Effet de serre et température globale
Informations du cours
Programme de 1ère - Enseignement scientifique - France
Introduction à l'effet de serre
Définition et mécanisme
L'effet de serre est un phénomène naturel qui consiste en la rétention de la chaleur par l'atmosphère terrestre.
Il permet à la Terre de maintenir une température moyenne de +15°C au lieu de -18°C sans cet effet.
- 1 Le rayonnement solaire traverse l'atmosphère et est absorbé par la surface terrestre
- 2 La surface terrestre réémet de l'énergie sous forme de rayonnement infrarouge
- 3 Certains gaz atmosphériques absorbent ce rayonnement infrarouge
- 4 Ces gaz réémettent l'énergie dans toutes les directions, y compris vers la surface
Gaz à effet de serre
Compositions et propriétés
Le gaz à effet de serre le plus abondant (variable de 0 à 4% de l'atmosphère).
Responsable de 60-70% de l'effet de serre naturel.
Très variable selon l'humidité et la température locale.
Présent à environ 0,04% de l'atmosphère (420 ppm).
Responsable de 20-25% de l'effet de serre naturel.
Origine naturelle et anthropique (combustion des énergies fossiles).
- Méthane (CH₄) : 0,00018% - 6% de l'effet de serre - 25 fois plus efficace que CO₂
- Oxyde nitreux (N₂O) : 0,00003% - 1% de l'effet de serre - 300 fois plus efficace que CO₂
- Ozone (O₃) : variable - 3% de l'effet de serre - plus présent dans la stratosphère
- Halocarbures : très puissants mais très rares - CFC, HFC, etc.
Le PRG mesure l'efficacité d'un gaz à réchauffer la planète sur une période de 100 ans par rapport au CO₂.
Exemples : CH₄ = 25, N₂O = 298, SF₆ = 23 500.
Température globale
Température moyenne de la Terre
Sans atmosphère, la température moyenne de la Terre serait d'environ -18°C.
Cette valeur est obtenue en égalisant l'énergie reçue et l'énergie émise par la surface terrestre selon la loi de Stefan-Boltzmann.
Où S₀ est la constante solaire, A l'albédo moyen et σ la constante de Stefan-Boltzmann.
La température moyenne de la surface terrestre est d'environ +15°C.
L'effet de serre naturel provoque donc un réchauffement d'environ 33°C.
Ce réchauffement est essentiel pour maintenir des conditions favorables à la vie.
Depuis le début de l'ère industrielle (vers 1880), la température moyenne de la Terre a augmenté d'environ 1,1°C.
Les 20 dernières années comprennent les 20 années les plus chaudes jamais enregistrées.
Ce réchauffement est principalement attribué à l'augmentation des concentrations de gaz à effet de serre anthropiques.
La température globale est mesurée à partir de données recueillies par des stations météorologiques, des bouées océaniques, des ballons-sondes et des satellites. Les données sont ensuite corrigées et interpolées pour obtenir une moyenne mondiale.
Effet de serre naturel vs anthropique
Différenciation des effets
L'effet de serre naturel est indispensable à la vie sur Terre.
Il maintient la température moyenne à +15°C au lieu de -18°C.
Il résulte de la présence naturelle de gaz à effet de serre dans l'atmosphère.
Depuis l'ère industrielle, l'homme a augmenté la concentration de gaz à effet de serre.
Le CO₂ a augmenté de 40% depuis 1880 (de 280 ppm à plus de 420 ppm).
Cette augmentation amplifie l'effet de serre naturel, provoquant un réchauffement supplémentaire.
- Combustion des énergies fossiles : charbon, pétrole, gaz naturel
- Déforestation : réduit la capacité d'absorption du CO₂
- Agriculture intensive : émissions de CH₄ et N₂O
- Industrie : diverses émissions de gaz à effet de serre
- Transport : principalement CO₂ des moteurs thermiques
Le renforcement de l'effet de serre anthropique conduit au réchauffement climatique global, avec des conséquences multiples : changement des précipitations, fonte des glaces, montée du niveau de la mer, modifications des écosystèmes.
Loi de Stefan-Boltzmann
Relation température-énergie
La loi de Stefan-Boltzmann relie la puissance émise par un corps noir à sa température absolue.
Où P est la puissance émise par unité de surface (W·m⁻²), σ la constante de Stefan-Boltzmann (5,67×10⁻⁸ W·m⁻²·K⁻⁴) et T la température absolue (K).
À l'équilibre, l'énergie émise par la Terre égale l'énergie reçue du Soleil.
Où S₀ est la constante solaire (1361 W·m⁻²), A l'albédo moyen (≈0,3), et le facteur 1/4 tient compte de la géométrie sphérique.
L'effet de serre modifie ce calcul en empêchant une partie de l'énergie infrarouge de s'échapper vers l'espace.
