(S-1) Les rayons du soleil et la Terre

Le soleil est le plus brillant et le plus familier des objets du ciel. Sans lui, La vie serait impossible sur Terre.

• Nos aliments n'existent que parce que la lumière du soleil atteint les plantes vertes. Le pétrole que nous consommons est issu de ces plantes ou fut accumulé par elles, il y a bien longtemps (Sous forme de charbon, d'huile ou de gaz naturel).

• La Terre ne fut probablement pas prête d'emblée à accueillir la vie. L'eau liquide est absolument nécessaire à la vie, comme nous la connaissons, et la Terre est la seule planète qui en possède : Sans le soleil, la terre ne serait qu'un rocher glacé dans l'espace. Dans notre système solaire, actuellement, il n'y a probablement que la terre pour abriter la vie : il n'y a pas d'eau sur Vénus ou Mercure, elle s'est vaporisée, et un peu sur Mars ou les planètes plus lointaines, mais sous forme de glace.

Tous les substances chaudes émettent des radiations lumineuses,soit visibles soit hors du spectre de l'arc-en-ciel, dans l'infrarouge (I R : "sous" le rouge) et ultraviolet (UV : "au dessus" du violet")... . C'est par cette irradiation (dénommée en science physique " radiation du corps noir", l'irradiation d'un corps sans couleur ) qu' une pièce de fer chauffée au rouge, ou le filament d'une ampoule électrique, produisent de la lumière. Plus l'objet est chaud, plus il est lumineux, et sa couleur est déterminée pour toutes les radiations au delà du rouge. Inversement, la couleur d'un objet chaud (s'il il est dense) nous renseigne sur sa température. Dans le cas du soleil, la couleur de la photoshère indique une température de 5780 degrés Kelvin (ou en degrés Celsius, mesurés à partir du zéro absolu, environ 5500 degrés Celsius)

Réchauffement de la terre

Mais, songez que si toute la chaleur de la Terre était effectivement renvoyée (en négligeant la chaleur de production interne) une température correcte ne pourrait se maintenir. Et d'ailleurs, seule la température moyenne est correcte. Finalement, le sol n'est réchauffé que pendant la journée mais les radiations sont renvoyées nuit et jour, surtout la nuit, quand l'énergie ne peut que partir, si bien que les nuits sont plus froides.

"L' effet de serre"

• Les nuages réfléchissent une partie de la lumière solaire avant qu'elle n'atteigne le sol, ce qui, ralentit le réchauffement de celui ci.

• L'atmosphère absorbe les infrarouges (IR) émis par le sol : cela diminue la déperdition de chaleur vers l'espace et maintient la chaleur du sol.

• L'air peut se mobiliser et donc apporter ainsi de la chaleur d'une région vers une autre. C'est la cause des variations du temps, la météo.

    Le troisième effet sera présenté plus loin. C'est un vaste sujet, qui comprend aussi le rôle de la vapeur d'eau, à l'origine de la pluie, des ouragans et d'autres phénomènes intéressants : deux sections supplémentaires lui sont dévolues. Voir ici.

    On peut comparer le deuxième effet ( celui qui nous garde au chaud), plus important que le premier (qui réduit l'apport de chaleur), à celui d'une couverture : l'atmosphère contribue à maintenir la chaleur de la terre, qui devrait se refroidir. C'est "l'effet de serre," semblable à celui des serres "auto-chauffées" utilisées en climat froid pour cultiver les légumes. Une serre est close et recouverte de vitres : la lumière du soleil peut pénétrer mais les IR émis en retour par la terre sont retenus, et la serre est ainsi maintenue au chaud.

Dans l'atmosphère, les principaux obstacles des IR ne sont pas les constituants principaux de l'air, comme l'azote ou l'oxygène, mais un ensemble minoritaire de "gaz de serre" Les plus éfficaces sont la vapeur d'eau (H₂O), le dioxide de carbone (CO₂) et le méthane (CH₄).

    L' ozone, une autre molécule, joue un rôle important, bien qu'elle ne soit présente qu'en petites quantités. C'est une variante de la molécule d'oxygène : O₃, au lieu du classique O₂. Elle est synthétisée en altitude élevée par l'effet de la lumière du soleil sur l'oxygène "ordinaire". Elle est surtout concentrée vers les 25 kilomètres. C'est aussi un des gaz de serre, mais important, puisqu'il absorbe le rayonnement (UV) ultraviolet du soleil, responsable de brûlures cutanées et d'atteintes des yeux . L'ozone trouvé près de la terre et qui a sa part dans la pollution atmosphérique urbaine est d'origine tout à fait différente.

