Les transferts d'énergie dans l'atmosphère

• La loi de Wien
• La loi de Stefan

Pour pouvoir s'extraire de la Terre, le rayonnement émis par sa surface doit traverser l'atmosphère. La densité de celle-ci décroît progressivement avec l'altitude. La moitié de la masse de l'atmosphère se concentre sous 16 km d'altitude, où a lieu l'essentiel de l'activité météorologique et où se trouve la totalité de la vapeur d'eau et des nuages. Le reste se situe pour l'essentiel sous la limite de 30 km.

Les propriétés d'absorption des gaz atmosphériques du doc. 3 ont été étudiées dès 1859 par le physicien irlandais John Tyndall. Il a travaillé notamment sur les « gaz et vapeurs parfaitement incolores et invisibles », aujourd'hui qualifiés de gaz à effet de serre. Ses conclusions se sont concentrées sur l'eau \text{H}_2\text{O}, le dioxyde de carbone \text{CO}_2 et l'ozone \text{O}_3. Ses expériences ont démontré que ces gaz avaient un fort impact sur la température de surface de la Terre. Il a illustré ses conclusions en affirmant que, sans vapeur d'eau, la surface de la Terre serait « rapidement prise dans un étau de glace ».

Au-delà de son atmosphère, les instruments en orbite autour de la Terre sont capables de mesurer une puissance surfacique de 240 W·m^-2 qui s'échappe de la Terre en direction de l'espace. Pourtant, d'après la loi de Stefan-Boltzmann, la température moyenne de la surface terrestre, à savoir 15 °C, implique que le sol émet en moyenne 390 W·m^-2 sous forme de rayonnement infrarouge. Comment expliquer un tel écart ?
Pour y répondre, il faut savoir qu'une grande partie du rayonnement infrarouge émis par la surface de la Terre est absorbée par l'atmosphère. Ainsi réchauffée, l'atmosphère émet son propre rayonnement infrarouge, vers le sol d'une part, et l'espace d'autre part. Ce phénomène est appelé « l'effet de serre ».