Cela augmente la température d'équilibre de la surface terrestre.
Un doublement de CO₂ entraîne théoriquement un réchauffement de 1,2°C sans rétroactions.
Les rétroactions (comme la fonte des glaces ou l'augmentation de la vapeur d'eau) peuvent amplifier ou atténuer le réchauffement initial, ce qui complique la prédiction du réchauffement futur.
Exercice d'application 1
Calcul de température d'équilibre
La constante solaire est de S₀ = 1361 W·m⁻².
L'albédo moyen de la Terre est de A = 0,3.
La constante de Stefan-Boltzmann est de σ = 5,67×10⁻⁸ W·m⁻²·K⁻⁴.
1. Calculer la température d'équilibre de la Terre sans effet de serre.
2. Convertir cette température en degrés Celsius.
3. Expliquer pourquoi la température réelle est plus élevée.
Solution exercice 1
Correction détaillée
- Constante solaire : S₀ = 1361 W·m⁻²
- Albédo : A = 0,3
- Constante de Stefan-Boltzmann : σ = 5,67×10⁻⁸ W·m⁻²·K⁻⁴
Formule : T⁴ = S₀(1-A)/(4σ)
T⁴ = 1361 × (1-0,3) / (4 × 5,67×10⁻⁸)
T⁴ = 1361 × 0,7 / (2,268×10⁻⁷)
T⁴ = 952,7 / (2,268×10⁻⁷) = 4,20×10⁹
T = (4,20×10⁹)^(1/4) = 255 K
T(°C) = T(K) - 273,15
T(°C) = 255 - 273,15 = -18,15°C
Soit environ -18°C
La température réelle de la Terre est d'environ +15°C, soit 33°C plus élevée que la température calculée.
Cette différence est due à l'effet de serre naturel provoqué par les gaz à effet de serre présents dans l'atmosphère.
Exercice d'application 2
Évolution de la concentration en CO₂
La concentration en CO₂ était de 280 ppm en 1880 et est passée à 420 ppm en 2023.
1. Calculer le pourcentage d'augmentation de la concentration en CO₂.
2. Sachant que le PRG du CO₂ est de 1, déterminer l'effet relatif de cette augmentation.
3. Si l'effet de serre anthropique provoque un réchauffement de 1,1°C depuis 1880, quelle proportion de ce réchauffement peut être attribuée à l'augmentation de CO₂ ?
Solution exercice 2
Correction détaillée
- CO₂ en 1880 : 280 ppm
- CO₂ en 2023 : 420 ppm
- Réchauffement total : 1,1°C
- PRG du CO₂ : 1
Augmentation = 420 - 280 = 140 ppm
Pourcentage = (140 / 280) × 100 = 50%
La concentration en CO₂ a augmenté de 50% depuis 1880.
Le PRG du CO₂ est de 1, ce qui signifie que son effet est pris comme référence.
L'augmentation de 50% signifie que le forçage radiatif dû au CO₂ a augmenté proportionnellement.
Le CO₂ est responsable de la majorité du réchauffement anthropique.
Études montrent que le CO₂ contribue à environ 60-70% du réchauffement observé.
Soit environ 0,66 à 0,77°C attribuables au CO₂ sur les 1,1°C totaux.
Conséquences du réchauffement
Changements observés
- Augmentation des températures : 1,1°C depuis 1880
- Changements de précipitations : sécheresses, inondations
- Augmentation de la fréquence des événements extrêmes : canicules, tempêtes
- Acidification des océans : absorption du CO₂
- Fente des glaces : banquise, glaciers, calottes polaires
- Montée du niveau de la mer : 20 cm depuis 1900
- Changements de circulation atmosphérique : jet stream, systèmes météorologiques
- Changements de circulation océanique : Gulf Stream, circulation thermohaline
- Migration des espèces vers les pôles
- Changements de phénologie : dates de floraison, migration
- Stress hydrique : modifications des cycles de l'eau
- Acidification des océans : impacts sur les coraux et mollusques
Le réchauffement déclenche des rétroactions : fonte de la banquise (diminution de l'albédo), dégagement de CO₂ des sols gelés, réduction de l'absorption océanique du CO₂.
Résumé
Points clés
- Phénomène naturel indispensable à la vie
- Réchauffement de 33°C par rapport à une Terre sans atmosphère
- Température moyenne de +15°C au lieu de -18°C
- Vapeur d'eau : 60-70% de l'effet de serre naturel
- CO₂ : 20-25% de l'effet de serre naturel
- CH₄, N₂O, O₃ : contributions plus faibles mais importantes
- Augmentation de 40% du CO₂ depuis 1880
- Réchauffement de 1,1°C depuis l'ère préindustrielle
- Responsabilité principale des activités humaines
Conclusion
Félicitations !
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