Une onde électromagnétique est une onde qui se propage autant dans le vide que dans un milieu matériel. Les ondes
radio, les ondes lumineuses, les rayons X sont des exemples d'onde électromagnétique.
L'ensemble des ondes électromagnétiques fait partie du spectre électromagnétique. La lumière visible ne constitue
qu'une partie de ce spectre. Ces ondes, puisqu'elles sont capables de se déplacer dans le vide, expliquent pourquoi
les rayons du Soleil peuvent parvenir jusqu'à la surface de la terre en voyageant dans le vide interstellaire. Dans
le vide, la vitesse des ondes électromagnétiques est de 300 000 km/s.
Les échanges d'énergie portée par le rayonnement électromagnétique qui ont lieu entre le soleil et le système
terre-océan-atmosphère ne se font pas de manière continue, mais de façon discrète, sous forme de paquets d'énergie,
véhiculés par des corpuscules élémentaires immatériels, les photons. Chaque photon transporte ainsi un quantum
d'énergie proportionnel à la fréquence de l'onde électromagnétique considérée; cette énergie est d'autant plus grande
que la fréquence est élevée.
La relation suivante exprime la quantité d'énergie associée à un photon en fonction de la longueur d’onde :
E =
hc
━━━
λ
où:
E : l’énergie de l’onde électromagnétique (en J)
λ : la longueur d’onde (en m)
c : vitesse de la lumière dans le vide (300 000 000 m/s)
h : la constante de Planck (6,625.10-34 J.s)
Ainsi, les rayonnements électromagnétiques de courte longueur d'onde ou de fréquence élevée véhiculent davantage
d'énergie que les rayonnements de grande longueur d'onde (basse fréquence).
Le spectre électromagnétique représente la répartition des ondes électromagnétiques en fonction de leur longueur
d'onde, de leur fréquence ou bien encore de leur énergie.
Le spectre électromagnétique est continu mais les scientifiques l'ont divisé de façon artificielle pour des raisons
de commodité. Les divisions ont surtout été établies à l'aide des techniques utilisées pour détecter les différentes
longueurs d'onde. Par exemple, les limites du domaine de la lumière visible sont définies par ce que nos yeux peuvent
détecter.
Le soleil qui se situe à une distance considérable dans le «vide spatial » nous procure une sensation de chaleur.
De même, si nous ouvrons la porte d'un four en fonctionnement, nous percevons une sensation de chaleur instantanée
que nous ne pouvons pas attribuer à un transfert convectif du à l'air entre le four et notre peau.
Cet échange de chaleur attribué à l'émission, par la matière du fait de sa température, d'ondes électromagnétiques
est appelé rayonnement thermique, il ne nécessite pas la présence d'un milieu intermédiaire matériel.
Le rayonnement thermique est caractérisé par des longueurs d'ondes comprises entre 0,1 et 100 μm, il inclut le
domaine du visible (ondes lumineuses ou lumière de 0,4 à 0,8 μm) et n'occupe qu'une faible portion du spectre
d'ondes électromagnétiques.
Toute matière, dont la température est supérieure au zéro absolu (-273,15 degrés Celsius), émet des ondes
électromagnétiques qui forment le rayonnement thermique.
Le mécanisme d’effet de serre est un mécanisme naturel. En piégeant une partie des rayons infrarouges,
il permet à la Terre d'avoir une température moyenne de 15°C et non de –18°C si celui-ci n'opérait pas.
Une partie de l'énergie solaire qui parvient au sol réchauffe la surface de la Terre et se transforme en rayons
infrarouges (chaleur) qui repartent dans l’atmosphère. Comme les vitres d'une serre (d'où le nom donné à ce mécanisme),
des gaz présents dans l'atmosphère empêchent une partie de ces rayons infrarouges de repartir vers l’espace, ce qui
tend à réchauffer l’atmosphère et la surface de la Terre. Ainsi, sans effet de serre, la température moyenne à la
surface de la Terre serait de -18 °C et peu d'eau serait sous forme liquide. Cet effet a donc une influence bénéfique
puisqu'il permet à notre planète d'avoir une température moyenne d’environ 15° C.
