On en parle beaucoup en ce moment, mais sa définition précise est mal connue et peu de gens seraient capables d’en donner une évaluation chiffrée. Je vais donc en donner un exposé succinct comprenant des calculs élémentaires que tout le monde devrait pouvoir comprendre. On verra d’abord que c’est un phénomène naturel, grâce auquel il règne des températures convenables sur Terre.

La seule énergie qui soit naturellement disponible sur Terre provient pratiquement du Soleil. L’intérieur de notre planète fournit également de l’énergie, mais en beaucoup plus faible quantité. Une surface d’un mètre carré placé hors de l’atmosphère, perpendiculaire aux rayons du Soleil, reçoit en moyenne 1368 watts sous forme de rayonnements électromagnétiques. Il y a essentiellement des rayons ultraviolets, de la lumière et des infrarouges. Ils ne se distinguent les uns des autres que par leur longueur d’onde. Ce nombre de 1361 W/m² est appelé la constante solaire. Elle varie légèrement selon un cycle de onze ans, mais seulement de 0,01 %. On remarque que cette énergie est abondante : la totalité de ce que la Terre reçoit représentait 13 000 fois la consommation mondiale d’électricité en 2016.

Une partie de cette énergie, soit 29,4 %, est directement renvoyée dans l’espace. On dit que l’albédo de la Terre, nombre compris entre 0 et 1, est de 0,294. Le reste est absorbé par la surface de notre planète, qui est donc chauffée à une certaine température. Comme celle-ci est globalement constante, cela implique que la Terre renvoie dans l’espace cette énergie absorbée. Elle le fait uniquement sous forme d’infrarouges, alors que l’énergie reçue du Soleil est à 50 % sous forme de lumière. Dans cette situation d’équilibre, la température de la Terre devrait être donnée par la loi de Stefan, énoncée en 1879. D’après celle-ci, la quantité d’énergie émise par unité de surface est égale à σT⁴, où T est la température et σ (sigma) est une constante égale à 5,67.10⁻⁸ W/m².K⁴. On exprime la température, non pas en degrés Celsius, mais en kelvins K. Le zéro absolu est à ‒273,15 °C ou à 0 K.

Si R est le rayon de la Terre, sa surface vaut 4πR². Elle rayonne donc une énergie de 4πR² × σT⁴ watts. Par hypothèse, celle-ci est égale à l’énergie reçue du Soleil. On obtient cette dernière en multipliant la constante solaire par la surface d’un disque de rayon R, soit πR², ainsi que par 1 ‒ 0,294, nombre qui représente la quantité d’énergie absorbée. L’équation exprimant que l’énergie reçue est égale à l’énergie renvoyée s’écrit ainsi :

1361 × πR² × ( 1 ‒ 0,294) = 4πR² × σT⁴.

Le membre de gauche donne l’énergie reçue par un disque de rayon R perpendiculaire au rayonnement solaire, qui est en fait répartie sur une sphère de rayon R, et le membre de droite donne l’énergie rayonnée par cette sphère. On obtient T = 255 K, ou encore T = ‒18 °C.

Même sachant que cette température est moyennée sur l’ensemble du globe, c’est trop froid ! La température moyenne observée est plutôt de +15 °C, ce qui permet aux océans de rester liquides.

La différence est encore plus flagrante avec Vénus, une planète qui ressemble à la Terre mais qui est plus proche du Soleil et dont l’atmosphère est beaucoup plus dense. Comme elle est entièrement couverte de nuages, elle renvoie 75 % de l’énergie reçue (2613,9 W/m²). Étant assez proche de la Terre, elle est de loin l’étoile la plus brillante du ciel. Ces caractéristiques devraient lui donner une température d’équilibre de ‒41,3 °C, or la température de surface mesurée est plutôt de +462 °C ! Il y fait plus chaud que sur Mercure, laquelle est pourtant plus proche du Soleil.

La planète Vénus photographiée en 1973 par la sonde Mariner 10

À quoi est-ce dû ? On pourrait penser au fait que lorsqu’un gaz est comprimé, il est chauffé. L’atmosphère de Vénus est très comprimée puisque sa pression au sol est de 93 bar. Le problème est que, puisque la surface de la planète est brûlante, elle doit rayonner de manière intense dans l’infrarouge. La loi de Stefan lui donne une puissance d’environ 16 000 W/m² (appelée sa radiance), très supérieure à la puissance du rayonnement solaire qui arrive à traverser les nuages. En réalité, la surface rayonne un peu moins, car elle n’est pas un « corps idéal » comme on l’a implicitement supposé jusqu’à présent – un corps noir dans le langage des physiciens. D’après la loi de Wien, le maximum d’émission se situe à 3,94 µm (micromètres), ce qui tombe dans l’infrarouge moyen.

