L'effet de serre est un processus naturel résultant de l'influence de l'atmosphère sur les différents flux thermiques contribuant aux températures au sol d'un objet céleste. La prise en compte de ce processus est nécessaire pour comprendre les températures observées à la surface des planètes ou satellites recouverts d'une atmosphère épaisse comme la Terre, Vénus et Titan, et le processus doit se produire aussi pour certaines exoplanètes. Le terme fait référence à l'effet analogue qu'une serre a sur la température des plantations qu'elle abrite.
Dans un système stellaire, l'essentiel de l'énergie thermique reçue par une planète ou un satellite provient du rayonnement stellaire. En l'absence d'atmosphère, cet objet en réfléchit une partie, absorbe le reste et rayonne essentiellement comme un corps noir, ce qui conduit à une certaine température au sol. Une atmosphère réfléchit, absorbe et réémet une partie du rayonnement reçu de l'étoile, et réfléchit, absorbe et réémet également une partie du rayonnement reçu de la surface de l'objet. Ces différents processus modifient l'équilibre thermique à la surface de l'objet, notamment parce que l'atmosphère ne réfléchit et n'absorbe pas également les différentes composantes spectrales d'un rayonnement incident alors que la répartition spectrale du rayonnement stellaire et celle du rayonnement reçu de la surface sont très différentes.
L'expression effet de serre s'est popularisée dans le cadre de la vulgarisation du réchauffement climatique, dû aux gaz « à effet de serre » qui se sont accumulés dans l'atmosphère terrestre en raison des activités humaines. Ces gaz absorbent le rayonnement infrarouge émis par la surface plus que le rayonnement solaire, et réémettent ce rayonnement vers le haut comme vers le bas : le rayonnement réémis vers le bas s'ajoute au rayonnement solaire direct. Le bilan global est que la température au sol est supérieure à ce qu'elle serait en l'absence d'une atmosphère, et qu'elle augmente au fur et à mesure qu'augmente la concentration de l'atmosphère en gaz à effet de serre.. Le bilan radiatif décrit les mécanismes de l'effet de serre. Le GIEC utilise le terme de forçage radiatif pour décrire la modification du bilan radiatif induite par une modification de la concentration d'un gaz à effet de serre ou d'un autre forçage climatique.
Les températures terrestres résultent d'interactions complexes, notamment entre les apports solaires perturbés par les cycles de l'orbite terrestre, l'effet de l'albédo, les courants de convection dans l'atmosphère et les océans, le cycle de l'eau et le forçage radiatif de l'atmosphère.
Histoire La question de l'équilibre entre l'énergie reçue du Soleil (par rayonnement visibles) et celle réémise par la Terre (par rayonnements thermiques) et celle du rapport entre cet équilibre et la température terrestre remontent à la fin du . Dans les années 1780, Horace-Bénédict de Saussure mesure les effets thermiques du rayonnement solaire à l'aide de boîtes transparentes qu'il dispose dans la vallée et au sommet d'une montagne. En 1824, Joseph Fourier publie Remarques générales sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires, dans lesquelles il affine l'analyse des expériences de Horace-Bénédict de Saussure, en concluant « la température du sol est augmentée par l'interposition de l'atmosphère, parce que la chaleur solaire trouve moins d'obstacles pour pénétrer l'air, étant à l'état de lumière, qu'elle n'en trouve pour repasser dans l'air lorsqu'elle est convertie en chaleur obscure»..
En novembre 1856, Eunice Newton Foote publie Circumstances affecting the Heat of the Sun's Rays dans la revue American Journal of Science. Elle décrit une expérience où elle mesure la température interne de cylindres de verre, exposés au Soleil et remplis de différents mélanges gazeux. Elle découvre que le dioxyde de carbone retient particulièrement bien la chaleur et conclut que « une atmosphère constituée de ce gaz donnerait à notre Terre une haute température ». Oubliée, sa contribution scientifique est redécouverte en 2011.
En 1861, John Tyndall identifie à son tour les principaux responsables de ce mécanisme : la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone. Il suggère alors qu'une modification de la composition de l'atmosphère peut avoir une influence sur l'évolution du climat. En 1896, Svante August Arrhenius propose la première estimation de l'impact du niveau de dioxyde de carbone sur les températures terrestres. Il estime qu'un doublement de la quantité de dioxyde de carbone devrait augmenter de la température moyenne.. Il espère ainsi que l'exploitation du charbon permettra de surmonter la prochaine ère glaciaire due à l'orbite terrestre. Le géologue américain Thomas Chrowder Chamberlin arrivera indépendamment aux mêmes conclusions.
En 1909, Robert Williams Wood montre que contrairement à une idée reçue, le blocage du rayonnement infrarouge par le verre n'est pas le principal mécanisme qui explique le fonctionnement d'une serre, 1909, archive en ligne.. De ce fait, le terme scientifique adopté par le GIEC, utilisé pour décrire l’influence des composants de l'atmosphère bloquant le rayonnement infrarouge sur le bilan thermique de la Terre, est « bilan radiatif » et non « effet de serre ».
L'expression synthétique effet de serre provient de la vulgarisation au début des des résultats alarmants des recherches climatologiques. Alors que les climatologues analysent l'impact du dioxyde de carbone sur le climat sans parler d'effet de serre, , Massachusetts, 23-27 juillet 1979 lire en ligne ., les premières alertes pour infléchir les décisions politiques sont lancées au début des années 1980 en utilisant cette expression ., reprise par la suite dans des rapports de plus en plus médiatisés, comme le rapport Brundtland (1987). En France, Jean-Marc Jancovici et Hervé Le Treut ont vulgarisé les risques liés à l'effet de serre depuis les années 1980.
