Effet de serre

L'effet de serre est un processus naturel qui, pour une absorption donnée d'énergie électromagnétique, provenant du Soleil (dans le cas des corps du système solaire) ou d'autres étoiles (dans le cas général), confère au corps qui reçoit cette énergie une température de surface nettement supérieure à une situation « sans effet de serre ». On le retrouve sur différents objets célestes dans le système solaire, notamment sur Vénus.

L'usage courant de cette expression est une généralisation du phénomène empiriquement bien connu qui permet aux serres de maintenir les cultures à une température plus élevée^[1].

« L'effet de serre » est dû à la présence de gaz à effet de serre (GES) contenus dans l'atmosphère. Une partie du rayonnement solaire traverse l'atmosphère et atteint le sol, qui en retour émet un rayonnement thermique qui, lui, est absorbé par les GES, ce qui réchauffe l'atmosphère, qui elle-même réchauffe le sol (dans le cas de la Terre : la croûte terrestre, la biosphère et l'hydrosphère).

Une augmentation de la concentration des gaz à effet de serre dans l'atmosphère participe au réchauffement climatique.

Mécanisme sur Terre

Une représentation schématique des échanges d'énergie entre l'espace, l'atmosphère terrestre, et la surface de la Terre.

Si la majorité des rayonnements solaires traversent l'atmosphère pour toucher le sol (en rouge), la plus grande partie du rayonnement émis pas la Terre n'est pas transmise (en bleu) mais absorbée par l'atmosphère (en gris). L'absorption des rayons infrarouges est principalement due à la vapeur d'eau.

Lorsque le rayonnement solaire atteint l'atmosphère terrestre, une partie (environ 30 %) est directement réfléchie, c'est-à-dire renvoyée vers l'espace, par l'air, les nuages blancs et la surface claire de la Terre, en particulier les régions blanches et glacées comme l'Arctique et l'Antarctique, c'est l'albédo qui n'est pas représenté sur le schéma. Les rayons incidents qui n'ont pas été réfléchis vers l'espace sont absorbés par l'atmosphère (20,7 %) et la surface terrestre (51 %).

Cette dernière partie du rayonnement absorbée par la surface du sol lui apporte de la chaleur, autrement dit de l'énergie, qu'elle restitue à son tour, le jour comme la nuit, en direction de l'atmosphère sous forme de rayons infrarouges lointains (dans la plage 8-13 μm principalement). C'est le « rayonnement du corps noir ». Ce rayonnement est alors absorbé en partie par les gaz à effet de serre, ce qui réchauffe l'atmosphère. Puis dans un troisième temps, cette chaleur est réémise dans toutes les directions ; une partie s'échappe vers l'espace, mais une autre partie retourne vers la Terre et constitue un apport supplémentaire de chaleur à la surface.

Sans effet de serre, et à albédo constant, la température moyenne sur Terre chuterait à -18 °C^[2]. Mais à cette température la glace s'étendrait sur le globe, l'albédo terrestre augmenterait, et la température se stabiliserait vraisemblablement en dessous de -50 °C (voir glaciation Varanger)

Les gaz à « effet de serre »

Les gaz à effet de serre sont des composants gazeux de l'atmosphère qui contribuent à l'effet de serre. Ces gaz ont pour caractéristique commune d'absorber une partie des infrarouges émis par la surface de la Terre.

Les principaux gaz à effet de serre sont la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone (CO₂), le méthane (CH₄), l'oxyde nitreux (ou protoxyde d'azote, de formule N₂O) et l'ozone (O₃). Les gaz à effet de serre industriels incluent les halocarbones lourds (fluorocarbones chlorés incluant les CFC, les molécules de HCFC-22 comme le fréon et le perfluorométhane) et l'hexafluorure de soufre (SF₆).

Contributions approximatives à l'effet de serre des principaux gaz, d'après le GIEC^[3] :

• vapeur d'eau : 60 %
• dioxyde de carbone : 26 %
• ozone : 8 %
• méthane et oxyde nitreux : 6 %

En tenant compte de l'effet de serre des nuages, l'ensemble vapeur d'eau + nuages représente au moins 90 % de l'effet de serre.

Effets des activités humaines

L'élevage (bovin notamment) est une des sources de méthane, dont en Argentine (modélisation/Nasa)

La plupart des gaz à effet de serre (GES) sont d'origine naturelle. Mais certains d'entre eux sont uniquement dus à l'activité humaine ou bien voient leur concentration dans l'atmosphère augmenter en raison de cette activité. C'est le cas en particulier de l'ozone (O₃), du dioxyde de carbone (CO₂) et du méthane (CH₄).
La preuve que l'augmentation du CO₂ atmosphérique est d'origine humaine se fait par analyse isotopique.

