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Quelle température aujourd’hui ?

Physique / 2de - 1re S - Tle S

Par Yann Melki, professeur de physique

DOCUMENTS

Quelle est la nature du rayonnement qui réchauffe la Terre ?

DOC A Le rayonnement électromagnétique.

Évolution du spectre d’une lampe en fonction de la température

DOC B La relation lumière-température.

1. Schéma d’une expérience.

2. Le spectre obtenu pour trois valeurs de tension.

Les lois de Planck, Wien et Stefan

DOC C Les lois du corps noir.

1. Spectres de corps noir appliqués à trois températures d’un filament de lampe à incandescence.

2. La loi du déplacement de Wien.

3. La loi de Stefan-Bolzmann.

L’influence des rayonnements sur la température

DOC D Le rayonnement solaire et la Terre.

Le rôle de l’atmosphère dans l’effet de serre

DOC E Influence de l’atmosphère sur la température terrestre.

1. Domaines d’absorption de différentes molécules présentes dans l’atmosphère.

2. La loi du déplacement de Wien.

2. Principe de l’effet de serre.

ANALYSES DES DOCUMENTS

 

Quelle est la nature du rayonnement qui réchauffe la Terre ?

Nous savons tous que c’est le Soleil qui réchauffe la Terre, bien que celui-ci soit très éloigné de nous (150 millions de kilomètres). Comment ce phénomène se produit-il ? Passons en revue les différents modes de transfert de chaleur que nous connaissons :

– Le transfert par conduction thermique : il s’effectue sans transport macroscopique de matière, au sein d’un milieu matériel. Exemple : le chauffage d’une tige métallique ;

– Le transfert par convection : il s’effectue avec le déplacement macroscopique de la matière, au sein d’un milieu matériel fluide. Exemple : le chauffage central ;

– Le transfert par rayonnement : il s’agit d’un transfert d’énergie par les ondes électromagnétiques, sans nécessité d’un milieu matériel. Exemple : le réchauffement de la Terre par le Soleil.

On peut donc dire que le rayonnement électromagnétique est une forme de transfert d’énergie.

Un rayonnement électromagnétique désigne la propagation d’une perturbation dans un champ électrique et magnétique. En physique classique, il est décrit sous la forme d’une onde électromagnétique correspondant à la propagation d’un champ magnétique et d’un champ électrique (l’un étant perpendiculaire à l’autre) en ligne droite à partir d’une source constituée d’un mouvement alternatif de charges électriques.

 

 

La nature du rayonnement qui réchauffe la Terre

 

À cette propagation ondulatoire sont associées une période T (ou fréquence ν = 1/T) et une longueur d’onde λ.

Dans le vide, le rayonnement électromagnétique se déplace à la vitesse de 299 792 458 m/s. Cette vitesse (vitesse de la lumière), notée c, est l’une des constantes fondamentales de la physique.

La longueur d’onde est égale à : λ = c(ν) / ν, c(ν) étant la vitesse de la lumière dans le milieu considéré pour la fréquence ν, avec c(ν) = c / n(ν), n(ν) étant l’indice de réfraction de la lumière monochromatique de fréquence ν dans le milieu considéré.

La lumière visible ne constitue qu’une petite tranche du large spectre électromagnétique. Elle désigne un rayonnement visible par l’œil humain. Les ondes radio, les rayons X et γ sont également des rayonnements électromagnétiques.

 

Les différentes ondes électromagnétiques

 

Un spectre électromagnétique est la décomposition d’un rayonnement électromagnétique polychromatique selon les longueurs d’onde (ou les fréquences) qui le composent. On relie l’énergie à la longueur d’onde par la relation E = h · c/λ, (h = 6,62 × 10-34 J·s, la constante de Planck). L’énergie est donc inversement proportionnelle à la longueur d’onde.

Les domaines des ondes électromagnétiques sont désignés par différents termes, en fonction des gammes de fréquence. Par fréquence (et donc énergie) croissante, on trouve :

– les ondes radio et les ondes radar ;

– les ondes infrarouges, la lumière visible et le rayonnement ultraviolet ;

– les rayons X ;

– les rayonnements γ.

Évolution du spectre d’une lampe en fonction de la température

Le filament d’une lampe à incandescence, parcouru par un courant électrique, s’échauffe et émet de la lumière. On fait varier l’intensité du courant avec un variateur et l’on analyse la lumière à l’aide d’un prisme ou d’un réseau (doc B1). Quand la température du filament est faible, la lampe brille peu ; elle émet une lumière dont le spectre est continu et limité au rouge orangé (doc B2). Plus la température augmente, plus la lampe brille, et la couleur du filament passe du rouge au blanc. Simultanément, le spectre continu s’enrichit en jaune, vert, bleu, puis violet.