Les deux tiers de l'énergie en provenance du soleil sont absorbés par l'atmosphère, les sols et l'océan. Le tiers
restant est directement réfléchi vers l'espace par les nuages, les aérosols, l'atmosphère et la surface terrestre.
Atmosphère et surface terrestre émettent en retour un rayonnement infrarouge que les nuages et les gaz à effet de
serre (vapeur d'eau, dioxyde de carbone, ozone et méthane pour les plus importants) absorbent et réémettent en grande
partie vers le sol. Les gaz à effet de serre ont en effet la particularité d'être pratiquement transparents au
rayonnement solaire et opaques au rayonnement infrarouge émis par la terre. L'énergie est piégée.
Matériel :
2 bols, de l’eau, une pellicule plastique, de la lumière vive ou la lumière du soleil, un thermomètre.
Protocole expérimental :
Remplissez les deux bols d’une quantité égale d’eau.
Mesurez la température de l’eau dans chaque bol. Consignez la température sur un papier.
Couvrez l’un des bols avec une pellicule plastique.
Placez les deux bols sous une source de lumière vive ou au soleil.
Mesurer à nouveau la température dans chaque bol.
Résultat :
La pellicule plastique agit comme le dioxyde de carbone dans l’atmosphère, emprisonnant une grande partie de l’énergie
thermique qui, autrement, s’échapperait. L’énergie thermique de l’air (un gaz) est ensuite transférée à l’eau (un
liquide), ce qui réchauffe l’eau.
La Terre absorbe une partie de l’énergie qu’elle reçoit du soleil et la partie restante est retournée par radiation
dans l’espace. Cependant, certains gaz présents dans l’atmosphère, appelés gaz à effet de serre, absorbent une partie
de l’énergie provenant de la Terre et l’emprisonnent. Ces gaz agissent comme une couverture, rendant la surface de la
Terre plus chaude qu’elle ne le serait autrement. Bien que l’effet de serre survienne naturellement, rendant la vie
possible sur Terre, l’activité humaine du dernier siècle a augmenté considérablement la quantité de gaz à effet de
serre dans l’atmosphère, piégeant davantage de chaleur dans l’atmosphère et modifiant la température de la Terre.
La hausse de la quantité de dioxyde de carbone dans notre atmosphère pourrait augmenter la température de la Terre de
quelques degrés Celsius, ce qui est suffisant pour occasionner des changements importants touchant les calottes
polaires, la vie végétale et animale et les systèmes météorologiques. Si les vastes calottes polaires qui recouvrent
les pôles Sud et Nord fondaient, même un peu, cela libérerait de grandes quantités d’eau dans les océans. La hausse
du niveau d’eau aurait de graves répercussions sur les populations côtières, les plantes, les animaux et la
topographie. Depuis un siècle, cet effet de serre anthropique (d’origine humaine) est la cause d’une augmentation de
près de 1°C de la température.
Il existe un grand nombre de gaz à effet de serre naturellement présents dans l'atmosphère mais dont la concentration
varie du fait des activités humaines. Leurs impacts sur le climat dépendent de leur capacité à absorber et émettre du
rayonnement infrarouge, de leur concentration dans l'atmosphère et de leur durée de vie.
Les principaux gaz à effets de serre sont :
La vapeur d’eau H2O est responsable à elle seule de la grande majorité de l'effet de serre naturel. Elle a également un effet de rétroaction important sur le changement climatique : lorsque la température augmente, l'évaporation augmente et la quantité de vapeur d'eau relâchée dans l'atmosphère aussi, accélérant encore le réchauffement.
dioxyde de carbone CO2 dont la concentration peut
augmenter du fait de processus naturels comme les éruptions volcaniques et les feux de forêts ou de brousse. Mais ce
sont les activités humaines avec l'utilisation de carbone fossile (pétrole, gaz naturel et charbon notamment pour
l'industrie, le chauffage et les transports), ou encore la fabrication du ciment et les changements d'occupation des
sols, qui sont responsables de l'essentiel de l'augmentation de sa concentration depuis 1750.
méthane CH4 est un gaz à effet de serre bien plus puissant
que le CO2, mais moins concentré. Il est souvent lié aux processus de fermentation (marécages, décharges,
digestion des ruminants, etc.). L'agriculture intensive est ainsi l'un des responsables de l'augmentation des
concentrations de méthane dans l'atmosphère au cours des derniers siècles.
protoxyde d’azote (gaz hilarant) N2O est dégagé
par la déforestation et le feu qui y est associé, la combustion de la biomasse, l'intensification des processus de
nitrification et dénitrification du sol dans des zones humides par intermittence, l'application d'engrais azotés et
l'utilisation des combustibles fossiles.