L'ozone est fourni en grande quantité par l'activité industrielle humaine, alors que les CFC encore largement utilisés détruisent eux, l'ozone, ce qui fait que l'on peut constater un double phénomène :

• une accumulation d'ozone dans la troposphère au-dessus des régions industrielles ;
• une destruction de l'ozone dans la stratosphère au-dessus des pôles.

La combustion des carbones fossiles comme le charbon, le lignite, le pétrole ou le gaz naturel (méthane) rejette du CO₂ en grande quantité dans l'atmosphère : la concentration atmosphérique de gaz carbonique a ainsi légèrement augmenté, passant de 0,030 % à 0,038 % en 50 ans. Seule la moitié serait recyclée par la nature, et l'autre moitié resterait dans l'atmosphère, ce qui augmenterait l'effet de serre. Un des secteurs d'activités qui dégagent le plus de gaz à effet de serre est l'énergie : à ce sujet, voir l'article énergie et effet de serre.

La seconde cause d'émission de gaz à effet de serre est la déforestation, qui est responsable à elle seule de 20 % des émissions mondiales^[4]. Les déboisements les plus importants concernent les trois grandes forêts tropicales que sont la forêt amazonienne, la forêt du bassin du Congo, et la forêt indonésienne.

Les activités humaines dégagent donc une abondance de GES : les scientifiques du GIEC qui étudient le climat estiment que l'augmentation des teneurs en gaz d'origine anthropique est à l'origine d'un réchauffement climatique.

En France, selon le groupe Facteur 4, les émissions de gaz à effet de serre proviennent des transports pour 26 %, suivis de l’industrie (22 %), de l’agriculture (19 %), des bâtiments et habitations (19 %), de la production et de la transformation de l’énergie (13 %), et du traitement des déchets (3 %). Depuis 1990, les émissions ont augmenté de plus de 20 % pour les transports et les bâtiments. En revanche, elles ont diminué de 22 % dans l’industrie, de 10 % dans le secteur agricole, de 9 % dans le secteur de l’énergie et de 8 % pour le traitement des déchets^[5].

Hypothèse de l'emballement de l'effet de serre

On craint au pire le déclenchement d'un effet « boule de neige » (rétroaction positive), où le réchauffement conduirait à un réchauffement encore accru, via la disparition des glaces (réduction de l'albédo) et surtout la libération de stocks naturels de GES actuellement fixés par le pergélisol, les hydrates de méthane marins, ou encore la biomasse.

Si cela se produit et les réactions ne se terminent qu'après avoir produit une grande augmentation de la température, cela s'appelle un emballement de l'effet de serre (runaway greenhouse effect en anglais).

Selon l'hypothèse du fusil à clathrates (clathrate gun en anglais), un emballement de l'effet de serre pourrait être causé par la libération de méthane à partir des clathrates (hydrates de méthane qui tapissent le fond des océans) suite au réchauffement planétaire. On suppose que l'extinction massive d'espèces lors du Permien-Trias a été causée par un tel emballement^[6]. Il est également estimé que de grandes quantités de méthane pourraient être libérées de la toundra sibérienne qui commence à dégeler^{[réf. nécessaire]}, le méthane étant 21 fois plus puissant comme gaz à effet de serre que le dioxyde de carbone.

Conséquences pour l'environnement

L'effet de serre n'est pas en soi nocif aux écosystèmes ; sans lui, la Terre ne serait qu'une boule de glace où la vie ne serait pas possible, car il n'y aurait pas d'eau liquide. Le danger pour les écosystèmes réside plutôt dans la variation trop rapide et trop importante des conditions climatiques pour que la plupart des espèces dites évoluées puissent s'adapter en cas de changements de température et de pluviométrie. Des écosystèmes marins et littoraux pourraient également être touchés par une hausse du niveau de la mer et des modifications des courants marins et des conditions physico-chimique de l'eau de mer (acidité, taux de gaz dissouts...)^[7]. Les populations humaines seraient évidemment touchées par le réchauffement climatique. En effet, une hausse des températures aide à la prolifération des maladies infectieuses puisque celles-ci survivent mieux dans des milieux chauds et humides.

Le GIEC envisage, selon les scénarios, des augmentations de 1,5 °C à 6 °C pour le siècle à venir en supposant que l'augmentation des rejets de GES continue au rythme des 20 dernières années (on n'a pas observé de ralentissement global des émissions, même depuis la signature du protocole de Kyoto par la plupart des pays). Un arrêt total et immédiat des rejets de carbone n'empêcherait cependant pas la température moyenne de la planète de continuer à augmenter pendant plusieurs dizaines à centaines d'années, car certains gaz à effet de serre ne disparaissent de l'atmosphère que très lentement.

Dans la réalité on observe néanmoins depuis bientôt 10 ans une stagnation puis une légère baisse de la température moyenne terrestre^[8].

Histoire de la notion d'effet de serre

Joseph Fourier.