L’explication est que ce rayonnement est partiellement absorbé par les molécules de CO₂ de l’atmosphère vénusienne, qui en comporte 96,5 %. Elle est opaque aux infrarouges dont la longueur d’onde est d’environ 2,6 et 4,1 µm, et surtout autour de 15 µm. Il en résulte que la surface ne peut pas se refroidir en renvoyant son excès d’énergie dans l’espace. Ce phénomène s’appelle l’effet de serre radiatif et a été pressenti en 1824 par Joseph Fourier, par analogie avec l’échauffement d’une serre sous le Soleil. On verra que son raisonnement était inexact, mais je vais continuer à parler de Vénus. C’est Carl Sagan qui a pour la première fois invoqué l’effet de serre, en 1960. Dans les années suivantes, des calculs ont été effectués par James Pollack. La démonstration finale a été publiée en 1980 avec Owen Boon et Robert Boese. La température de la basse atmosphère de Vénus était bien expliquée par l’effet de serre, compte tenu d’une proportion de vapeur d’eau de 0,006 % fournie par les sondes soviétiques Venera et de l’influence de la pression sur le CO₂. Les autres facteurs étaient les particules des nuages et le dioxyde de soufre SO₂.

La molécule de CO₂ est linéaire : l’atome de carbone se trouve entre les deux atomes d’oxygène, à distances égales. Elle possède des modes de vibration qui sont dictés par la mécanique quantique. Les trois atomes peuvent vibrer de manière à ce que leurs deux distances restent égales (élongation symétrique) ou varient (élongation antisymétrique). Ils peuvent aussi ne plus être alignés. C’est l’absorption et l’émission d’infrarouges qui fait passer ces molécules d’un état à un autre, mais les chocs entre les molécules jouent aussi. Les molécules triatomiques comme l’eau H₂O peuvent également absorber les infrarouges, ainsi que celles comportant un nombre supérieur d’atomes, tel que le méthane CH₄. En revanche, les molécules de diazote N₂ et de dioxygène O₂, qui composent la quasi-totalité de l’atmosphère terrestre, n’ont pas cette capacité de vibration et laissent donc passer les infrarouges. L’azote et l’oxygène ne sont pas des gaz à effet de serre. Sur la Terre, cette propriété est dévolue d’abord à la vapeur d’eau, ensuite au dioxyde de carbone. Celui-ci intercepte les infrarouges particulièrement autour de 15 µm, là où se situe le maximum d’émission thermique de la Terre.

Modes de vibration de la molécule de dioxyde de carbone. ENS Lyon.

L’effet de serre radiatif exact est difficile à calculer, mais on peut raisonner sur des modèles simplifiés qui sont d’assez bonnes approximations de la réalité. On considère par exemple que l’atmosphère terrestre est une vitre très fine qui absorbe tout le rayonnement infrarouge émis par la Terre. La puissance émise est appelée P. La vitre réémet l’énergie absorbée autant vers la Terre que vers l’espace. Cette quantité est notée W : il y a W watts réémis vers le bas et W watts réémis vers le haut. Pour que le système Terre-atmosphère soit à l’équilibre, il faut que la puissance reçue du Soleil et absorbée par la Terre, notée S, soit égale à celle renvoyée vers l’espace, qui est W. Cela s’écrit S = W, mais on sait que P = W + W = 2W (la puissance P émise par la Terre est scindée en deux parts W égales, vers le bas et vers le haut). On en déduit que P = 2S, or d’après la loi de Stefan, P = σT⁴ où T est la température de la Terre en présence de l’atmosphère. Si celle-ci n’était pas présente, sa température T₀ serait donnée par S = σ(T₀)⁴. L’équation P = 2S s’écrit par conséquent T⁴ = 2(T₀)⁴, ou encore T = 1,19 × T₀. On constate que la présence de l’atmosphère augmente la température de la Terre de 19 %. Puisque T₀ = 255 K, cela donne T = 303 K, soit 30 °C. Voilà qui est mieux !

Il est vrai que c’est trop chaud. Les simplifications qui ont été faites sont en cause. Par exemple, l’atmosphère n’absorbe pas tout le rayonnement infrarouge de la Terre, mais 90 %, et la surface de notre planète n’est pas un corps noir. Ce raisonnement permet néanmoins de comprendre comment l’effet de serre radiatif, dû à la présence d’une atmosphère, augmente la température d’équilibre d’une surface. Il est valable pour la Terre, dont l’atmosphère est très fine. Pour Vénus, on utilise un modèle à couches multiples afin d’exprimer le fait que les infrarouges sont absorbés puis réémis plusieurs fois avant de s’échapper dans l’espace.

Ce phénomène a été contesté. Il l’est toujours aujourd’hui, par quelques climato-sceptiques. La critique la plus pertinente est venue en 1909 de Robert Williams Wood. Il a démontré que l’échauffement des serres n’est pas dû au fait qu’elles sont construites en verre. Ce matériau a la propriété de laisser passer la lumière mais d’absorber les infrarouges. Wood a construit une serre en halite, c’est-à-dire en sel gemme, et a observé que l’échauffement se faisait comme dans une serre en verre, or la halite est transparente aux infrarouges. Ce ne sont donc pas les phénomènes radiatifs qui expliquent la température des serres, mais le confinement de l’air. Il est par conséquent fautif de parler d’effet de serre pour l’atmosphère de la Terre ou de Vénus. Afin de corriger cette erreur, on ajoute parfois l’adjectif « radiatif ».

Voir Le bilan radiatif de la Terre