1. Tout objet émet un rayonnement thermique
Placez la main près d'une lampe halogène de studio éteinte depuis peu, ou près d'une presse d'imprimerie chaude : vous sentez de la chaleur sans contact. C'est le rayonnement thermique : tout objet, quelle que soit sa température, émet des ondes électromagnétiques.
Rayonnement thermique : rayonnement électromagnétique émis par tout corps du seul fait de sa température. Ses caractéristiques — puissance émise et répartition spectrale (domaines de longueurs d'onde) — dépendent de la température du corps.
- Températures usuelles (peau, machines, murs de l'atelier) : le rayonnement appartient au domaine infrarouge (IR), invisible pour l'œil.
- Températures très élevées (filament d'une lampe à incandescence ≈ 2 500 °C, surface du Soleil ≈ 5 500 °C) : une partie du rayonnement devient visible — le corps « rougeoie » ou brille.
Retenir : plus un corps est chaud, plus il émet de puissance rayonnée, et plus son rayonnement se déplace vers les petites longueurs d'onde (de l'IR lointain vers l'IR proche, puis le rouge, puis tout le visible).
Montrer qu'un objet se réchauffe sous l'effet d'un rayonnement (protocole) :
- 1. Placer deux plaques métalliques identiques, l'une peinte en noir, l'autre recouverte d'aluminium brillant, à égale distance d'une lampe de studio puissante.
- 2. Fixer sur chaque plaque un thermomètre (ou une sonde de température ExAO).
- 3. Allumer la lampe et relever les températures toutes les minutes pendant 10 min.
- 4. Conclure : les deux plaques se réchauffent sans contact avec la lampe (transfert par rayonnement) ; la plaque noire se réchauffe davantage car elle absorbe mieux le rayonnement.
- 5. Recommencer en interposant une plaque de verre, puis de polycarbonate : comparer l'absorption de l'infrarouge par différents matériaux.
2. La caméra thermique : voir l'infrarouge
Une caméra thermique (thermographie) possède un capteur sensible à l'infrarouge. Elle convertit le rayonnement IR reçu en image en fausses couleurs : chaque couleur correspond à une température de surface.
Exemple exploité — Diagnostic de l'atelier : une image thermique de l'atelier d'imprimerie prise en hiver montre :
- des zones rouges/blanches au niveau des fenêtres et d'une porte : fuites de chaleur (température de surface extérieure élevée) ;
- des zones bleues sur les murs isolés : peu de pertes ;
- un point chaud sur l'armoire électrique : connexion défectueuse à faire vérifier.
La thermographie permet de cibler les travaux d'isolation et de prévenir les échauffements anormaux des machines, sans aucun contact.
3. L'effet de serre atmosphérique
Le Soleil, très chaud, émet surtout dans le visible (et le proche IR). Ce rayonnement traverse l'atmosphère et chauffe la surface de la Terre. La Terre, beaucoup plus froide, réémet à son tour un rayonnement thermique situé dans l'infrarouge.
Effet de serre : mécanisme par lequel certains gaz de l'atmosphère — les gaz à effet de serre (GES) — absorbent le rayonnement infrarouge émis par la Terre, tout en laissant passer l'essentiel du rayonnement visible venant du Soleil. L'énergie ainsi retenue est réémise en partie vers la surface, qui reçoit donc davantage d'énergie par transfert radiatif : sa température moyenne augmente.
Principaux gaz à effet de serre :
- la vapeur d'eau H2O (premier GES naturel) ;
- le dioxyde de carbone CO2 (combustions, transports, industrie, chauffage des locaux) ;
- le méthane CH4 (élevage, décharges, fuites de gaz) ;
- le protoxyde d'azote N2O (engrais, procédés industriels).
Pourquoi « serre » ? Comme la vitre d'une serre de jardinier — transparente à la lumière visible mais bloquant partiellement l'infrarouge — les GES laissent entrer l'énergie solaire et freinent sa sortie. Sans effet de serre naturel, la température moyenne de la Terre serait d'environ −18 °C au lieu de +15 °C : l'effet de serre est donc naturel et indispensable. Le problème actuel est son amplification.
Exemple documentaire — Amplification par les activités humaines : depuis l'ère industrielle, la concentration en CO2 est passée d'environ 280 ppm à plus de 420 ppm, du fait de la combustion des énergies fossiles (chauffage, transports, production d'électricité, fabrication du papier, fonctionnement des data centers qui hébergent nos images). Ce supplément de GES augmente l'énergie retenue par l'atmosphère : la température moyenne mondiale a déjà augmenté d'environ 1,2 °C, avec des conséquences mesurables (fonte des glaciers, événements extrêmes).
Sécurité — rayonnements des sources de lumière : les projecteurs de studio puissants et les lampes UV de certaines cabines de séchage d'encre émettent des rayonnements intenses (visibles et invisibles). Ne jamais regarder directement une source puissante, utiliser les écrans de protection et lunettes adaptées, respecter les distances d'utilisation indiquées par le fabricant. Les lampes halogènes chauffent fortement : risque de brûlure et d'incendie au contact de papiers ou de tissus.
Mesures et incertitudes : la température affichée par une caméra thermique dépend du réglage d'émissivité et possède une incertitude de quelques degrés : on l'utilise pour comparer des zones entre elles (approche qualitative), pas pour certifier une température exacte. Présenter les mesures avec un nombre de chiffres significatifs raisonnable (par exemple 21 °C plutôt que 21,437 °C).