019\u00e9quilibre thermique\u00a0: sa temp\u00e9rature serait invariable et \u00e9gale \u00e0 la valeur du z\u00e9ro absolu. Une plan\u00e8te B qui gagnerait de la chaleur sans en perdre verrait sa temp\u00e9rature augmenter en permanence, ce qui est bien \u00e9videmment impossible. Une plan\u00e8te C qui perdrait de la chaleur sans en gagner verrait elle sa temp\u00e9rature diminuer en permanence jusqu\u2019\u00e0 atteindre le z\u00e9ro absolu. Enfin, une plan\u00e8te D qui perdrait autant de chaleur qu\u2019elle n\u2019en re\u00e7oit serait \u00e0 l\u2019\u00e9quilibre thermique\u00a0: sa temp\u00e9rature serait invariable et \u00e9gale \u00e0 une valeur d\u00e9termin\u00e9e par la quantit\u00e9 de chaleur re\u00e7ue.<\/p>\n

      Par exemple, dans l\u2019image ci-dessous, la plan\u00e8te E et la plan\u00e8te F sont toutes les deux \u00e0 l\u2019\u00e9quilibre thermique\u00a0: leur temp\u00e9rature ne varie pas. Mais, la temp\u00e9rature moyenne de surface de la plan\u00e8te E est sup\u00e9rieure \u00e0 celle de la plan\u00e8te F parce que la premi\u00e8re re\u00e7oit et r\u00e9\u00e9met davantage de chaleur que la seconde.<\/p>\n

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      Enfin, une plan\u00e8te G qui perdrait moins de chaleur qu\u2019elle n\u2019en re\u00e7oit subirait un r\u00e9chauffement. Tandis qu\u2019une plan\u00e8te F qui perdrait davantage de chaleur qu\u2019elle n\u2019en re\u00e7oit conna\u00eetrait un refroidissement.<\/p>\n

      Bien \u00e9videmment, tout cela est extr\u00eamement simplifi\u00e9. On n\u00e9glige par exemple les ph\u00e9nom\u00e8nes de r\u00e9flexion du rayonnement incident, le flux de chaleur interne de la plan\u00e8te ou encore les variations latitudinales et saisonni\u00e8res de la temp\u00e9rature de surface.<\/p>\n

      Si l\u2019on tient au moins compte de la r\u00e9flexion d\u2019une fraction du rayonnement solaire incident lorsqu\u2019il parvient au sol, ph\u00e9nom\u00e8ne indispensable pour traiter ult\u00e9rieurement la notion d\u2019alb\u00e9do, on obtient ceci\u00a0:<\/p>\n

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      La quantit\u00e9 d\u2019\u00e9nergie thermique absorb\u00e9e par la surface, c\u2019est-\u00e0-dire la part du rayonnement incident qui n\u2019a pas \u00e9t\u00e9 r\u00e9fl\u00e9chie, est \u00e9gale \u00e0 la quantit\u00e9 d\u2019\u00e9nergie thermique \u00e9mise par cette m\u00eame surface sous forme d\u2019infrarouges. Par cons\u00e9quent, la quantit\u00e9 d\u2019\u00e9nergie re\u00e7ue par le syst\u00e8me (le rayonnement incident) est \u00e9gale \u00e0 la quantit\u00e9 d\u2019\u00e9nergie perdue par ce m\u00eame syst\u00e8me en additionnant le rayonnement solaire r\u00e9fl\u00e9chi et le rayonnement infrarouge.<\/p>\n

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      1. Proposition d\u2019une mod\u00e9lisation alternative<\/strong><\/li>\n<\/ol>\n

        En supposant que la quantit\u00e9 d\u2019\u00e9nergie thermique dans le rayonnement solaire incident soit proportionnelle \u00e0 la distance entre la plan\u00e8te et le Soleil, on devrait trouver approximativement la m\u00eame temp\u00e9rature moyenne \u00e0 la surface de la Terre et de la Lune puisque ces deux astres sont situ\u00e9s \u00e0 la m\u00eame distance du Soleil. Or, ce n\u2019est pas le cas : la temp\u00e9rature moyenne \u00e0 la surface de la Lune avoisine -20\u00b0C tandis que la temp\u00e9rature moyenne \u00e0 la surface de la Terre est proche de +15\u00b0C.<\/p>\n

        De nombreuses diff\u00e9rences pourraient expliquer cet \u00e9cart\u00a0de 35\u00b0C : le fort alb\u00e9do de la Lune en raison de la blancheur de sa surface, le fort flux g\u00e9othermique de la Terre du fait de sa plus grande taille, la pr\u00e9sence d\u2019une atmosph\u00e8re autour du seul globe terrestre. Nous savons que c\u2019est essentiellement ce dernier param\u00e8tre qui explique la diff\u00e9rence entre les temp\u00e9ratures moyennes de surface de la Terre et de la Lune.<\/p>\n

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        Remarquons tout d\u2019abord que la pr\u00e9sence d\u2019une atmosph\u00e8re ne change rien \u00e0 l\u2019\u00e9quilibre thermique \u00e9voqu\u00e9 pr\u00e9c\u00e9demment\u00a0: la temp\u00e9rature moyenne \u00e0 la surface de la Terre est certes sup\u00e9rieure \u00e0 celle \u00e0 la surface de la Lune, mais l\u2019une comme l\u2019autre sont invariables. Par cons\u00e9quent, la Terre re\u00e7oit autant d\u2019\u00e9nergie thermique qu\u2019elle n\u2019en perd (si l\u2019on n\u00e9glige le flux g\u00e9othermique).<\/p>\n

        Mais, l\u2019atmosph\u00e8re terrestre renferme des GES\u00a0:<\/p>\n

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        Et ces GES ont la propri\u00e9t\u00e9 d\u2019absorber et de r\u00e9\u00e9mettre une partie des infrarouges \u00e9mis par la surface. Autrement dit – et l\u2019expression est importante – les GES pi\u00e8gent dans l\u2019atmosph\u00e8re une certaine quantit\u00e9 d\u2019infrarouges. Et comme les infrarouges repr\u00e9sentent de la chaleur, on peut \u00e9crire que les GES pi\u00e8gent dans l\u2019atmosph\u00e8re une certaine quantit\u00e9 de chaleur.<\/p>\n

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        Dans ce sch\u00e9ma les deux petites fl\u00e8ches rouges situ\u00e9es sur la droite (cercle en pointill\u00e9s ci-dessous) repr\u00e9sentent l\u2019effet de serre. Elles correspondent \u00e0 ces infrarouges constamment pi\u00e9g\u00e9s dans l\u2019atmosph\u00e8re par les GES\u00a0:<\/p>\n

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        Le syst\u00e8me terrestre reste bien \u00e0 l\u2019\u00e9quilibre thermique puisque la surface continue de recevoir autant d\u2019\u00e9nergie thermique qu\u2019elle n\u2019en perd. Mais, dans cette situation, la surface terrestre re\u00e7oit bien davantage d\u2019\u00e9nergie thermique que la surface lunaire, ce qui explique l\u2019\u00e9cart entre les temp\u00e9ratures moyennes de surface des deux astres.<\/p>\n

        Cette sch\u00e9matisation pr\u00e9sente de nombreux avantages\u00a0:<\/p>\n