L'effet de serre et la température d'équilibre de la surface

Le devenir d'un flux visible incident de 100 W/m2 reçu par une surface assimilée à un corps noir : émission dans l'infrarouge, absorption par les gaz à effet de serre, renvois successifs vers la surface, et somme des termes de la suite géométrique ainsi formée.

L'effet de serre, du rayonnement incident à la température d'équilibre À gauche, une coupe de l'atmosphère : le rayonnement visible la traverse, la surface l'absorbe et réémet dans l'infrarouge, les gaz à effet de serre absorbent cet infrarouge et en renvoient la moitié vers la surface, puis le renvoi se répète. À droite, le flux cumulé absorbé par la surface, somme des termes d'une suite géométrique de raison un demi, et la température d'équilibre correspondante donnée par la loi de Stefan-Boltzmann.
Étape 1 sur 7

Flux renvoyés, flux cumulé absorbé par la surface et température d'équilibre correspondante
Rang n Flux absorbé au rang n
un (W/m2)
Flux cumulé
Sn (W/m2)
Température
d'équilibre (K)
(°C)
0100100204,9-68,2
150150226,8-46,4
225175235,7-37,4
312,5187,5239,8-33,3
46,25193,75241,8-31,4
53,125196,875242,7-30,4
limite0200243,7-29,4

Du modèle à la Terre

La surface terrestre absorbe 240 W/m2 de rayonnement solaire. En l'absence de gaz à effet de serre, sa température d'équilibre serait de 255 K, soit -18 °C. Le bilan radiatif mesuré indique qu'elle absorbe en réalité 390 W/m2, soit ces 240 W/m2 de rayonnement solaire et 150 W/m2 de rayonnement infrarouge renvoyé par l'atmosphère, et que sa température moyenne est de 288 K, soit 15 °C. Le modèle, qui suppose l'atmosphère opaque à la totalité de l'infrarouge, prévoirait un flux absorbé double du flux solaire, soit 480 W/m2 et 303 K. L'écart tient à ce que les gaz à effet de serre n'absorbent pas tout le rayonnement infrarouge émis par la surface : aux longueurs d'onde qu'ils n'absorbent pas, une partie de ce rayonnement gagne directement l'espace. Le modèle établit donc le mécanisme et le sens de l'écart de température, non sa valeur.