Il est à noter que lorsque la température du filament augmente, l’intensité de la lumière émise par celui-ci augmente. Lorsque le spectre s’étale du rouge au vert, la couleur perçue par nos yeux – grâce à la synthèse additive – est le jaune. Lorsque le spectre s’étale du rouge au violet, la couleur perçue est le blanc.

Les lois de Planck, Wien et Stefan

Qu’est-ce qu’un corps noir ? (doc C1) ● Le corps noir absorbe toute l’énergie électromagnétique qu’il reçoit. C’est un corps idéal. Ainsi, les caractéristiques de son rayonnement ne dépendent que de sa température. Son nom vient du fait que celui-ci, absorbant complètement la lumière, devrait apparaître noir. C’est néanmoins sans compter sur le rayonnement électromagnétique qu’il émet à cause de sa température. L’objet réel qui s’en rapproche le plus est l’intérieur d’un four.

Les parois du four émettent et absorbent des rayonnements électromagnétiques. Il y a ainsi échange d’énergie entre les parois, jusqu’à ce que l’objet atteigne l’équilibre thermique. La répartition de la quantité d’énergie émise, en fonction de la longueur d’onde, forme le spectre (on parle de distribution de Planck). Celui-ci est la signature d’un rayonnement purement thermique. On le nomme donc « spectre de corps noir » ; il ne dépend que de la température du four.

Lorsque l’on néglige les raies spectrales, le spectre continu de la majorité des étoiles est un spectre de corps noir. Cela nous donne une bonne approximation de la température de surface de l’étoile. Pour le Soleil, par exemple, l’analyse de son rayonnement nous permet de calculer sa température de surface, qui est d’environ 5 800 kelvins (K).

Notons qu’un objet se comporte rarement comme un corps noir, car il réfléchit une partie de l’énergie électromagnétique et en transmet une autre partie ; il n’absorbe pas tout. Par ailleurs, les atomes et molécules émettent et absorbent exclusivement selon certaines longueurs d’onde. Dans ce cas, la couleur dépend de la nature chimique de l’objet.

Il existe un certain nombre de grandeurs physiques mesurables liées au rayonnement :

– M, l’émittance, correspond à la puissance énergétique émise par un corps pour une longueur d’onde donnée (on parle d’émittance monochromatique) et s’exprime en W·m-2 ;

– on appelle « flux total surfacique » ou « émittance totale énergétique » (Φ ou Mtot) l’énergie rayonnée par unité de temps et unité de surface de la source. Cela correspond à la somme des émittances émises par celle-ci pour chaque longueur d’onde :

Φ = Σλ M

(formule qui s’exprime en W·m-2) ;

– on appelle « flux total rayonné » ou « luminance » (L) l’énergie rayonnée par unité de temps :

L = Φ·S

(formule qui s’exprime en W, S représentant l’aire de la surface de la source en m²).

Le doc C1 représente des spectres de corps noir sur un diagramme de l’intensité lumineuse en fonction de la longueur d’onde, appliqués à trois températures de filament de lampe à incandescence. Le pic de la courbe se déplace vers les courtes longueurs d’onde, et inversement pour les plus basses températures. L’émittance correspond à la puissance énergétique émise par un corps pour une longueur d’onde donnée, et Φ au flux total surfacique ou émittance totale énergétique.

 

La loi de Planck ● La physique classique ne permettait pas de comprendre le spectre du rayonnement des corps noirs. À la fin du xixe siècle, Max Planck réussit à trouver une loi de rayonnement parfaitement en accord avec les mesures expérimentales. La découverte de la loi de Planck, en 1900, donne naissance à la mécanique quantique : pour expliquer sa loi, trouvée de manière empirique, le physicien a dû supposer que le rayonnement électromagnétique n’était pas absorbé et émis de manière continue, mais uniquement de façon discrète, par l’intermédiaire de quantas (photons).

La loi de Planck décrit la répartition de l’énergie électromagnétique rayonnée par unité de temps (puissance rayonnée) et par unité de surface d’un corps noir pour chaque longueur d’onde. On appelle cette puissance « émittance spectrale » (Ml) :

La loi de Planck

h, constante de Planck : h = 6,62 × 10 -34 J·s ; k, constante de Boltzmann : k = 1,38 × 10 -23 J·K-1 ; c, vitesse de la lumière : c = 3,00 × 108 m·s-1 ; l, longueur d’onde en m ; T, température en K.

