L’effet de serre :

 

L’effet de serre :

Actuellement, 80% de l'énergie consumée sur la terre vient des énergies fossiles : charbon, pétrole, gaz naturel. Celle-ci correspond à 9 milliards de tonnes de carbone par an qui seront rejetés sous forme de gaz carbonique à l'atmosphère lors de leur combustion. 

Joseph Fourier a découvert l’effet de serre en 1824. Notre atmosphère est transparente au rayonnement solaire reçu (composé de lumière visible et d’infrarouges de courtes longueurs d’onde), mais pas le rayonnement émis par la terre (composé d’infrarouges de grandes longueurs d’onde) qui est renvoyé en partie vers la terre. L’atmosphère terrestre n’est que partiellement transparente au rayonnement émis par la terre.

Ce filtrage sélectif du rayonnement infrarouge a été popularisé sous le nom impropre "effet de serre". L’analogie avec la serre ne s’applique pas puisque la vitre de la serre supprime surtout les échanges turbulents.

Nous avons tous noté en particulier l’hiver que les nuits par temps clair sont plus froides que les nuits nuageuses. Les nuages (vapeur d’eau) ne laissent pas passer librement les infrarouges émis par la terre. La vapeur d’eau est le composant qui a l’effet de serre le plus élevé.

 

1 – Flux solaire incident (Entrant) :

La surface éclairée de la terre reçoit un rayonnement solaire de flux thermique égal à : 1360 W/m². Les rayons de soleil sont parallèles, ils réchauffent et éclairent un disque qui a pour rayon celui de la terre. Ce flux s’applique en moyenne sur la surface du globe terrestre.

Le flux moyen reçu sur la terre est de 1360/4 soit 340 W/m²

 

2 – Albélo et effet de serre :

Une partie du rayonnement solaire n’est pas absorbé par la surface de la terre. Il est réfléchi par les nuages, la glace … L’albélo (α) est le rapport entre la puissance réfléchie et la puissance reçue du soleil ; il est égal à environ 30%.

 Le rayonnement solaire arrivant sur la terre est d’environ 240 W/m² qui réchauffe la terre. Celle-ci à son tour émet un rayonnement infrarouge. Mais, l’atmosphère n’est pas transparente aux infrarouges de grandes longueurs d’onde qui restent partiellement prisonniers et conduisent à un réchauffement de la surface de la terre et augmentera à son tour le rayonnement infrarouge. C'est l'effet de serre.

3 – Loi de Stefan-Boltzmann :

Tout corps chauffé émet un rayonnement thermique de flux thermique égal

 φ = σ T⁴

 

φ : flux thermique/surface (W/m²)

σ : constante de Stefan-Boltzmann égale à  5.67 /10⁸ W/m²xK⁴

T : température du corps en °Kelvin = 273.15 + température en °C

 

Si l’on connait la température d’un corps, il est possible de calculer le flux thermique (W/m²) émis par ce corps et vice versa.

 

Nous connaissons tous depuis la Covid, le thermomètre frontal qui détermine la température à partir de la mesure du rayonnement infrarouge du front de la personne. La détermination de la température est basée sur la loi du rayonnement émis de Stefan-Boltzmann. Le coût du thermomètre est de 25 € sur Amazon

 

 4 - Schématisation des flux :

 

Schéma en jaune : Le flux du rayonnement solaire arrivant est en moyenne de 340 W/m² ; 100 W/m² (albélo 30%) sont réfléchis. Donc si 240 W/m² arrivent sur le sol terrestre qui seront réfléchis en totalité vers l'atmosphère.

En appliquant la loi de Stefan-Boltzmann :

 240 = 5.67x10ˉ⁸T⁴  à T = 255°K ou -18°C

 

Schéma en rouge : Nous suivons le flux de rayonnement émis par la terre. 90 W/m² sortent directement vers l'atmosphère. 300 W/m² sont également émis ; mais 50% de ceux-ci sont renvoyés la terre et l'autre partie part vers l'atmosphère. Le bilan donne une sortie vers l'atmosphère de 240 W/m² , il est bien équilibré avec l'entrée. Nous avons un flux de rayonnement de la terre de 390 W/m²

En appliquant la loi de Stefan-Boltzmann :

390 = 5.67x10ˉ⁸T⁴  à T = 288°K ou 15°C

 

On vérifie que sans effet de serre : la température de la terre serait de -18°C. Avec effet de serre elle est de 15°C.

A vos machines à calculer !!!

 

 

5 – L’effet de serre peut changer :

Au milieu du 19^ème siècle, Claude Pouillet identifie les 2 principaux gaz à effet de serre la vapeur d’eau et le gaz carbonique. A la fin de ce siècle, le suédois plus connu Svante Arrhénuis prévoit, que pour une augmentation du gaz carbonique de 290 vpm* à 580 vpm, la température de la terre augmentera de 4°C. Avec les moyens de calcul actuel, on trouve un peu moins de 4°C.

vpm : partie par million en volume. Pour les gaz parfaits, cette valeur est proportionnelle au nombre de moles.

