L'effet de serre en quelques dates

En un siècle et demi, l’homme a réinjecté dans l’atmosphère 545 milliards de tonnes de carbone sous forme de CO₂.

Énergie solaire…

L’équilibre climatique (état stationnaire) est obtenu quand le bilan énergétique global est nul : la quantité d’énergie reçue du Soleil est égale à la quantité d’énergie émise vers l’espace. Actuellement, 1 368 W/m² atteignent le « sommet de l’atmosphère », ce qui correspond en moyenne globale à 342 W/m² au sol. Compte tenu de l’albédo moyen de la Terre (30 % environ), on peut calculer que, en l’absence d’autres phénomènes, ce sont donc 235 W/m² qui seraient absorbés. La Terre se comporte comme un corps noir, qui rayonne de l’énergie sous forme électromagnétique avec une intensité variant très fortement avec la température (loi de Stefan-Boltzmann). Pour rayonner 235 W/m², la surface de la Terre devrait avoir une température moyenne globale de - 18 °C, peu propice au développement de la vie telle que nous la connaissons.

La température réelle à la surface est de + 15 °C, ce qui apporte la preuve expérimentale de l’existence d’un effet de serre naturel. À 15 °C (288 K), la Terre émet un rayonnement infrarouge dont le maximum d’intensité se situe à une longueur d’onde de 10 μm. Dans la gamme de longueurs d’onde de ce rayonnement infrarouge tellurique, un certain nombre de gaz présents à l’état de traces dans l’atmosphère l’absorbent. L’atmosphère, qui est transparente à la quasi-totalité du rayonnement solaire incident, se comporte donc comme un absorbeur qui piège une part importante du rayonnement tellurique. Ainsi réchauffée, elle se comporte aussi comme un corps noir, qui va rayonner de l’énergie sous forme infrarouge. À cause de sa température plus froide, l’atmosphère va rayonner moins d’énergie que la surface. Et comme elle la rayonne de façon isotrope, la moitié du rayonnement réémis va l’être en direction de la surface de la Terre. Il va donc y avoir piégeage de l’énergie entre l’atmosphère et la surface, et donc un réchauffement de la surface.
Ce fonctionnement rappelle celui d’une serre: le verre laisse entrer le rayonnement solaire incident mais piège l’énergie à l’intérieur de la serre. C’est cette similarité qui a donné le nom de gaz à effet de serre aux gaz atmosphériques qui absorbent le rayonnement infrarouge tellurique.

… Et gaz à effet de serre

La composition de la basse atmosphère, légèrement variable selon le lieu, est donnée dans le tableau ci-dessous :

Dans la nature, le principal gaz à effet de serre est la vapeur d’eau, qui est directement responsable d’environ 60 % de l’effet de serre naturel, le reste provenant des nuages et de divers gaz, au premier rang desquels le dioxyde de carbone CO₂. Bien que présent en très faible quantité, l’ozone O₃ est un gaz à effet de serre très actif qui contribue à 8 % de l’effet de serre global.
De 1750 à 2011, par l’utilisation de combustibles fossiles, la production de ciment, la déforestation et la modification de l’occupation des sols (pratiques agricoles, extension des villes…), l’homme a réinjecté dans l’atmosphère 545 milliards de tonnes de carbone que la Nature avait mis des centaines de millions d’années à stocker. De ces émissions d’origine anthropique, 240 milliards de tonnes se sont accumulées dans l’atmosphère, le reste ayant été capturé par les océans et les écosystèmes naturels terrestres.

De ce fait, durant cette période, la concentration de dioxyde de carbone a augmenté de 40 %, passant de 280 à 391 ppm (parties par millions). Plus de 50 % de l’effet de serre additionnel dû aux activités humaines provient du CO₂. Les autres contributeurs sont le méthane CH₄, l’oxyde nitreux N₂0, l’ozone troposphérique O₃, les halogénures de carbone (CFC ou leurs substituts actuels)…

L’impact des gaz à effet de serre sur le climat dépend non seulement de leur opacité au rayonnement infrarouge, mais aussi du temps qu’ils restent dans l’atmosphère avant d’en être éliminés soit par réaction chimique, soit par absorption par un autre compartiment de l’environnement.

Modification du forçage radiatif entre 1750 et 2000

On appelle forçage radiatif la puissance additionnelle du rayonnement total, solaire et infrarouge, reçue par la surface de la Terre, par rapport à une situation de référence (ici 1750). Différentes causes sont ici inventoriées. Les niveaux de confiance sont notés F (faible), M (moyen), E (élevé) et TE (très élevé). Tableau extrait du rapport du Giec 2013.

L’ozone troposphérique, qui disparaît par réactions chimiques, a un temps de résidence très variable en fonction des conditions atmosphériques, mais il ne dépasse pas quelques semaines. Le méthane a un temps de résidence de dix ans ; le dioxyde de carbone de plus d’une centaine d’années ; l’oxyde nitreux et les CFC de l’ordre du siècle également.

De fait, beaucoup de composés injectés dans l’atmosphère contribuent à l’effet de serre, même si ce ne sont pas eux-mêmes des gaz à effet de serre. Les aérosols contribuent à l’effet de serre directement en fonction de leur composition, de leur altitude et de la réflectivité du sol. Les composés, qui modifient la capacité oxydante de l’atmosphère, vont avoir un effet indirect sur l’effet de serre en agissant sur la production de gaz comme l’ozone ou en modifiant l’élimination de gaz comme le méthane. Ainsi, le monoxyde de carbone CO détruit les radicaux hydroxyle OH qui sont les agents destructeurs du méthane. L’injection de CO dans l’atmosphère va donc inhiber l’élimination du méthane dont l’effet de serre perdurera plus longtemps.