Mécanisme
Rayonnement solaire sur terre
vignette|upright=1.5|Le climat de la Terre est largement déterminé par le bilan radiatif de la Terre, c'est-à-dire l'équilibre entre le rayonnement entrant et sortant. Ils sont mesurées par des satellites et exprimées en W/. Le déséquilibre (ou taux de réchauffement global ; indiqué dans la figure par la quantité « net absorbed ») est passé de + (en 2009.) à plus de + en 2019..
Lorsque le rayonnement solaire atteint la Terre, une partie (environ 30 %) est directement réfléchie, c'est-à-dire renvoyée vers l'espace, par l'atmosphère terrestre et la surface de la Terre (océans et continents). L'albédo est la mesure de cet effet de miroir. L'énergie incidente qui n'a pas été réfléchie vers l'espace (70 %) est absorbée par l'atmosphère (20 %) et la surface terrestre (50 %).
L'énergie absorbée par la surface du sol ou de l'océan réchauffe cette surface. La température de surface augmentant, la surface réémet cette énergie, en partie (17 à 20 %) sous forme de rayonnements infrarouges lointains (dans la plage , correspondant au « rayonnement du corps noir » pour la température du sol), mais principalement (25 %) sous forme d'évaporation, ce qui consomme la chaleur latente d'évaporation et charge l'atmosphère en vapeur d'eau.
Le rayonnement s'échappe dans l'espace, dans la plage de rayonnement pour laquelle l'atmosphère est transparente. Cependant, une partie de ce rayonnement est bloquée par les plages d'absorption de certains gaz, en particulier la vapeur d'eau () et le gaz carbonique (), pour lesquels l'épaisseur optique de l'atmosphère est de plusieurs centaines. L'atmosphère étant totalement opaque à ces rayonnements, l'énergie associée reste localisée : au lieu de s'échapper dans l'espace, cette partie du rayonnement (de l'ordre de ) reste bloquée dans la basse atmosphère, dont elle augmente la température.
L'effet de serre ne s'intéresse qu'à ces rayonnements absorbés par les gaz à effet de serre, ce qui contribue à réchauffer l'atmosphère.
Sans effet de serre (ce qui implique notamment : sans vapeur d'eau et sans nuages), et à albédo constant, on évalue couramment que la température moyenne sur Terre chuterait à , température d'équilibre d'un corps noir exposé au Soleil. Ce calcul suppose que la température d'équilibre de la Terre ne varie pas sensiblement entre le jour et la nuit, et est constante sur l'ensemble de la planète. Mais à cette température la glace s'étendrait sur le globe, l'albédo terrestre augmenterait, et la température se stabiliserait vraisemblablement en dessous de (voir glaciation Varanger). Sans atmosphère opaque aux rayonnements, la Terre serait en réalité dans la même situation que la Lune, qui a une température moyenne de (en effet, le rayonnement du corps noir variant en T4, l'émission de la température moyenne est très inférieure à la moyenne des émissions d'une distribution réelle).
Refroidissement de l’atmosphère
thumb|upright=1.5|Bilan énergétique de l'atmosphère : L'énergie rayonnée en infrarouge par l'atmosphère en haute altitude (59% de l'énergie solaire reçue) n'est que faiblement due au rayonnement thermique de la surface (qui ne contribue qu'à hauteur de 5%) mais principalement à l'absorption directe de l'énergie solaire (23%), au transfert de chaleur latente par la vapeur d'eau (25% par évaporation) et à un moindre degré à l'énergie cinétique de convection (5%).
Le transfert de chaleur entre la Terre et l'atmosphère se fait, conformément au deuxième principe de la thermodynamique, du chaud (la terre) vers le froid (l'atmosphère).
L'atmosphère chauffée ne peut pas refroidir par rayonnement, parce que les gaz ne peuvent rayonner que suivant les fréquences qu'ils absorbent : dans la plage d'infra-rouge où l'atmosphère est transparente, elle ne peut ni absorber ni émettre ; et dans la plage où elle est opaque, le rayonnement ne peut pas se propager à longue distance. C'est parce que les échanges par rayonnements sont négligeables que la météorologie considère que l'évolution des masses d'air est adiabatique, et fonde ses prédictions sur le gradient adiabatique dans l'atmosphère.
La seule possibilité pour évacuer l'énergie bloquée est de transformer une partie de l'énergie bloquée en énergie mécanique, par convection (réchauffement et humidification de l'air au contact du sol puis ascension de cet air et libération de la chaleur latente de la vapeur d'eau lorsqu'elle se condense en nuages). La convection peut se faire à petite échelle (cellule orageuse), moyenne échelle (cyclone), ou à l'échelle planétaire par les cellules de Hadley. La convection, principalement celle de la zone de convergence intertropicale, est le moteur qui met en mouvement toute la circulation atmosphérique. Elle permet aux masses d'air chauffées d'atteindre le niveau de la tropopause, altitude à laquelle l'épaisseur optique de la vapeur d'eau (et à moindre titre du ) est suffisamment faible pour permettre aux rayonnements émis de s'échapper dans l'espace.
L’altitude où l’épaisseur optique devient suffisamment faible pour que le rayonnement thermique s’échappe dans l’espace est une donnée fondamentale pour l’équilibre thermique d’une planète. Vu de l’espace, c’est l’altitude à laquelle l’observation de cette planète montre pour cette longueur d’onde une « surface » brumeuse interdisant la perception de détails plus profonds. Cette surface émettrice doit accorder la puissance moyenne rayonnée par la planète avec la puissance reçue du Soleil (après soustraction de ce qui est dû à l'albédo), ce qui fixe sa température d’équilibre par la loi de Stefan-Boltzmann (après prise en compte de l'émittance de ces couches).