Rayonnement et effet de serre Ondes électromagnétiques La lumière occupe une toute petite place dans le domaine des ondes « électromagnétiques » où l'on compte également rayonnements ultraviolet et infrarouge, ainsi que les rayons X, les ondes hertziennes... 3 pm 3 mm 3 nm 3 m 3 km 1 2 3 4 5 6 7  1. rayonnement  2. rayons X 3. Rayonnement ultraviolet (UV) 4. rayonnement visible 5. rayonnement infrarouge (IR) 6. « micro-ondes » 7. ondes hertziennes (radar, TV, FM, radio AM)

( température T, émissivité e ) Rayonnement électromagnétique d’un corps Tout corps, du fait de sa température, émet de l’énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. Corps ( température T, émissivité e ) rayonnement Les propriétés de ce rayonnement : - longueurs d’onde l des radiations ; - puissance P du rayonnement. dépendent : - de la température T du corps ; - de la nature du corps. N.D.L.R. La température T est la température absolue, exprimée en kelvin (K), unité légale. T (K) = q (°C) + 273

Energie lumineuse incidente Le corps noir Ce modèle théorique désigne un corps qui absorbe toute l’énergie électromagnétique qu’il reçoit, sans la réfléchir ni la diffuser. Comme il absorbe tout le rayonnement reçu, y compris la lumière, on lui donne le nom de corps noir. Energie lumineuse incidente Toute l’énergie est absorbée Ni réflexion, ni diffusion L’énergie qu’il absorbe lui confère une certaine température T. Selon Kirchhoff, il va à son tour émettre un rayonnement électromagnétique. Corps noir (température T) Energie rayonnante Le rayonnement du corps noir ne dépend que de sa température.

Loi de Stefan. La puissance rayonnante émise par le corps noir ne dépend de sa température. Pour 1 m2 de surface émissive : P = σ.T4, avec (σ = 5,7.10-8 W.m-2.K-4). P, « puissance surfacique », en W.m-2. Loi de Wien. Le spectre d’émission du corps noir est un spectre continu, encore appelé spectre thermique. La puissance émise est maximale pour une longueur d’onde lpic telle que : lpic.T = 2,9.10-3 m.K. lpic=10 µm lpic=0,5 µm Puissance surfacique (en W.m-2) Spectres thermiques du corps noir pour T = 300 K et T = 6000 K Longueur d’onde (en micromètres) Ainsi, plus l’objet est chaud, plus importante est la puissance surfacique émise, et plus faible est la longueur d’onde du maximum d’émission (pic).

Cas d’un corps non noir La puissance rayonnante émise dépend de la nature du corps, elle est égale à celle qui serait émise par un corps noir de même température, multipliée par un coefficient e. P = e.σ.T4 e est appelée émissivité de la substance : e  1 (sans unité). L’émissivité dépend du matériau et est définie par comparaison à un modèle théorique du corps noir. Bien sûr, pour un corps noir, e = 1. Les étoiles, le Soleil peuvent être considérés comme des corps noirs. Un sol sans végétation a une émissivité voisine de 0,85. Les surfaces métalliques qui réfléchissent pratiquement toute la lumière qu’ils reçoivent, et donc absorbent très peu de rayonnement, ont une émissivité faible ( e  0)

Comment fonctionne la caméra thermique ? Détecteur 240 pixels 320 pixels Objectif Le détecteur est sensible aux radiations visibles et infrarouges. L’analyse du rayonnement visible émis par le corps permet de connaître son émissivité e. La mesure de la puissance du rayonnement émis permet ensuite de connaître sa température par la relation P = e.s.T4. Dimension « hors-tout » matrice (pas du détecteur) N.D.L.R. Les couleurs observées sur les clichés sont artificielles, le rayonnement correspondant étant invisible. Elles permettent simplement un meilleur contraste entre les différentes zones de températures.

L’effet de serre (Wood ; 1909) Par contre il ne transmet pas le rayonnement ultraviolet (celui-ci est majoritairement réfléchi). C’est pour cette raison qu’on ne peut pas bronzer à travers une vitre. Le graphique ci-dessous montre que le verre possède la propriété de se laisser traverser par le rayonnement visible (0,45 mm < l < 0,75 mm) et le proche infrarouge (0,75 mm < l < 3,0 mm) issus du soleil. L’effet de serre est ainsi appelé par analogie aux maisons de verre utilisées par les jardiniers pour protéger leurs cultures des rigueurs du climat. Il ne transmet pas non plus l’infrarouge lointain (l > 3,0 mm), qui est également réfléchi. Longueurs d’onde, en mm (3 échelles différentes) 1,0 0,5 Facteur de transmission 0 0,25 0,5 0,75 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 25 45

Capteur solaire thermique L’effet de serre est donc la capacité d’une substance à se laisser traverser par un rayonnement (en l’occurrence la lumière visible) tout en étant opaque pour un autre type de rayonnement (dans le cas présent les infrarouges). Ces objets vont émettre du rayonnement infrarouge de grande longueur d’onde qui sera pour une grande part réfléchi ou diffusé par la surface de verre. De l’énergie se trouve ainsi capturée. Le rayonnement solaire transmis par le verre provoque l’échauffement des objets qui se trouvent dans la serre. absorbeur verre visible infrarouge

Une serre JOUR NUIT salade IR perdus IR émis par le sol (énergie solaire absorbée le jour) IR réémis par la paroi de la serre (verre ou plastique) salade sol sableux serre (plastique translucide ou verre) rayonnement solaire incident (avant et après la paroi de la serre)

A l’échelle de la Terre, la substance responsable de l’effet de serre n’est évidemment pas du verre. Il s’agit d’un certain nombre de gaz qu’on trouve dans l’atmosphère, soit naturellement, soit du fait de l’activité humaine (le plus souvent du fait des deux) et qu’on dénomme "gaz à effet de serre". Par gaz à effet de serre, on pense tout de suite au dioxyde de carbone, mais il en existe bien d’autres comme le méthane (on accuse même les vaches)… mais aussi la vapeur de cette eau tellement nécessaire à notre existence ! Il faut savoir que l’effet de serre est indispensable à notre survie puisqu’il maintient l’équilbre thermique de la planète… … Mais TROP C’EST TROP !!