Planète

Notre atmosphère et l'absorption du rayonnement infrarouge

Dossier - Tout savoir sur l'effet de serre
DossierClassé sous :climatologie , changement climatique , gaz à effet de serre

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Quelles sont les causes de l’effet de serre ? Pourquoi s’agit-il d’un phénomène naturel ? Quel est le rôle de l’activité humaine dans l’augmentation des gaz à effet de serre et quelles sont les conséquences pour la planète ? Pour tout comprendre de l’effet de serre, plongez dans ce dossier au cœur de l’atmosphère terrestre.

  
DossiersTout savoir sur l'effet de serre
 
L'atmosphère, ce n'est pas une simple couche de verre qui entourerait la planète sans la toucher et qui serait opaque au rayonnement infrarouge. Quelles sont donc les différences avec l'analogie très simple de la serre et qu'est ce que cela implique ?

Niveau intermédiaire

Du point de vue des échanges d'énergie de la planète, la différence essentielle réside dans le fait que l'atmosphère est composée de gaz qui absorbent et émettent le rayonnement de façon sélective à des longueurs d'onde bien précises alors que le verre est complètement opaque au rayonnement infrarouge.

L'absorption du rayonnement infrarouge par le gaz

L'atmosphère n'est pas un absorbant aussi efficace que ne l'est le verre. Ce sont les gaz dont les molécules comportent au moins trois atomes qui ont la propriété d'absorber le rayonnement infrarouge mais ils le font de façon sélective. L'atmosphère n'est donc pas totalement opaque. C'est la première grosse différence avec le verre. La deuxième, c'est que l'air peut bouger et transporter de la chaleur depuis la surface vers le haut, c'est la convection.

Ce dernier croissant de lune et la ligne mince de l'atmosphère de la Terre sont photographiés par un membre de l'équipage Expedition 24 de la Station spatiale internationale au-dessus de l'Asie centrale. © Nasa

Si l'atmosphère était complètement transparente, un spectroradiomètre embarqué sur un satellite observerait l'émission de la surface dont la dépendance spectrale serait exactement celle d'un corps noir et correspondrait donc à la fonction de Planck. Comme on l'a vu page 4, cette température serait proche de 260 K.

Dépendance spectrale du rayonnement sortant à la verticale au sommet de l'atmosphère (partie supérieure) et transmission de l'atmosphère (partie inférieure). © http://climatephys.org/, DR

Températures de l'atmosphère et température de brillance

Sur la figure ci-dessus, en restant sur cette hypothèse d'une atmosphère transparente, on observerait donc la courbe régulière marquée 260 K (sur l'image du haut). Avec une atmosphère réellement équivalente à une couche de verre, on observerait la même courbe puisque ce serait la couche de verre qui serait à cette température. En réalité, on obtient une courbe plus complexe, comme si la température de la couche de verre équivalente variait en fonction de la longueur d'onde.

En fait, c'est bien cela qui se passe : vers 10 micromètres (µm) par exemple, les photons qui atteignent l'instrument proviennent essentiellement de la surface dont la température est ici  voisine de 290 K, vers 7 µm ils proviennent d'une altitude où la température est voisine de 260 K, dans la bande d'absorption du CO2, vers 15 µm, ils proviennent de niveaux plus froids encore et donc plus élevés. Ce sont ces températures qu'on appelle les températures de brillance.

La fenêtre atmosphérique

Vers 10 µm, la transmission de l'atmosphère est importante, voisine ici de 90 %. C'est la région de « la fenêtre atmosphérique ». cette région permet de mesurer la température de la surface depuis satellite. Vers 15 µm, au contraire, aucun photon ne peut traverser toute l'atmosphère sans être absorbé. Ceux que l'on observe proviennent donc d'altitudes plus élevées. En fait dans les régions de très forte absorption, ils proviennent de la stratosphère. C'est ainsi qu'on peut déterminer le profil de température de l'atmosphère depuis un satellite. Cette méthode est utilisée quotidiennement, des milliers de fois par jour et a permis d'améliorer considérablement les prévisions météorologiques.

Dépendance spectrale de la température déterminée par un spectroradiomètre depuis l'espace (courbe rouge, instrument IASI) et depuis la surface (courbe bleue). © YONGXIAO JIAN, DP

L'interféromètre IASI et ses mesures

La figure ci-dessus présente un enregistrement des températures de brillance mesurées par l'interféromètre IASI (en rouge) au dessus du Nevada. (C'est un instrument embarqué à bord du satellite Metop et qui sert à mesurer le profil de température et la concentration de différents gaz).

MetOp-A est une famille de trois satellites météorologiques de l'Esa et Eumetsat. © Esa, Eumetsat, CC by-nc 2.0

La courbe en bleu représente l'enregistrement d'un appareil similaire au sol (ASSIST) et qui visait donc le zénith

  • On notera les températures très froides mesurées par IASI vers 14 à 15 µm : à ces longueurs d'onde, le CO2 absorbe très fortement et les photons sortant proviennent de la stratosphère alors qu'au contraire l'instrument au sol mesure des température très élevées qui correspondent à son environnement immédiat.
  • La situation s'inverse autour de 10 µm où la transparence de l'atmosphère permet de « voir » la surface depuis IASI. Depuis la surface, on « voit » l'espace en quelque sorte et le rayonnement mesuré  est inférieur à ce qui proviendrait même des couches les plus froides car elles ne sont pas assez opaques.