Basse Atmosphère

Bases

La lumière et l'effet de serre

Toute l'énergie de notre planète nous vient au départ du soleil. Qu'arrive-t-il à la lumière solaire qui atteint la Terre et à l'énergie que la Terre renvoie vers l'espace?

L'atmosphère terrestre n'est pas sans effet sur la lumière

On sait que l'air esr constitué de gaz. Il y a aussi des particules qui flottent dans l'air, et de l'eau, qui se trouve sous forme de vapeur ou de petites gouttelettes qui donnent des nuages. Pendant une tempête de sable, ou lorsque le ciel est gris et que des nuages remplissent le ciel, il y a moins de lumière que lorsque le ciel est clair. On peut donc facilement deviner que la quantité de lumière atteignant la surface est alors moindre. Cependant, les nuages ne sont pas les seuls à avoir un effet sur la lumière solaire: les gaz contenus dans l'air, bien qu'invisibles, modifient la lumière du soleil qui nous arrive.

Il y a un équilibre d'énergie

La chaleur et la lumière sont des énergies. Lorsque la lumière du soleil parvient sur Terre, elle réchauffe le sol; elle réchauffe l'eau des océans, elle réchauffe parfois tellement le sol qu'on ne peut pas marcher dessus pieds nus. La Terre ne peut pas conserver cette chaleur indéfiniment, donc cette énergie est renvoyée vers l'espace. L'énergie que renvoie la Terre n'est pas sous la même forme que celle que le soleil envoie: la lumière du soleil est sous forme de lumière visible 5VIS) et d'ultraviolets (UV). L'énergie que renvoie la Terre est invisible, ce sont des infrarouges (IR), c'est à dire de la chaleur.

• Il faut savoir quelque chose d'important :

Si la Terre ne renvoyait pas vers l'espace toute l'énergie que le soleil lui apporte, l'énergie s'accumulerait de plus en plus et la Terre serait de plus en plus chaude. Ce n'est pas le cas: l'énergie est en équilibre. Ceci signifie que la Terre renvoie toute l'énergie qu'elle reçoit, que l'apport du soleil est contrebalancé par les pertes de la Terre.
Sur l'image ci-dessous la lumière du soleil est schématisée en jaune et celle que la Terre renvoie est en rouge.

2. Qu'arrive-t-il aux rayons solaires? On le voit ici en 10 points:
(Auteur: Elmar Uherek)

Que se passe-t-il quand les rayons traversent l'atmosphère ?

Voyons d'abord ce que font les rayons du soleil:

(1) Le soleil est la source de tous les rayons et de toute l'énergie qui arrivent de l'espace vers la Terre.
(2) Une partie de la lumière solaire atteint la surface et ses différents paysages: forêts, océans, déserts, savanes, villes, glace et neige.
(3) La surface terrestre ne récupère pas toute la lumière, car elle en renvoie directement une certaine partie (c'est la réflexion). Les surfaces très brillantes comme la glace et la neige réfléchissent très bien.
(4) La surface de la Terre n'est pas seule à réfléchir les rayons; le haut des nuages renvoie aussi une partie de la lumière solaire vers l'espace. (5) Une partie de la lumière est conservée, cela s'appelle l'absorption. La Terre n'est pas la seule à absorber la lumière, les molécules de gaz et les particules dans l'air le font aussi.

La part de la lumière solaire qui arrive jusqu'à la surface (qui n'a donc été ni réfléchie, ni absorbée avant) réchauffe la Terre. La Terre renvoie cette chaleur, sous la forme de rayons infrarouges. Voyons maintenant ce qui arrive à ces rayons IR.

(6) La surface terrestre réchauffée est donc une source de rayons infrarouges
(7) Un peu de cette énergie sert à l'évaporation d'une partie de l'eau terrestre. Comme dans une bouilloire, il faut approrter de l'énergie pour transformer l'eau liquide (les océans par exemple) en eau sous forme gazeuse (la vapeur d'eau dans l'air).
(8) Une partie des rayons infrarouges repart directement vers l'espace. Mais pas beaucoup.
(9) Les nuages, qui renvoient de la lumière solaire vers l'espace, ne font pas que ça: ils absorbent aussi les rayons infrarouges de la Terre, et les redirigent vers la surface terrestre. Un ciel nuageux rendra la Terre plus chaude, comme une couverture. 
(10) Il y a aussi des particules et des gaz dans l'air, qui absorbent les rayons infrarouges. Ils s'appellent les gaz à effet de serre. Ils bloquent cette énergie près du sol.

Toutes ce interactions entre la lumière et l'atmosphère, les nuages, la surface, font le climat. Nous devons les connaître pour comprendre le fonctionnement du climat. Mais qu'est-ce que l'effet de serre plus exactement?

3. L'effet de serre - comparaison d'une serre et de la Terre !
 source originale: NOAA

Le rôle des gaz à effet de serre peut être comparé à celui des vitres d'une serre: les vitres laissent la lumière entrer, la lumière chauffe le sol et les plantes dans la serre. Ces derniers renvoient des rayons infrarouges, mais quand ces rayons tapent les vitres, ils ne les traversent pas aussi facilement que la lumière ne l'avait fait; ces rayons infrarouges sont absorbés et réémis par les vitres vers l'intérieur de la serre. C'est un peu différent pour la Terre car les vitres sont ici une vraie barrière solide, mais le principe est sensiblement le même: les gaz à effet de serre laissent la lumière du soleil pénétrer mais ne laissent pas sortir les rayons infrarouges qui sont de la chaleur.

A propos de cette page:

Auteur: Dr. Elmar Uherek - MPI for Chemistry, Mainz
relecteur scientifique: Dr. Pascal Guyon - MPI for Chemistry, Mainz
relecteur pédagogique: Roland Bergmann et ses élèves, Velbert comprehensive school
dernière version: 2004-05-13