Dans les années 1780, Horace-Bénédict de Saussure mesure les effets thermiques du rayonnement solaire à l'aide de boites 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 ».

La vapeur d'eau et le dioxyde de carbone sont identifiés comme les principaux responsables de cet effet de serre par John Tyndall en 1861. Il suggère alors qu'une modification de la composition de l'atmosphère peut avoir une influence sur l'évolution du climat.

Svante August Arrhenius.

En 1896, Svante August Arrhenius estime, après avoir effectué une simple règle de trois, qu'un doublement de la quantité de dioxyde de carbone devrait augmenter de 4° la température moyenne^[9]. Il espère ainsi que l'exploitation du charbon permettra de repousser la prochaine ère glaciaire. Le géologue américain Thomas Chamberlin (en) arrivera indépendamment aux mêmes conclusions.

L'effet de serre est à l'origine des alertes du 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.

En 1909, Robert William Wood montre que l'effet de serre n'est pas en mesure de décrire correctement les phénomènes atmosphériques constatés par les climatologues. Le GIEC lui-même préfère parler désormais de forçage radiatif.

Débat scientifique sur l'origine et les conséquences de l'effet de serre

Les études concernant le réchauffement climatique et ses conséquences ont été parmi les plus fournies de l'histoire scientifique inter-disciplinaire. Toutefois, ces études se font sous d'importantes pressions politiques et économiques, de part et d'autre. Les décisions ont un poids qui justifie un lobbying intense, et des débats contradictoires sur l'interprétation des données disponibles.

Le fait que les activités humaines contribuent à l'augmentation en GES n'est pas discuté en soi ; en revanche, l'importance de ces modifications par rapport aux évolutions naturelles, et l'importance de leur effet climatique (par rapport à d'autres facteurs comme l'activité solaire par exemple) sont discutées.

Au plan des conséquences, les débats dépendent beaucoup des centres d'intérêt des participants : selon qu'on s'attache à une zone géographique particulière ou à la Terre dans son ensemble, à une espèce ou un biotope ou à la biosphère, les conclusions peuvent être fort différentes. Sans oublier les divergences entre spécialistes sur les capacités d'adaptation d'une espèce aux changements envisagés. L'histoire de la Terre montre qu'elle est passée par des bouleversements bien plus importants et que la vie s'est adaptée et a continué, mais l'ampleur des extinctions peut être très importante. L'éventuel changement climatique, qui pourrait avoir une intensité inhabituelle pour un délai si court (quelques siècles seulement), pourraient avoir un effet massif sur la sélection naturelle, les disparitions et apparitions d'espèces.

Effet de serre sur les autres planètes

Effet de serre sur Vénus

Sur Vénus l'effet de serre a porté la température à plus de 460 °C. Cet effet n'est pas dû au dioxyde de carbone qui constitue 96 % de l'atmosphère, mais à des constituants en très faibles quantités relatives tels que SO₂ et H₂O. En effet, dans le domaine infrarouge correspondant au maximum d'émission thermique pour un corps à la température de la surface et de la basse atmosphère de Vénus, le CO₂ présente des fenêtres de transmission très larges qui ne peuvent piéger efficacement le rayonnement infrarouge. En revanche, SO₂ et H₂O absorbent les radiations dans ce domaine de longueurs d'onde, tout comme le font également les fines particules d'acide sulfurique qui constituent les nuages^[10]. Vénus, plus proche (72,3 %) du Soleil que la Terre, reçoit ainsi près du double (191 %) de l'énergie solaire reçue par celle-ci.

D'autres études contredisent cependant ce point et mettent en avant le rôle essentiel du CO₂ dans l'effet de serre vénusien^[11].

Effet de serre sur Mars

L'atmosphère de Mars contient une grande proportion de CO₂, néanmoins l'atmosphère de la planète est trop ténue pour avoir un impact significatif sur la température (impact d'au plus quelques degrés^{[réf. souhaitée]}).

Notes et références

Voir aussi

Bibliographie

Articles connexes

Liens externes

Gouvernement de la France

• (fr) Mission interministérielle à l'effet de serre
• (fr) Observatoire National sur les Effets du Réchauffement Climatique

Gouvernement du Canada

• (fr) Carte sur l'effet de serre par Ressources naturelles Canada

Autres

• (fr) Initiative Europeenne d'eParticipation (WAVE) utilisant les technologies de l'information
• (en) Realclimate Blog de commentaire des résultats scientifiques récents animé par des scientifiques.
• (en) Émissions européennes par rapport à l'objectif de Kyoto

Histoire de la notion d'effet de serre

• (fr) Mémoire de Fourier sur la température du globe terrestre et des espaces planétaires, en ligne et commenté sur le site BibNum.
• (fr) Article de 1896 d'Arrhenius sur le CO² dans l'atmosphère, en ligne et commenté sur le site BibNum.

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