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Le second principe de la thermodynamique et l'effet de serre

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.

  
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Il y a beaucoup de confusion quant au rôle précis de l'effet de serre. On a vu qu'il contribuait à isoler thermiquement la planète, or c'est l'atmosphère qui est responsable de l'effet de serre, de là à en déduire que l'atmosphère chauffe la surface, il n'y a qu'un pas et une grosse erreur puisque cela reviendrait à assimiler, par exemple, la laine de verre et le chauffage ! En réalité, l'atmosphère est régie par « le second principe de la thermodynamique » encore appelé principe de Carnot.

Niveau intermédiaire

Le second principe de la thermodynamique est un principe d'évolution selon lequel la variation totale d'entropie d'un système (c'est-à-dire la grandeur caractérisant le désordre d'un système) est toujours positive et tend vers zéro pour des transformations tendant vers la réversibilité.

Certains ont argué que l'effet de serre contredisait le second principe de la thermodynamique parce que « l'atmosphère, qui est plus froide, ne peut pas chauffer la surface qui est plus chaude ». Ce serait vrai si il n'y avait que des échanges radiatifs... mais ce n'est pas le cas. L'atmosphère est en mouvement et transporte la chaleur depuis la surface par convection.

Les nuages sont la manifestation la plus évidente de la convection. © Yves Foucart - Tous droits réservés

L'équilibre thermodynamique

L'équilibre thermodynamique exige que l'ensemble des apports de chaleur équilibre l'ensemble des pertes de chaleur. En fait, au total, c'est bien la surface qui chauffe l'atmosphère : la surface émet vers l'atmosphère 56 W/m2 de plus qu'elle n'en reçoit d'elle et elle exporte encore 104 W/m2 de plus sous forme convective. Au total, c'est donc 160 W/m2 que la surface fournit à l'atmosphère et ces 160 W/m2 correspondent à ce qu'elle gagne par absorption du rayonnement solaire (voir le schéma de la page 6 pour plus de détails).

Dans l'analogie de la couche de verre évoquée dans certaines pages précédentes, les seuls échanges étaient radiatifs. L'équilibre thermodynamique exige que la couche absorbe autant de chaleur qu'elle n'en perd, donc, dans cas, la couche de verre absorbait autant qu'elle émettait. L'équilibre thermodynamique se résumait au seul équilibre radiatif mais on l'a vu, il en est très différemment dans l'atmosphère parce qu'elle bouge tout simplement, quelque chose que certains physiciens ont semble-t-il oublié.