Personnellement j’en ai pris conscience au début des années 80 de l’augmentation possible de l’effet de serre. La société pétrochimique POLILAGO, où je travaillais au Venezuela, n’était pas dans la chimie des halogènes ; mais elle avait des actionnaires communs avec une société qui produisait des CFC (fluide réfrigérant) dans son usine au Venezuela. 

                                 Antoine - Jacques - Claude  Atelier d'extrusion de l'usine de Polilago
 

 

J'ai vu les producteurs de CFC en grande agitation à cause du trou d’ozone provoqué par ces produits et il était urgent de trouver de nouveaux produits, de les produire, puis d’adapter ou de remplacer les machines frigo du simple réfrigérateur de la maison, de l’air conditionné et des machines industrielles correspondantes. 30 ans ont été nécessaires pour réaliser ces changements. Aujourd'hui le pari semble gagné. Même si la raison de la disparition de l’ozone est dû à une réaction chimique des CFC avec l’ozone. Il était noté que l’effet de serre des CFC était très élevé, leur temps de vie dans l’atmosphère était extrêmement long. Les CFC n’existent pas naturellement et sont arrivés uniquement par l’activité humaine récente. Son temps de ½ vie est supérieure à 1000 ans. Leur concentration dans l'atmosphère est heureusement restée très faible. Mais l’on parlait aussi déjà de l’effet de serre dû au gaz carbonique CO₂ comme d’une épée de Damoclès pour le futur.

Les molécules avec 1 ou 2 atomes n’ont généralement pas d’effet de serre. C’est le cas de l’azote N_2, de l’oxygène O₂   et de l’argon Ar qui correspondent à plus de 99% de la composition de l’air.

Le gaz le plus important avec effet de serre est la vapeur d’eau H2O (3 atomes). Son effet est très difficile à cerner ; tout comme la météo. Elle représente 60% de l’effet de serre.

Le gaz carbonique CO₂ (3 atomes) est le 2^ème pour sa contribution à l’effet de serre Sa concentration de 415 vpm a augmenté en un siècle de 40% dans l’atmosphère et elle a été stable aux alentours de 280 vpm depuis plusieurs millénaires. Son temps de ½ vie est de 100 ans. L’augmentation observée est dû à la combustion des hydrocarbures ou du charbon dont la molécule contient des atomes de carbone.

Le méthane CH₄ (5 atomes) est le 3^ème gaz pour sa contribution à l’effet de serre. Sa concentration dans l’atmosphère est faible ; mais son effet de serre est environ 20 fois supérieure à celui du gaz carbonique. Son augmentation est dû en grande partie à l’activité pétrolière.

Il existe comme souvent en chimie une longue liste de produits émis dans l’atmosphère à effet de serre.

 

Le réchauffement climatique du à l'effet de serre existe. Ceux qui le nient ont tort.

 

 

Maintenant, il faut passer à l’action : Réduire les rejets de gaz carbonique.

Les énergies disponibles sur la terre sans émissions de gaz carbonique sont 2 : l’énergie solaire (très abondante) qui est d'ailleurs nucléaire et l'énergie nucléaire créé par l'homme (assez abondante) à partir de l'uranium, thorium ... Le vecteur de cette énergie sera l'électricité qui a le défaut de ne pas se stocker ou si peu. L'information est souvent abusive par exemple le Danemark est le pays le plus vert en produisant la totalité son électricité avec des éoliennes. Les jours sans vents, il sera sans électricité. Les jours d'été, il doit donner son électricité au réseau.                                                                          Laissons ce problème bien ardu aux ingénieurs et aux grandes compagnies électriques pas aux journalistes.

Pour le particulier, qui aimerait réduire son impact carbone, que faire ? Nous sommes importunés quotidiennement par des coups de téléphone par des escrocs qui ignorent la signification du watt et du joule.

Je donnerai 4 conseils :

 - L'isolement thermique de l'habitation ; mais l'expertise est bien difficile à trouver. Les vérifications obligatoires faites lors de la location ou de la vente d'un logement sont nulles. La seule valeur de l'expertise, qui a un sens de cette coûteuse expertise, est peut être la superficie de l'habitation.

 - Pour la voiture : Il faut se rappeler --> Énergie Cinétique =1/2mv² ( m est la masse ou poids du véhicule et v la vitesse). En clair, prenez une voiture légère et roulez moins vite.Votre voiture consommera beaucoup moins.

  - Pour le chauffage la pompe à chaleur ( encore un nom impropre). C'est un réfrigérateur qui fonctionne à l'envers. Les machines sont de bonnes qualités ; mais il faut prendre un vrai pro comme installateur sinon c'est la galère. L'économie par rapport à un chauffage électrique classique est 40%.

 - Un chauffe-eau solaire : quel plaisir de prendre sa douche avec de l'énergie gratuite pendant 6 mois de l'année.                                                         

J’ai l’impression que la diminution des rejets de gaz carbonique ne va pas être facile ; pourtant le temps presse.

Référence :

energie-developpementblogspot.com

livres ou vidéo de Jean-Marc Jancovici

Le livre scolaire : TERMINALE Spécialité PHYSIQUE CHIMIE