L’ozone O3 est naturellement présent dans la
stratosphère (à une altitude de 10-15 km) : il protège la planète contre les dangereux rayons UV. L'affaiblissement
des concentrations en ozone stratosphérique (le célèbre “trou dans la couche d'ozone”) est provoqué par des substances
produites par l'homme et qui désintègrent l'ozone à ces altitudes, comme par exemple un certain nombre de composés
fluorés (ex. les gaz propulseurs dans les aérosols).
hexafluorure de soufre SF6 est utilisé comme gaz
isolant dans les postes sous enveloppe métallique (PSEM), comme isolant et moyen de refroidissement dans les
transformateurs de puissance et comme isolant et moyen d’extinction dans les interrupteurs haute et moyenne tension.
Toutes ces applications sont des systèmes fermés, très sûrs et idéalement sans possibilité de fuite. La molécule de
SF6 est hautement réfléchissante et contribue à l’effet de serre, mais sa concentration est extrêmement
faible.
Le bilan radiatif de la Terre quantifie l'énergie reçue et perdue par le système climatique terrestre, donc au niveau
de l'atmosphère, du sol et des océans. Lorsque le bilan est nul, la température moyenne de notre planète reste stable.
Bilan énergétique annuel de la Terre en watts par mètre carré (W/m2): L'énergie solaire incidente (342 W/m2)
est réfléchie en partie par l'atmosphère et le sol (102 W/m2), absorbée par l'atmosphère (76 W/m2) et
par la surface de la Terre (océans et sols : 164 W/m2). Ces absorptions restituent l'énergie sous forme de
rayonnement infrarouge (de la chaleur). Globalement, le bilan est nul : (342 - 102) = (164 + 76) ≈ 239 réémis vers
l'espace, et tient compte de l'effet de serre.
La proportion réfléchie de la puissance solaire dépend de l'albédo terrestre moyen. L'albédo terrestre est défini
comme la proportion d'énergie lumineuse réfléchie par la Terre par rapport à l'énergie lumineuse incidente. L'albédo
terrestre moyen actuel (en considérant l'atmosphère et la surface terrestre) est de 0,31. Ainsi, environ 30 % de la
puissance solaire atteignant la Terre (en haut de l'atmosphère) est réfléchie par l'atmosphère et la surface
terrestre vers l'espace tandis que les 70 % restants sont absorbés par l'atmosphère et la surface terrestre.
Lorsque le rayonnement solaire incident est absorbé par la surface terrestre, celle-ci émet un rayonnement infrarouge
(longueur d'onde voisine supérieure à 780 nm et inférieure à 1 mm). La puissance émise par la surface terrestre par
unité de surface dans l'infrarouge augmente avec la température de cette surface. Or, l'atmosphère ne laisse passer
qu'environ 5 % du rayonnement terrestre infrarouge, qui est envoyé dans l'espace, tandis qu'elle en absorbe 95 %.
Cette absorption de la puissance terrestre infrarouge par l'atmosphère est appelée « effet de serre ». Cet effet de
serre terrestre est dû aux interactions moléculaires entre le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre et
certains gaz atmosphériques appelés « gaz à effet à serre » (eau, CO2, CH4…). Une partie de ce rayonnement infrarouge
absorbé par l'atmosphère est réémise vers l'espace tandis que la majeure partie est réémise vers le sol.
Cet équilibre radiatif de la Terre est un équilibre dynamique, c'est-à-dire que toute modification de la puissance
reçue par la Terre entraîne une modification de la puissance émise par celle-ci (et inversement). L'établissement
d'un nouvel équilibre radiatif s'accompagne d'une modification de la température terrestre. Actuellement,
l'augmentation de la concentration des gaz à effet de serre dans l'atmosphère, libérés par les activités humaines,
augmente l'intensité du rayonnement infrarouge absorbé par l'atmosphère et réémis vers le sol, ce qui modifie
l'équilibre radiatif. La conséquence de la modification de cet équilibre radiatif est l'augmentation actuelle de la
température terrestre.
