5 - Fiat lux

Et la lumière fut ... (quelques explications pour mieux comprendre les mécanismes d’absorption de la lumière)

 Rayonnement solaire
Le soleil est une étoile, un astre chaud à cause des réactions nucléaires qui se déroulent en son cœur : il envoie son énergie vers l’espace sous forme de particules (vent solaire) et de rayonnement. Les particules transportées par le vent solaire sont (heureusement) déviées par le champ magnétique terrestre (ce qui engendre les aurores boréales) ; par contre, le rayonnement solaire arrive sur la planète à travers son atmosphère.
Le diagramme ci-dessous explique ce que la terre reçoit :

(pour en savoir plus voir "Rayonnement solaire" sur Wikipedia)
Ce diagramme montre la puissance du rayonnement solaire en fonction de la longueur d’onde de la lumière reçue :
— en jaune "au sommet de l’atmosphère", c’est le diagramme de la lumière émise par le soleil, composée de lumière ultraviolette (entre 200nm et 400nm environ), de lumière visible (entre 400nm et 700nm environ) et de lumière infrarouge (au delà de 700nm environ)
— la courbe qui épouse presque parfaitement la surface jaune est l’image de l’émission théorique d’un objet (corps noir) chaud à 5250°C (en dégrées Kelvin, 5500°K environ) : c’est ainsi que les astronomes mesurent la température de la surface de notre soleil et de toutes les étoiles observables (plus elles sont chaudes, plus elles sont bleues ; plus elles sont froides, plus elles sont rouges)
— en rouge "au niveau de la mer", c’est le diagramme de la lumière qui arrive jusqu’au niveau de la mer, donc filtrée par l’atmosphère. On y voit que :
1) une grande partie du rayonnement ultraviolet est absorbé par l’atmosphère essentiellement par les molécules d’ozone O3 de la stratosphère,
2) environ 20% du rayonnement visible est uniformément absorbé par l’atmosphère
3) une grande partie du rayonnement infrarouge est absorbée essentiellement par les molécules de vapeur d’eau et de CO2 naturellement présentes dans la partie basse de l’atmosphère, la troposphère.
La partie de lumière qui n’arrive pas au sol, est donc absorbée directement par l’atmosphère et se transforme en chaleur.

 Relation longueur d’onde / température
Un des pères de la physique (Max Planck - 1858-1947) a étudié la relation entre la température d’un corps et la longueur d’onde de la lumière émise qui en résulte, et il a formulé une loi qui porte son nom, illustrée par le diagramme ci-dessous.

La loi de Planck stipule que plus un corps est chaud, plus petite est la longueur d’onde de la lumière qu’il émet : les courbes du diagramme montrent les émissions à 6000°K (le soleil), à 300°K (la surface du sol), à 80°K (=-193°C). Les sommets de ces courbes indiquent respectivement des longueurs d’onde de 0,5µm (la couleur verte), de 10µm (l’infrarouge moyen), de 40µm (l’infrarouge lointain ... oui même un corps à -193°C émet du rayonnement !).
Attention à la "lecture" de ce diagramme dont l’axe vertical est logarithmique : à chaque graduation, la puissance change d’un facteur 100. Pour l’interpréter plus facilement j’ai délimité chaque courbe entre 10% et 100% du maximum d’émission.
On voit ainsi aisément que :
— 90% de la puissance émise par le soleil (6000°K - en vert) se situe entre 0,2µm et 1,3µm
— 90% de la puissance émise par le sol de la planète (300°K - en rouge) se situe entre 5µm et 30µm
Nous avons vu ci-dessus (§ "Rayonnement solaire") comment la puissance lumineuse du soleil est filtrée par l’atmosphère terrestre : il nous faut donc savoir comment le rayonnement infrarouge émis par la planète est filtré par l’atmosphère.

 Absorption de l’atmosphère
(informations extraites de l’article "Atmosphère terrestre" sur Wikipédia)
L’atmosphère terrestre est une couche constituée d’un mélange de gaz (au niveau de la mer, l’air sec est principalement composé de 78,1 % de diazote, 20,9 % de dioxygène, 0,93 % d’argon et 0,04 % de dioxyde de carbone) dont la densité et la température diminuent avec la hauteur. À l’air sec il faut ajouter l’eau, en quantité variable mais toujours présente sous forme de vapeur d’eau (non visible), d’eau liquide et de glace (visible sous forme de nuages).
La partie inférieure de l’atmosphère est appelée "troposphère" : l’épaisseur de cette couche varie entre 13 et 16 km à l’équateur, mais entre 7 et 8 km aux pôles. Elle contient 80 à 90 % de la masse totale de l’air et la quasi-totalité de la vapeur d’eau. C’est la couche où se produisent les phénomènes météorologiques (nuages, pluies, etc.) et les mouvements atmosphériques horizontaux et verticaux (convection thermique, vents).
Les observations des satellites, en orbite autour de la terre, permettent de tracer le diagramme ci-dessous qui montre l’opacité de l’atmosphère aux différentes longueurs d’onde. Je me suis permis de positionner sur ce diagramme les plages des 90% des rayonnements solaire (en vert) et thermique terrestre (en rouge) qui correspondent aux seuls "trous" de passage : en dehors des "trous" dans la lumière visible et infrarouge, et du "trou" correspondant aux longueurs d’onde "radio", l’atmosphère est opaque à 100% par la présence des gaz qui la composent, indépendamment de la variation de leur concentration.

On voit bien que le rayonnement solaire, qui traverse l’atmosphère (deux fois pour la partie qui est réfléchie), est peux absorbé : au total environ 20% du rayonnement incident réchauffe l’atmosphère.
Par contre, le rayonnement thermique terrestre traverse bien plus difficilement l’atmosphère : environ 75% de cette énergie est absorbée par la vapeur d’eau et les gaz de l’atmosphère (partiellement opaque à ces longueurs d’onde 5µm à 30µm).

Très bien, on a compris ce qui nous réchauffe ... mais si le soleil n’a pas augmenté son activité, qu’est-ce qui fait monter les températures ?