Notre étoile, le soleil, nous envoie chaque jour une quantité considérable d'énergie : en une année, l'humanité toute entière consomme une énergie qui représente moins de 3% de ce que le Soleil nous envoie chaque jour.

Cette énergie solaire nous arrive sous forme de rayonnement électromagnétique, dont la lumière fait partie.

- la lumière,

- les infrarouges,

- les ultraviolets,

- les rayons X,

- les ondes radio,

- les micro-ondes qui circulent dans les fours de même nom,

- et, pour ceux qui s'intéressent à la radioactivité, les rayons gamma,

sont des rayonnements qui sont tous de même nature : ils forment la vaste famille des rayonnements électromagnétiques.

Tout corps ayant dépassé le zéro absolu (c'est à dire -273,15 de nos degrés !) émet du rayonnement électromagnétique pour dissiper une partie de son énergie :

- s'il n'est pas très chaud, il n'émettra que des ondes radio ; c'est le cas de certains objets dans l'espace (où effectivement il ne fait pas chaud : - 270 degrés Celsius !),

- s'il est plus chaud il émet aussi des infra-rouges (par exemple notre corps émet des infrarouges, même la nuit : c'est grâce à cela que l'on peut construire des caméras à infrarouges qui permettent de nous "voir la nuit" en captant ces infrarouges),

- s'il est encore plus chaud (à partir de 700° C, par exemple un morceau de métal chauffé "au rouge"), il émettra aussi de la lumière visible ; dans nos ampoules électriques nous ne faisons rien d'autre que de chauffer à l'électricité un filament de métal vers les 2700 °C, ce qui lui fait rayonner de la lumière visible,

- encore plus chaud, il émettra aussi des ultraviolets, c'est le cas du soleil,

- encore plus chaud, il émettra des rayons X : c'est le cas de certains corps célestes.

Le soleil, qui est très chaud (6.000 °C à la surface), nous envoie un rayonnement composé de :

- 10% d'ultra-violets (dont une bonne partie est arrêtée par la fameuse "couche d'ozone", heureusement pour nous car les ultraviolets, qui sont des rayonnements "énergiques", sont néfastes à la vie : ils ont tendance à "casser", dans les cellules vivantes, des liaisons chimiques indispensables),

- 40% de lumière visible

- 50% d'infrarouges.

La Terre, qui n'est pas très chaude (15 °C), émet uniquement des infrarouges (qui ne sont pas les mêmes que ceux du soleil).

Or un matériau peut très bien être transparent pour l'un de ces rayonnements et pas pour les autres : notre propre corps, par exemple, est transparent pour les rayons X (qui passent bien à travers, c'est pour cela que l'on s'en sert en radiographie), mais ne l'est pas pour la lumière visible.

Lorsqu'il arrive à la surface de l'atmosphère, un tiers de ce rayonnement est directement réfléchi vers l'espace par les nuages (20%), les diverses couches de l'atmosphère (6%), et la surface de la terre (4%), qui comporte aussi une part non négligeable de glace - les calottes polaires - qui sont particulièrement réfléchissantes.

Le reste est absorbé par les divers composants de notre planète (sol, océans, atmosphère, cf. schéma ci-dessous), puis finalement réémis vers l'espace sous forme de rayonnement infrarouge.

Les 342 W/m² de rayonnement incident du soleil correspondent à une double moyenne, temporelle (sur l'année) et géographique (sur la surface de la planète), de l'énergie reçue par un m² de surface au sommet de l'atmosphère.

En effet, tout comme notre peau chauffe si on la met au soleil, la surface de la Terre et l'atmosphère chauffent lorsqu'elles sont exposées à la lumière (en captant son énergie), et en retour émettent des infrarouges, comme il est expliqué dans le premier encadré ci-dessus.

Les gaz à effet de serre, qui avaient laissé passer la lumière sans encombre, ont par contre la propriété d'absorber une partie de ces infrarouges. En absorbant ces infrarouges, ils en récupèrent l'énergie et chauffent.

Cela conduit, de proche en proche, ces gaz, puis l'atmosphère basse (on parle de troposphère), puis la surface de la Terre - à être plus chauds que si le rayonnement infrarouge passait à travers l'atmosphère sans être intercepté.

Bien sûr, le système finit toujours par s'équilibrer, mais il s'équilibre à une température supérieure à celle qu'il aurait si ces gaz n'étaient pas là.

Vapeur d'eau (H₂O)

Gaz carbonique (CO₂)

Ozone (O₃)

Méthane (CH₄)

Protoxyde d'azote (N₂O)

Oxygène (O₂)

On a représenté sur le diagramme ci-dessus deux courbes, qui représentent la répartition par longueur d'onde des rayonnements émis par le soleil (6000 K, car le soleil est à 6.000 Kelvin en surface) et par la Terre (255 K, c'est à dire la température de la Terre sans effet de serre : 255 K, c'est à peu près -18°C ; la distribution du rayonnement pour +15°C, c'est à dire 287 K, est de toute façon quasiment identique).

Rappelons que la température en kelvins (K) est égale à la température en degrés Celsius (les degrés "normaux", symbole °C) plus 273,15. Il s'agit juste d'un décalage du zéro des températures.

Ces deux courbes sont normalisées, c'est à dire qu'on a mis leur maximum à la même hauteur.

Les bandes de couleur représentent (une couleur par gaz) la proportion de l'énergie rayonnée qui est interceptée par les gaz à effet de serre, et ce pour chaque fréquence. En fait, il y a quelques recouvrements, mais ils ne sont pas représentés sur le schéma pour simplifier les choses (simplification acceptable pour une première idée de la chose).

On constate assez facilement, en regardant ce petit diagramme :

- que le "pic" du rayonnement solaire est dans le visible (les gammes : ultraviolet, visible, proche infrarouge, infrarouge lointain, sont indiquées en bas du diagramme), alors que la Terre n'émet rien d'autre que de l'infrarouge lointain,

- que les infrarouges reçus du soleil sont des proches infrarouges, qui ne sont pas les mêmes - et sont moins arrêtés - que ceux émis par la Terre,

- que le rayonnement ultraviolet du soleil est quasiment totalement arrêté par l'ozone (à gauche), grâce à quoi nous sommes en vie,

- que la lumière visible du soleil est très peu interceptée par l'atmosphère (ce qui se constate facilement !),

- que tout rayonnement émis par la Terre est partiellement ou totalement absorbé par un gaz à effet de serre (il y a "de la couleur" sous chaque fréquence), au sein desquels c'est de loin la vapeur d'eau qui en arrête le plus (bleu clair à droite),

- que c'est bien parce que les longueurs d'onde arrêtées par les divers gaz à effet de serre sont différentes que les effets des gaz se cumulent : si tous les gaz à effet de serre agissaient sur les mêmes plages de fréquence on voit bien que cela "saturerait" très vite sur ces fréquences mais que cela laisserait le rayonnement repartir sans encombre pour le reste,

-enfin que de rajouter des gaz à effet de serre a un impact d'autant plus important que la proportion du rayonnement déjà absorbé par ce gaz est faible : l'effet est d'autant plus important qu'il reste "du noir vers le bas" et que la bande d'absorption est large sur la courbe.