De plus, l'augmentation de la température terrestre peut avoir comme conséquence la fonte d'une partie de la neige et
de la glace d'où une réduction des surfaces enneigées et englacées à fort albédo. Le réchauffement de la surface
terrestre, en diminuant l'albédo terrestre moyen, diminue la puissance solaire réfléchie et entraîne une augmentation
de la puissance solaire reçue par la surface terrestre, ce qui accentue alors son réchauffement.
Exercice N°1: Reporter les numéros correspondants aux actions. Les erreurs sont mises en évidence par la couleur rouge donnée à celles-ci...
Exercice N°2: Déterminer l’intervalle des longueurs d’ondes exprimées en m à l’aide de puissances de 10 pour la lumière visible.
( On mettra les puissances de 10 dans les cases rouges.) Les erreurs sont mises en évidence par la couleur rouge donnée à celles-ci...
On rappelle que la longueur d'onde de la lumière visible est comprise entre 400 nm et 750 nm. La première ligne servira à convertir 400 nm et la seconde 750 nm.
Exercice N°3: Calculer la fraction réfléchie par la terre puis la fraction absorbée en fonction de sa couverture.
Les erreurs sont mises en évidence par la couleur rouge donnée à celles-ci...
L'albédo est le rapport de l'énergie solaire réfléchie par une surface sur l'énergie solaire incidente. On utilise
une échelle graduée de 0 à 1, avec 0 correspondant au noir, pour un corps avec aucune réflexion, et 1 au miroir parfait,
pour un corps qui diffuse dans toutes les directions et sans absorption de tout le rayonnement électromagnétique
visible qu'il reçoit.
Le document ci-dessous représente l’albédo pour différentes surface de la terre.
La terre reçoit au total un flux solaire de 340 W/m2.
est responsable à elle seule de la grande majorité de l'effet de serre naturel. Elle a également un effet de rétroaction important sur le changement climatique : lorsque la température augmente, l'évaporation augmente et la quantité de vapeur d'eau relâchée dans l'atmosphère aussi, accélérant encore le réchauffement.
dont la concentration peut
augmenter du fait de processus naturels comme les éruptions volcaniques et les feux de forêts ou de brousse. Mais ce
sont les activités humaines avec l'utilisation de carbone fossile (pétrole, gaz naturel et charbon notamment pour
l'industrie, le chauffage et les transports), ou encore la fabrication du ciment et les changements d'occupation des
sols, qui sont responsables de l'essentiel de l'augmentation de sa concentration depuis 1750.
est un gaz à effet de serre bien plus puissant
que le CO2, mais moins concentré. Il est souvent lié aux processus de fermentation (marécages, décharges,
digestion des ruminants, etc.). L'agriculture intensive est ainsi l'un des responsables de l'augmentation des
concentrations de méthane dans l'atmosphère au cours des derniers siècles.
est dégagé
par la déforestation et le feu qui y est associé, la combustion de la biomasse, l'intensification des processus de
nitrification et dénitrification du sol dans des zones humides par intermittence, l'application d'engrais azotés et
l'utilisation des combustibles fossiles. 
est naturellement présent dans la
stratosphère (à une altitude de 10-15 km) : il protège la planète contre les dangereux rayons UV. L'affaiblissement
des concentrations en ozone stratosphérique (le célèbre “trou dans la couche d'ozone”) est provoqué par des substances
produites par l'homme et qui désintègrent l'ozone à ces altitudes, comme par exemple un certain nombre de composés
fluorés (ex. les gaz propulseurs dans les aérosols). 
est utilisé comme gaz
isolant dans les postes sous enveloppe métallique (PSEM), comme isolant et moyen de refroidissement dans les
transformateurs de puissance et comme isolant et moyen d’extinction dans les interrupteurs haute et moyenne tension.
Toutes ces applications sont des systèmes fermés, très sûrs et idéalement sans possibilité de fuite. La molécule de
SF6 est hautement réfléchissante et contribue à l’effet de serre, mais sa concentration est extrêmement
faible.