Le chlore conduit à la destruction de l'ozone dans les hautes altitudes. On a récemment attiré l'attention sur le chlore incorporé dans les gaz réfrigérants, jusqu'ici utilisés dans les climatiseurs, les réfrigérateurs, les flacons d'aérosol et quelques autres applications industrielles. Ces gaz sont très, très stables, et peuvent persister dans l'atmosphère pendant des années. Malheureusement, leurs molécules pénètrent tôt ou tard dans la stratosphère, où lumière ultraviolette du soleil est capable de les détruire et de libérer leur chlore. L'utilisation de ces gaz est maintenant abandonnée en raison de la détérioration qu'ils provoquent dans la couche d'ozone.

L'effet de serre maintient la terre à des températures confortables pour la vie, mais en équilibre précaire. Depuis la dernière moitié du siècle, la teneur atmosphérique en CO₂ a nettement augmenté en raison de la consommation des combustibles fossiles -- charbon et pétrole --. La température moyenne de la terre s'est aussi élevée, et on pense que les deux phénomènes sont liés.

En savoir plus:

   Site sur la répartition des radiations térrestres ( radiation balance), avec différents sous dossiers .
   Site sur l'économie globale de l'énergie solaire ( global solar heat budget).
   Même sujet, (dans un cadre universitaire ).

Un ouragan vu de l'espace

En s'élevant, l'air se dilate : l'expansion d'un gaz le refroidit. ( Les sommets des montagnes sont donc plus frais). Finalement, la couche d'air atteint une altitude où n'est plus assez dense pour retenir le rayonnement IR dans sa route vers l'espace. L'air continue alors à rayonner et se refroidit. Il s'arrête dans une couche relativement stable de l'atmosphère, la stratosphère. En y accédant, les UV sont absorbés par l'ozone, ce qui réchauffe un peu l'air et contribue à sa stabilité.

A la limite inférieure de la stratosphère ("tropopause"), l'air refroidi est refoulé vers le bas par les courant plus chaud qui arrivent du dessous. Cela aboutit à une circulation alternative de l'air : courants montants et chauds, ou descendants et froids. Ces mouvements constituent la convection. Elle est d' ailleurs analogue à celle qui se produit dans les maisons quand il fait froid en hiver : au niveau des fenêtres mal isolées l'air, froid, descend (on le repère à la flamme d'une bougie - attention avec le feu !), tandis que l'air à l'intérieur de la salle s'élève. Cette zone siège de la convection et de la météo,et située entre terre et stratosphère, est dénommée troposphère.

Le rayonnement solaire déclenche également l'évaporation de l'eau -- des océans, des lacs, des fleuves et des plantes vertes. La transformation de l'eau liquide en vapeur emporte de l'énergie, et il y a donc plus d'énergie dans l'air humidifié que dans l'air sec.

La capacité de l'air à retenir la vapeur d'eau est en relation étroite avec la température, et diminue pour l'air froid ( comme pour le sucre, qui est moins soluble dans l'eau froide). En s'élevant, l'air chaud et humide se dilate et se refroidit, et élimine le surplus de l'eau qu'il gardait auparavant. : il forme d' abord de minuscules gouttelettes dans les nuages, puis, si le refroidissement est plus important, des gouttes de pluie.

A proximité, le restant de l'air est plus sec et plus chaud --Les alentours se réchauffent en récupérant l'énergie de transformation de la vapeur d'eau en liquide, et rayonnent à leur tour leur chaleur dans l'espace. C'est pourquoi l'eau, les nuages et la pluie jouent un rôle important dans le renvoi de la chaleur solaire de la terre vers l'espace et sont à prendre en compte dans les modèles complexes du temps et du climat.

En savoir plus

   Intéressant pour les historiens amateurs l'article original de 1896 dans lequel Svante Arrhenius introduit l'effet de serre . Notez que l'anhydride carbonique était alors appelé "acide carbonique."

          Avant de publier son article, Arrhenius mis un an pour calculer les effets prévisibles d'une augmentation de l' anhydride carbonique. Cette histoire est racontée dans "Land of the Midnight Suns" de Fred Pearce, p. 50-51 dans New Scientist, 25 January 2003.  Deux livres récents présentent également l'histoire de l'effet de serre :

• Greenhouse: The 200-Year Story of Global Warming,
      de Gale E. Christianson, Constable/Walker 1999
  
• Historical Perspectives on Climate Change,
      de James Rodger Fleming, Oxford Univ. Press, 1998.
  Les deux livres ont été analysés par Robert J. Charlson dans Nature, vol 401, p. 741, 21 October 1999.