 

La loi du déplacement de Wien et ses conséquences (doc C2) ● Cette loi établit que la longueur d’onde à laquelle un corps noir émet le plus est inversement proportionnelle à sa température. La loi de Wien découle de la loi de Planck sur le rayonnement du corps noir.

La loi de Planck décrit la distribution de la puissance surfacique M(λ) rayonnée en fonction de la température T du corps noir. Selon cette loi, à une température T donnée, l’énergie M(λ) passe par un maximum Mmax pour une longueur d’onde λmax.

On peut déduire de la loi de Wien que plus un objet est chaud, plus la longueur d’onde maximale du rayonnement qu’il émet est petite.

La température de surface du Soleil est de 5 800 K, ce qui correspond à un maximum d’émission vers 500 nm, au milieu du spectre visible. Ainsi, de l’espace, le Soleil nous apparaît blanc (il apparaît jaune vu de la Terre, car il y a diffusion par l’atmosphère des rayonnements bleus principalement). Les étoiles plus chaudes émettent à des longueurs d’onde plus courtes : elles apparaissent donc bleutées ; quant aux étoiles plus froides, elles prennent une couleur rougeâtre.

La surface de la Terre a une température d’environ 300 K. Elle émet ainsi dans l’infrarouge moyen, aux alentours de 10 micromètres (ce qui intervient dans l’effet de serre sur Terre).

 

La loi de Stefan-Boltzmann (doc C3) ● La loi de Stefan-Boltzmann, qui découle de la loi de Planck, donne la puissance lumineuse sortant du corps noir par unité de surface. Elle relie cette puissance à la température puissance 4 par un facteur appelé « constante de Stefan ».

Grâce à cette loi, Stefan déterminaune première estimation valable de la température à la surface du Soleil. Il apprit des données de Charles Soret que le flux énergétique reçu du Soleil est 29 fois plus grand que celui d’une lamelle de métal chauffée (Soret avait placé une lamelle circulaire devant son appareil de mesure, à une distance telle qu’elle apparaissait sous le même angle que le Soleil ; il avait estimé la température de la lamelle à environ 1 950 °C).

Stefan supposait que le tiers du flux énergétique du Soleil est absorbé par l’atmosphère terrestre, le rapport passant de 29 à 43,5.

L’application de sa loi conduit à une température du Soleil égale à 2,568 fois celle de la lamelle, soit 5 435,85 °C.

Le rôle de l’atmosphère dans l’effet de serre

Outre l’air qu’il respire, l’homme doit à l’atmosphère l’équilibre thermique quasi miraculeux qui a permis de voir la vie se développer sur la « planète bleue ».

L’effet de serre est un mécanisme naturel, à l’origine du climat tempéré dont jouit la Terre. Mais, avec la destruction de la couche d’ozone et l’augmentation de l’effet de serre due au gaz carbonique, il apparaît aujourd’hui comme la grande menace qui pèse sur l’atmosphère.

Le mécanisme de l’effet de serre ● L’atmosphère laisse pénétrer les radiations du Soleil. La surface de notre planète (l’eau, le sol, les objets à la surface du globe) absorbe une partie de cette lumière solaire et la transforme en chaleur. Cette chaleur, sous forme de rayons infrarouges – utilisés en chauffage d’appoint dans les salles de bain ou à l’entrée de certains magasins – est renvoyée dans l’atmosphère.

Différents gaz – notamment la vapeur d’eau, le gaz carbonique et le méthane – influent sur ce mécanisme en retenant une partie des radiations. Ils jouent le rôle des vitres d’une serre, piégeant les infrarouges qui ne peuvent plus les traverser. Ce sont les structures des molécules de ces gaz qui les rendent aptes à rabattre vers le sol les rayons infrarouges ; la chaleur ne peut donc plus sortir de l’atmosphère. Sans ces gaz, notre planète réfléchirait comme un miroir la plus grande partie des rayonnements qu’elle reçoit du Soleil et sa température serait de - 18 °C au lieu de 15 °C en moyenne. Mais, à l’inverse, leur augmentation déterminerait un réchauffement.

Tous ces gaz n’ont pas le même impact, et l’on mesure leur importance par leur pouvoir d’échauffement respectif. À quantité égale, et pour une même surface terrestre, si le dioxyde de carbone (CO2) a un pouvoir d’échauffement de 1 alors que l’ozone (O3) a un pouvoir de 2 000, les chlorofluorocarbones (CFC) ont un pouvoir de 1 500, le protoxyde d’azote (N2O) de 200 et le méthane (CH4) de 20. Tous ces gaz n’ont pas non plus la même responsabilité dans l’augmentation de l’effet de serre.

Responsabilité des différents gaz : CO2, 60 % ; CH4, 15 % ; O3, 15 % ; CFC, 5 % ; N2O, 5 %.

