L’effet de serre a été mis en évidence au cours du 19e siècle. Déjà célèbre pour ses travaux sur la propagation de la chaleur (Théorie de la propagation de la chaleur dans les solides, 1807; Théorie analytique de la chaleur, 1822), Joseph Fourier (1768 – 1830) émet en 1824 l’hypothèse que la présence de gaz atmosphériques serait responsable d’un échauffement supplémentaire au sol (Annales de chimie et de physique, 1824) : “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”.

Ses travaux sont vite repris par Claude Pouillet (1790 – 1868), physicien et enseignant réputé de l’Université de Paris. En 1837, il met au point le pyrhéliomètre, un instrument permettant de mesurer la quantité d’énergie solaire reçue sur Terre et publie l’année suivante son Mémoire sur la chaleur solaire, sur les pouvoirs rayonnants et absorbants de l’air atmosphérique et sur la température de surface et donc voici quelques extraits.

J. Fourier

“Les théorèmes relatifs à l’émission de la chaleur permet de déterminer les conditions d’équilibre de température de l’atmosphère; pour cela nous allons considérer d’une manière générale les conditions d’équilibre de température d’un globe protégé par une enveloppe (diathermane) au milieu d’une enceinte sphérique.

Toutes les enveloppes diathermanes qui exercent des pouvoirs absorbants égaux sur les rayons de chaleur du globe et de l’enceinte, n’empêchent pas que, pour l’équilibre, le globe et l’enceinte ne doivent pas avoir exactement la même température, comme si l’enceinte diathermane n’existait pas.

Quant à la température de l’enveloppe diathermane elle-même, […] elle ne peut être égale à celle du globe et de l’enceinte que sous la condition que […] le pouvoir émissif de cette enveloppe soit égal à son pouvoir absorbant; c’est ce qui arrive, en effet, pour le sel gemme et pour l’air.

Schéma du pyrhéliomètre (1838)

Mais ces conditions ne se trouvent plus remplies, quand l’enveloppe diathermane exerce des pouvoirs absorbants inégaux sur la chaleur de l’enceinte et sur celle du globe, le principe de l’égalité des températures cesse d’être vrai, et, aussitôt, il se manifeste alors, contrairement aux lois ordinaires de l’équilibre, des différences plus ou moins considérables entre les températures du globe, de l’enceinte et de l’enveloppe.

Il en résulte, par-exemple, que si l’enveloppe diathermane absorbe seulement les 3/10 de la chaleur de l’enceinte et les 8/10 de celle du globe, la température du globe surpasse alors de 45,5 °C celle de l’enceinte et de 59,5° celle de l’enveloppe, qui se trouve ainsi à 14° au-dessous de la température de l’enceinte elle-même.

Quant à la chaleur solaire, il n’existe aucun doute : on sait qu’en traversant les substances diathermanes, elle est moins absorbée que la chaleur qui provient des différentes sources terrestres dont la température n’est pas très haute. Il est vrai qu’on n’a pu en faire l’expérience que sur des écrans diathermanes solides ou liquides, mais l’on regarde comme certain que la couche atmosphérique agit à la manière des écrans de cette espèce, et qu’en conséquent elle exerce sur les rayons terrestres une plus grande absorption que sur les rayons solaires.

L’inégalité d’absorption dont il s’agit tient donc à des propriétés particulières que prennent les rayons de chaleur lorsqu’ils sont émis par des sources d’une température plus ou moins haute.”

Explications

Le terme “diathermane” caractérise un corps qui laisse passer la chaleur transmise par rayonnement (ex. rayonnement solaire ou thermique infrarouge). Ici, l’enveloppe diathermane représente l’atmosphère du globe terrestre. Elle absorbe les rayons solaires et infrarouges. Cette absorption est d’autant plus importante pour les rayons infrarouges. Ainsi, l’atmosphère agit comme un “écran” sur les rayons terrestres. 

Ainsi, l’atmosphère agit comme une vitre qui absorbe d’avantage les rayons thermiques terrestres que les rayons solaires. Delà est faite l’analogie avec le réchauffement d’une serre vitrée. Les rayons solaires traversent le médium et réchauffent le sol. Celui-ci émet en retour de la chaleur portée par un rayonnement infrarouge. Le rayonnement se propage dans l’atmosphère confinée et atteint les parois vitrées qui se comportent cette fois comme un écran opaque. La chaleur est alors redirigée vers le sol ce qui accroît son échauffement et contribue à maintenir une température élevée dans l’air ambiant. 

L’atmosphère se comporte de façon analogue au vitrage d’une serre horticole mais elle n’est pas parfaitement opaque aux rayons infrarouges. Elle piège une partie des rayons infrarouges mais certains parviennent à la traverser et s’échappe hors du champ terrestre.