Causes
Mécanisme
L'effet de serre comprend un ensemble de phénomènes mettant en jeu des échanges thermiques entre l'atmosphère, le Soleil et la Terre, et tous ces phénomènes sont plus faciles à expliquer avec un schéma.
L'énergie solaire arrive sur Terre sous forme d'un rayonnement solaire représenté par la flèche A et composé de lumière visible, de rayonnement infrarouge et de rayonnement ultraviolet, à raison de 340 W/m². L'atmosphère, les océans et les continents renvoient (ou réfléchissent) dans l'atmosphère environ 30% de ce rayonnement, soit 100 W/m² (flèche B). Il reste donc 240 W/m² qui chauffent la Terre, c'est-à-dire l'atmosphère, les océans et les continents.
La température à la surface de la Terre est le résultat d'un équilibre entre l'énergie que la Terre reçoit (flèches H et I) et celle qu'elle restitue (flèches D, E et F). L'énergie représentée par la flèche D, qui est de 390 W/m², correspond au rayonnement infrarouge émit par les continents et les océans, et contribue au refroidissement de la surface terrestre. Les deux autres moyens par lesquels la Terre se refroidit sont l'évaporation de l'eau des océans (flèche E, 70 W/m²) et les contacts air-sol, qui réchauffent des masses d'air qui s'élèvent ensuite sous l'action de leur propre chaleur (flèche F, 30 W/m²). Les deux origines du chauffage de la surface de la Terre sont d'une part le rayonnement solaire qui atteint le sol, soit 170 W/m² (flèche H), et d'autre part le rayonnement infrarouge émis par l'atmosphère, soit 320 W/m² (flèche I). C'est grâce à ce dernier rayonnement que la température varie relativement peu la nuit malgré l'absence de rayonnement solaire.
Ce qu'il faut ensuite comprendre, c'est l'origine de l'énergie thermique de l'atmosphère. L'atmosphère émet en effet deux rayonnement : un vers la surface (la flèche I) de 320 W/m², et un vers l'espace (flèche J) de 220 W/m². On peut donc se demander d'où viennent ces 540 W/m². Ils proviennent d'une part du refroidissement de la surface de la Terre (rayonnements E et F en totalité et rayonnement D en grande partie), et d'autre part du rayonnement solaire C qui est en partie absorbée par l'atmosphère (flèche G, 70 W/m²). La partie du rayonnement infrarouge D qui n'est pas absorbée par l'atmosphère est renvoyée vers l'espace, c'est la flèche L (20 W/m²). Si l'atmosphère arrive à capter l'énergie des rayonnements D et C, c'est grâce à certains gaz, les GES, qui ont la propriété d'absorber certaines longueur d'ondes, puis de restituer l'énergie sous forme de rayonnement infrarouge, les rayonnements I et J.
Spectre d'absorption des différents GES
Ce sont ces GES qui permettent le chauffage de la Terre, car sans eux le rayonnement solaire qui arriverait à la surface de la Terre serait de 240 W/m², mais le rayonnement qui permettrait le refroidissement de la Terre serait aussi de 240 W/m², et la température à la surface de la Terre avoisinerait -18°C.