 

L’influence des activités humaines ● Les concentrations de CO2 ou de CH4 ont considérablement augmenté depuis le début de l’ère industrielle. Quant aux CFC, ce sont des gaz artificiels qui ont été fabriqués par les hommes et utilisés dans les aérosols, les réfrigérateurs et les climatisations depuis les années 1930. On peut mesurer que les accroissements sont d’origine totalement humaine pour les CFC, presque totalement humaine pour l’ozone, à hauteur de 70 % pour le méthane et de 30 % pour protoxyde d’azote.

Les activités industrielles provoquent des émissions massives de gaz carbonique, de méthane notamment, ou d’autres gaz tels le protoxyde d’azote (lors de combustions) et les halocarbures (gaz comportant des éléments comme le chlore, le fluor, etc.), qui absorbent fortement les infrarouges et restent très longtemps dans l’atmosphère du fait de leur grande stabilité.

La principale source d’émission des gaz à effet de serre est la combustion des énergies fossiles pour la production d’électricité, le fonctionnement des usines et les usages domestiques. La seconde cause est la déforestation, car, en temps normal, les forêts assurent une modulation naturelle de l’effet de serre en absorbant une partie du dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère.

La déforestation dans les pays tropicaux est une grande source de gaz carbonique. Les pays industrialisés sont responsables de 75 % de ces émissions. Vers 1980, on déboisait chaque année 11 000 km2, ce qui ajoute entre 0,4 et 2,5 milliards de tonnes de carbone par an (sous forme de gaz carbonique) dans l’atmosphère.

Cette augmentation de gaz à effet de serre tend ainsi à rompre l’équilibre naturel pour conduire à un réchauffement de notre planète.

 

Les conséquences de cette augmentation ● Les conséquences de l’effet de serre sont de tous ordres : elles touchent d’abord l’environnement, mais peuvent aussi bien être alimentaires que sanitaires ou géopolitiques.

Nous n’avons pas le choix : un réchauffement rapide et régulier serait fatal à l’agriculture, détruirait nos forêts, réduirait nos réserves d’eau et provoquerait l’inondation des zones côtières. Si les glaces des pôles fondaient, le climat de tout le globe en serait bouleversé.

Les incidences du réchauffement climatique sont nombreuses :

– élévation du niveau des mers par fonte des glaciers et réchauffement des océans, provoquant la disparition de certaines régions côtières ;

– vagues de chaleur plus intense et plus longue dans certaines régions de la planète, entraînant davantage de risques de disette alimentaire et de famine ;

– augmentation de la fréquence et de la durée des grandes crues et des grandes sécheresses pour d’autres régions ;

– modification des courants marins (les effets de phénomènes climatiques comme El Niño se font plus violents) ;

– déplacement des zones climatiques propres à tel ou tel type de culture, d’élevage ou de forêt, et donc modification des écosystèmes et de la végétation ;

– risque de recrudescence des maladies infectieuses, comme le paludisme et la fièvre jaune.

 

Lutte contre l’effet de serre : les accords internationaux ● Les responsabilités humaines évoquées ci-dessus ont conduit les hommes à s’interroger sur les moyens mis à leur disposition pour enrayer le phénomène d’effet de serre. Ainsi les diverses conférences internationales ont-elles permis que des mesures soient prises :

– les gaz utilisés dans les réfrigérateurs ont changé : les CFC sont interdits, ce qui explique pourquoi leur concentration n’augmente plus dans l’atmosphère ;

– de même, les bombes aérosols ont vu leurs composants changer.

Cependant, tous les pays ont du mal à s’accorder : ceux en voie de développement craignent que les traités envisagés n’entravent leur développement industriel. Par exemple, la Chine estime que les pays industrialisés, principaux responsables de l’émission des gaz à effet de serre, doivent être les premiers à réduire ces émissions : ils ont les moyens technologiques et économiques d’entreprendre de telles actions, alors que les pays en voie de développement ont besoin d’accroître leur consommation énergétique pour se développer.

Une intervention efficace remettrait en cause nos sources d’énergie pour nous inviter à nous tourner vers des énergies renouvelables. Ainsi, la convention de Rio a donné lieu, à Kyoto, à des mesures précises et concrètes dans des domaines variés :

– Le bâtiment : possibilité de faire établir un « bilan thermique » pour les logements, renforcement de la réglementation thermique ;

– Les transports : priorité aux transports collectifs ;

– Le reboisement : 30 000 hectares de forêts seront plantés chaque année jusqu’en 2005 ;

– La fiscalité : la France ne s’opposera plus à l’adoption d’une directive européenne de taxation des produits énergétiques.