4) Température d’équilibre d’une plaque au soleil

isolant

isolant

a) Prenons une plaque noire, posée sur un isolant de sorte qu’elle ne peut émettre du rayonnement que vers le haut. Plaçons cette plaque au soleil : parce qu’ elle est noire, elle absorbe le rayonnement solaire. Elle gagne de l’énergie.

b) Comme elle gagne de l’énergie sa température augmente. Comme sa température augmente, elle perd plus d’énergie en émettant plus de rayonnement infrarouge.

isolant

c) Finalement, elle atteint sa température d’équilibre lorsqu’elle perd autant d’énergie par émission de rayonnement infrarouge qu’elle en gagne par absorption de rayonnement solaire.

5) L’effet de serre

Isolant

Plaque

Vitre

a) Plaçons maintenant une vitre au-dessus de cette plaque au soleil. Cette vitre est parfaitement transparente au rayonnement solaire mais absorbe totalement le rayonnement infrarouge. L’absorption du rayonnement infrarouge émis par la plaque lui fait gagner de l’énergie, donc sa température s’élève.

b) Comme la température de la vitre augmente, elle émet plus de rayonnement infrarouge. Elle atteint sa température d’équilibre lorsque elle perd autant d’énergie qu’elle en reçoit. Dans le cas présent, elle perd son énergie en émettant la moitié du rayonnement vers le haut et la moitié vers le bas.

5) L’effet de serre (suite)

c) Le rayonnement infrarouge émis par la vitre vers le bas est absorbé par la plaque. Comme la plaque reçoit plus d’énergie, sa température augmente et donc émet davantage de rayonnement infrarouge jusqu’à ce qu’elle atteigne une nouvelle température d’équilibre.

d) Ce rayonnement supplémentaire émis par la plaque est de nouveau absorbé par la vitre dont la température augmente encore. La vitre émet plus de rayonnement infrarouge, moitié vers le haut, moitié vers le bas, jusqu’à ce qu’elle atteigne une nouvelle température d’équilibre.

5) L’effet de serre (suite)

e) Cet enchaînement se reproduit une infinité de fois, et au bout d’un temps assez long la plaque et la vitre atteignent chacune leur température d’équilibre finale.

Si on résume le déroulement précédent, on retient que placer une vitre au dessus d’une plaque au soleil a pour effet de « piéger » le rayonnement infrarouge émis par la plaque, et donc d’augmenter sa température.

Dans notre exemple, nous avons supposé qu’il n’y avait pas d’autre transfert d’énergie que ceux par rayonnement, ce qui est faux. Les échanges avec l’air en mouvement au-dessus de la plaque (phénomène de convection) sont très importants, et la présence de la vitre les modifie également. Néanmoins notre exemple reste tout à fait valable pour comprendre les mécanismes de l’effet de serre.

UN PEU D’HISTOIRE

A la fin du 18ème siècle H.B. Saussure a réalisé un dispositif expérimental composé de caisses de verre emboîtées les unes dans les autres. Le dispositif est très proche de l’exemple traité ici. Cette expérience de H.B. de Saussure est également reprise par Joseph Fourier en 1827 dans son «Mémoire sur les températures du globe Terrestre et des Espaces planétaires ». Ce mémoire est le premier à présenter le rôle du rayonnement infrarouge dans l’équilibre thermique de la Terre et de son atmosphère.

Ce n’est que plus tard que ce phénomène sera appelé « Effet de serre »

1) L’émission de rayonnement

a) Tout corps émet du rayonnement et perd de l’énergie

b) Plus la température du corps est élevée, plus l’énergie perdue est élevée.

3) Rayonnement visible et rayonnement infrarouge

a) Si la température de l’objet est très élevée (supérieure à environ 700°C), notre œil voit une partie du rayonnement émis par cet objet :

C’est le rayonnement visible

Soleil : T=6000 ° C

Lave de volcan T= 1000° C

Lampe à filament : T= 2500 °C

b) Si la température de l’objet est inférieure à 700°C , notre œil ne voit pas le rayonnement émis par l’objet :

C’est le rayonnement infrarouge

2) L’équilibre énergétique

a) Si un objet reçoit plus d’énergie qu’il n’en perd, sa température augmente jusqu’à ce qu’un équilibre soit atteint

b) L’équilibre est atteint lorsque l’énergie qu’il perd est compensée par l’énergie qu’il reçoit

a) Si un objet reçoit moins d’énergie qu’il n’en perd, sa température diminue.

b) L’équilibre est atteint lorsque l’énergie qu’il perd est égale à l’énergie qu’il reçoit.

I

II

Les mécanismes de l’effet de serre

Contact scientifique :

Jean-Louis Dufresne

dufresne@lmd.jussieu.fr

Réalisation du document : LMD / S.Jamili - 2005

Diapositive 1

Soumya Jamili

2004-08-23T12:58:54

gilbert